光电容积脉搏波描记法原理及其在临床上的应用

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1、光电容积脉搏波描记法原理及其在临床上的应用 罗志昌 张松 杨益民 李旭雯 本文作者罗志昌先生北京工业大学生物医学工程中心教授张松先生副研究 员 杨益民先生助理研究员李旭雯女士助理研究员 关键词: 光电容积脉搏波描记法 一 前言 光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmoGraphyPPG)是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法当一定波长的光束照射到指端皮肤 表面时光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器在此过程中由于受到指 端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用检测器检测到的光强度将减弱其中皮肤 肌肉组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的而皮肤内的血液 容积在心脏

2、作用下呈搏动性变化当心脏收缩时外周血容量最多光吸收量也最 大检测到的光强度最小; 而在心脏舒张时正好相反检测到的光强度最大 使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化将此光强度变化信号转换成电信 号便可获得容积脉搏血流的变化由此可见容积脉搏血流中包含有心搏功能血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息同时容积脉搏血流主要存在于外 周血管中的微动脉毛细血管等微血管中所以容积脉搏血流同样包含有丰富的 微循环生理病理信息是我们研究人体循环系统重要的信息来源由于光电容积 脉搏波描记法并不需要复杂而昂贵的仪器设备且操作简便性能稳定具有无 创伤和适应性强等诸多优点因而受到国内外医学界的普遍重视引起工程科技 人员

3、的广泛兴趣自 1938 年 Hertzman 首次提出光电容积脉搏波描记法原理以来 的半个多世纪中国内外的许多科研人员在此领域中做了大量的基础研究和临床 应用研究工作应用领域亦由人体循环系统发展到呼吸系统在人体血压血流 血氧脑氧肌氧血糖微循环外周血管脉率呼吸率和呼吸容量等的无创 检测中都有很好的应用前景并由此开发出许多在临床上有实用价值的医疗仪器新产品本文将对此作一综述 二 与 PPG 有关的基础性研究工作 1. 皮肤与血液光学性质的研究 PPG 是一种利用皮肤对光的反射或透射来评价皮肤血流灌注有关信息的方 法为了深入了解 PPG 的信息实质就需要有关于皮肤与血液光学性质的知识 1981 年

4、Anderson 等人对皮肤的光学性质进行了系统的研究认为在皮肤的表皮 真皮和皮下组织的三层结构中各有不同的光学性质 并由此提出皮肤的光学模型: 在 50150m 薄薄的表皮层中只吸收光而不散射 在其下的 14mm 的真皮层中 骨胶原产生的散射光将起主要作用光的穿透深度主要由它决定体内血液中的 血小板氧合血红蛋白和胆红素是真皮中可见光的主要吸收者研究表明不同 波长的入射光对皮肤的穿透深度是不同的 如波长为 250nm 的光束对皮肤的穿透 深度仅为 2m而当波长为 1000nm 红外光时其穿透深度可达到 1600m见 图 1 所示因而 Giltvedt 等人指出以往 PPG 都是用红外光束作光源

5、在此波长 下记录到的信号代表了整个皮肤厚度上的动脉搏动信息它分辨不出皮肤不同深 度的动脉血管床的变化因而就难以解释许多有关生理病理和药物对所得结果 的影响 他们提出在 PPG 的测量中可以用不同波长的光束来记录皮肤不同深度动 脉搏动信息并由此记录到皮肤的血压值和皮肤血管的特征频率 血液的光学特性研究表明血液对光束的吸收主要决定于血红蛋白中的氧饱和程度血液中的血红蛋白主要以氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)两种 形式存在在波长为 6001000nm 的连续光谱中HbO2和 Hb 的光吸收系数存 在显著的差异见图 2其中吸收最大的差异发生在波长 630660nm 之间1979 年 Ch

6、alloner 用 650nm 和 805nm 两种光束比较其 PPG 信号得出 805nm 光束的 PPG 信号与血中的氧含量无关1983 年 Yoshiya 等人首次利用人体血液中 HbO2 和 Hb 对 660nm 的红光和 940nm 的红外光不同波长光吸收峰值不同的特点用 PPG 信号测出人体的血氧饱和度理论上只要找到光通过血液时某一成分的本征 吸收峰值就可应用 PPG 技术对血液成分实现无创检测 2. 光源波长对 PPG 信号的影响 在 PPG 的应用中由光源和光电接收器组成的探头将与皮肤相接触发射光束将在皮肤组织和血液中反射吸收和散射目前已成为商品的 PPG 仪器其光 源通常都使

7、用波长范围为 800 960nm 的光发射二极管(LED)到达光电接收器上 的光信号被转换成 PPG 电信号它与探头下皮肤血流容积变化相关并包含以下 两个分量: (1) 缓慢变化的直流分量(DC)它一般可以假设为探头下皮肤的总血容量 实际是由动脉血的非脉动部分静脉血和毛细管血部分以及肌肉组织等三部分的 光吸收组成 (2) 脉动变化的交流分量(AC)它同步于心率可假设为与动脉血容量相关 主要反映脉动血的吸收情况 交流分量一般其幅值为直流分量的 12%且叠加在直流分量上如图 3 所 示 1984 年 Giltvedt 等人在 950 和 560nm 两种波长下研究了其 PPG 信号的差别 由于不同

8、波长光束的穿透深度不同 不同波长光束的 PPG 信号反映出不同深度血 管床的信息其中950nm 反映出的是皮肤深部小动脉信息而 560nm 反映出的 是浅部微动脉信息为了研究光源波长在不同皮肤温度下对 PPG 信号的影响 1991 年 Lindberg 等人在四种不同波长(480560633 和 825nm)和在冷水(13E) 及热水(42E)刺激导致两种局部皮肤温度下对人体皮肤血流灌注进行了详细的研 究 实验结果表明在温度刺激下皮肤在较深层次的组织与表面间建立起温度梯度 在皮肤不同血管层水平的血流灌注将依次给出不同的变化如短波长有较浅的穿 透深度在此层次水平上容易受温度的影响PPG 信号中的

9、交流分量可以检测到 皮肤灌注的较大变化而在长波光束的作用下有较深的穿透深度在此层次组织 的血流灌注较少受温度的影响发生在皮肤浅表处的血流灌注变化将被深层次的 血流变化所掩盖研究同时表明温度刺激对 PPG 信号中的直流分量不太敏感 可以认为温度刺激对 PPG 交流分量变化的百分比将比直流分量变化的百分比大 得多 因而大部分应用 PPG 检测血流容积变化的医学仪器其光源都是采用波长较 长的红外光发光二极管 3. PPG 信号波形特征的研究 PPG 信号波形特征主要指交流分量幅值与波形变化的特征由于它是在显示器屏幕上能直接观察到的波形信号 因而很多人就把它当作 PPG 信号的全部来研 究而对同样重要

10、的 PPG 信号的直流分量往往反而被忽视研究表明PPG 信号 