脉搏血氧饱和度(血氧探头)监测的进展

脉搏血氧饱和度（血氧探头）监测的进展(2011-03-1813:11:03)1发展简史和应用现状1.1发展简史TakuoAoyagj利用光吸收曲线法测定心输出量的过程中，产生了研制脉搏血氧饱和度仪的想法，采用Wood法，先在耳垂加压使其缺血，并测其传导光线，然后去除耳垂加压以恢复其血流，再测其传导光线。此时，第一个耳垂值是入射光强度，第二个值是透过光强度，计算两者的比值就是血液的光密度。研制中利用动脉搏动振幅又可测得氧饱和度，并据此得出两个观点：①通过搏动可显示动脉血颜色，从而不致受静脉血的影响，探测头可以放在任何部位；②无需对组织加压使局部缺血，而是通过简单地转换探头位置达到测定的目的。所选用的波长是受干扰最小的630nm和900nm。1974年世界上第一台脉搏血氧饱和度（血氧探头）（SpO2）仪OLV5100问世。1982年，Nellcor研制出一种性能更好的脉搏血氧饱和度仪N－100，并形成了一种标准模式，系利用发光两极管作为光源、硅管作为光传感器、微型计算机进行信息处理，从而使脉搏血氧饱和度仪进入了新时代1.2应用现状脉搏血氧饱和度仪在麻醉、手术以及PACU和ICU大量临床应用资料表明，及时评价血氧饱和度和/或亚饱和度状态，了解机体氧合功能，尽早发现低氧血症，足以提高麻醉和重危病人的安全性；尽早探知SpO2（血氧探头）下降可有效预防或减少围术期和急症期的意外死亡。由此促使SpO2仪在临床上得到广泛应用。据统计，单独应用SpO2仪可减少40％的麻醉意外，如果与CO2监测仪并用则可减少91％的麻醉意外。此外，可发现某些临床化验和治疗也难以预料的危险。因此，SpO2作为一种无创、反应快速、可靠的连续监测指标，已得到公认，目前已推广到小儿病人的呼吸循环功能监测，特别对新生儿、早产儿的高氧血或低氧血症的辨认尤其敏感。新生儿抗氧化能力弱，常可出现慢性肺疾病，早产儿更易致视网膜病；在自主呼吸受到抑制时，容易导致呼吸停止。因此，连续监测SpO2不仅可及时发现低氧血症，正确评价新生儿的气道处理与复苏效果，更可以设置SpO2高限报警以提供高氧血症预报，从而可为NICU新生儿的监护和治疗提供重要信息[16]。鉴于小儿的解剖和生理与成人有别，特点是血容量、潮气量和其他生理参数的安全范围都相对窄小，在NICU中利用SpO2就可以正确评价小儿病人的氧合情况，可指导呼吸机的使用与撤离，提供可靠的依据。在其他领域中，SpO2监测也能发挥重要作用，例如评估桡动脉与尺动脉、或足背动脉与颈后动脉的侧支循环血流，可减少手或足血循环障碍并发症，也可评价断肢再植的血供状况。将SpO2安置在犬直肠表面以测定直肠表面氧合状况，可判断肠吻合后的肠功能状况。在康复病房中应用SpO2仪可观察患者运动后的氧合状态。SpO2用于急诊室监测患者呼吸暂停、紫绀和缺氧的严重程度，可决定进一步的抢救措施。Baker等利用SpO2仪和放射性同位素法同时测定先心病患者的左向右分流状况，结果证实在心室分流水平上两者的相关性好(r=0.86)，而心房水平上两者的分流相关性较差(r=0.64)。2监测原理及其应用局限性2.1基本原理2.1.1SpO2是根据血红蛋白（Hb)具有光吸收的特性设计而成。SpO2仪包括光电感应器、微处理机和显示部分三个主要部件。其基本原理是：①HbO2与Hb对两个波长的光吸收特性不一样；②两个波长的光吸收作用都必须有脉搏波部分参与。根据Beer定律，溶质浓度与通过溶质的光传导强度有关，如果将一个已知的溶质程序设计，置入已知容积透明容器的纯溶液里，通过测定已知波长的入射光强度和透过光强度，就可计算出溶质浓度：A=log(lin/lout)=ECD。［注：lin=入射光强度；lout=透过光强度；光密度A是消光系数E、浓度C和传导路程D的产物］。当传导路程(△D)和lout(△l)发生变化时，光密度的变化如下：△A=log［lout/(lout－△l)］=EC△D[10]。由于存在散射，E值可能出现变化。在散射物质中，光线在传导过程中可能有较多的丢失，这取决于光学结构中的很多因素，由此使公式A变得很复杂。相反，公式△A的入射光强度和透过光强度由于同时消散，由此可给SpO2读数提供高精确度的条件，这也是SpO2读数高精确性的原理[21]。2.1.2HbO2与Hb的分子可吸收不同波长的光线：HbO2吸收可见光，波长为660nm，而Hb吸收红外线，波长为940nm。根据分光光度计比色原理，一定量的光线传到分光光度计探头，光源和探头之间随着动脉搏动性组织而吸收不同的光量（无搏动的皮肤和骨骼则无吸收光量的作用）。搏动性组织吸收的光量转变为电信号，传入血氧饱和度仪，通过模拟计算机以及数字微处理机，将光强度数据转换为搏动性的SpO2百分比值。2.1.3SpO2仪在光传导的途径上，除动脉血血红蛋白可吸收光外，其它组织（如皮肤、软组织、静脉血和毛细血管血液）也可吸收光。当入射光经过手指或耳垂时，光可被搏动性血液及其它组织同时吸收，但是两者的光强度是不同的：搏动性动脉血吸收的光强度（AC）随着动脉压力波的变化而改变，而其它组织吸收的光强度(DC)不随搏动和时间而改变，且保持相对稳定。动脉床搏动性膨胀，使光传导路程增大，因而光吸收作用增强，形成AC。利用光电感应器可测知穿过手指或耳廓的透过光强度，在搏动时测得的光强度较小，与每两次搏动之间测得的光强度比较，其减少的数值就是搏动性动脉血所吸收的光强度。据此，就可计算出在两个波长中的光吸收比率(R)。R=(AC660/DC660)/(AC940／DC940)。R与SpO2呈负相关，在标准曲线上可得出相应的SpO2值。当R为1时，SpO2值大约为85％。标准曲线是根据正常志愿者的数据建立，并储存于微处理机内。各种计算步骤通过微机处理后，显示在屏幕上。2.2SpO2仪在使用上的局限性鉴于工程技术上和生理学方面尚存在某些不足，因此SpO2仪在实际使用上尚存在某些局限性。2.2.1血红蛋白异常该仪器只适用于测定HbO2和Hb。如果血液中出现某些病理情况，例如MetHb和COHb浓度异常增高时，SpO2的读数就会出现错误。HbO2只在波长660nm时被吸收，在波长940nm时不被吸收，但可以吸收增高的COHb。这样R值就增大，从而可出现SpO2降低的假象。动物实验表明，COHb与SpO2的关系是：SpO2＝(HbO2+0.9COHb)／总Hb×100％。又如在波长660nm时，吸收MetHb与吸收Hb几乎相等，但在波长940nm时同样可吸收MetHb。随着MetHb浓度增高，而SpO2无改变时，由于MetHb在两个波长中都被吸收，因此R值趋于固定为1，即使MetHb处于高水平，患者的SpO2仍应＞85％，如果SpO2＜85％应视为错误的假象。2.2.2静脉内染料在搏动性血液中的任何物质(例如亚甲蓝几靛胭脂静脉注射)都可被660nm和940nm光吸收，因此可影响SpO2的正确性。例如动物静脉注射亚甲蓝实验显示，SpO2呈快速显著下降，而实际的SaO2并没有减少。又如静脉注射吲哚花青绿可使SpO2出现假性下降，但幅度较小；静脉注射靛蓝二磺钠则对SpO2似乎毫无影响。2.2.3外周脉搏减弱危重病人的血流动力学波动较大，在低灌注和末梢血管阻力大时，SpO2信号将消失或精确度降低。由于脉搏幅度减小，SpO2仪对外光源（如室内荧光灯）呈敏感状态，由此可影响SpO2值。2.2.4活动性伪差病人活动时对信号的吸收会发生很大的波动，是最难以消除的伪差因素，尤其在恢复室或ICU使用时，几乎可使SpO2失去应有的价值。2.2.5静脉搏动SpO2监测仪是以动脉血流搏动的光吸收率为依据，但静脉血流的光吸收也有搏动成分，由此可影响SpO2值，在静脉充血时SpO2读数往往偏低。2.2.6半影效应如果传感器没有正确放在手指或耳垂上，传感器的光束通过组织就会擦边而过，由此可产生半影效应，信号减少，噪音比加大，SpO2值低于正常。因此当SpO2传感器光源偏离正确位置时，对低氧血症病人实际SpO2值的评估可能偏高或偏低，由此可产生误导。2.2.7氧离曲线氧离曲线指出，SaO2与PaO2在一定范围内呈线型相关，当PaO213.3kPa(100mmHg)时，氧离曲线呈平坦；全身麻醉及机械通气时FiO2常0.3，如果病人的肺功能正常，PaO2可达23.94kPa(180mmHg)，此时SpO2测定为100%；即使PaO2降至13.3kPa(100mmHg)，SpO2值仍不会改变。当FiO2＝1.0时，PaO2即使下降39.9～66.5kPa(300～500mmHg)，SpO2仍为100%。因此，在高氧分压下，SpO2不能准确反映PaO2，因系与氧离曲线特性所决定。另一方面，病情改变使氧离曲线左移或右移时，也可影响SaO2与PaO2的相关性。3新技术的进展3.1多种波长反射性脉搏血氧饱和度仪3.1.1现用的光反射性脉搏血氧饱和度仪（血氧探头）的主要原理是通过传感器局限性地从体表低密度血管分布区域记录相对较弱的光体积描记图(PPGs)。如果设计一种能在身体不同部位探测到足够强的反射光体积描记图，并利用特殊的运算处理较弱的和经常受干扰的PPGs，这样光反射性脉搏血氧饱和度仪的本质可得到完全改变。现用的光传感器是由一个单独的光探测器，以及检测经皮肤的反射光和一对红光和红外线的发光双极体(LEDs)组成。此类传感器依赖于探头接触的解剖组织结构的位置，如果传感器的位置与组织之间发生变异，就会导致很大的误差。为捕捉到大部分的反向散射波，光探测器必须能探测到从中心区域发射的光，据此就设计出一种新型的光反射传感器，包括三个LEDs和两个连续光探测环，对称性、等距离地排列在LEDs的中心位置。这种新配置与现用的传统光探测器相比，能更全面地探测到光体积描记图。多个光探测器的结构虽然复杂些，但可加强搜集远离光探测仪区域的额外反向散射波的能力。3.1.2脉搏氧饱和度的读数与传感器的正确使用有直接关系。身体不同部位的组织血容量变化与皮肤表面的血管数量和分布有关。另外，传感器与皮肤接触会影响皮肤表面的血液分布和光散射的效果。多波长的新型传感器具有独特的几何学结构，改进辨别光射的能力，排除人为移动或高敏性所致的相对较弱的光体积描记图，由此可提高氧饱和度读数的精确性，也是将来用于临床监测新生儿和胎儿SpO2的重要仪器。3.2Masimo信号萃取技术3.2.1Masimo信号萃取技术与传统方法不同。今已认识到：压力相对较低的静脉血对病人活动时所产生干扰影响相当敏感。以手指为例，血管床内的静脉血在病人活动时很容易发生变化，而形成生理信息所在频带内的明显噪声。另外，静脉血是一种很强的光吸收剂，因此，当病人活动时，静脉血对总光强度可产生明显噪声源影响。如果能测定噪声基准，就可以采用自调谐噪声消除器来处理相应于静脉血噪声源的影响。3.2.2在生理信号中可检测到红光强度Ird与红外线强度Iir，分别由有用信号部分(Srd，Sir)及无用信号部分(Nrd，Nir)组成。在氧饱和度仪中通常理解为：这两个有用信号部分(Srd，S1r)彼此间成正比，其比值即为动脉光强度比ra。因此，从红光产生的生理信号中，减去红外线产生的生理信号与动脉光强度之比的乘积，其结果就包含仅有噪声部分的基准信号，即为噪声基准信号N。氧饱和度选通转换(DST)技术，能够将相应于动脉氧饱和度的光强度比(ra)与相应于静脉氧饱和度估计值的光强度比(rv)区分开来，随后计算出这两个光强度比(ra和rv)。由光强度比的每一个选定值，计算出相应的基准信号，再由自调谐噪声消除器进行处理。3.2.3Masimo萃取技术的过程可归纳为：①对相应于氧饱和度1％到100％的每一个光强度比进行扫描；②通过每一个光强度比计算基准信号；③对每一个基准信号测定自调谐噪声消除器的输出功率；④在DST图上确定相应于动脉氧饱和度的峰(最大SpO2值)。MasimoSET氧饱和度仪利用Masimo萃取技术，不需要先提取或决定生理信息中离散的动脉氧饱和度数据，就可以计算出动脉氧饱和度值，并与心率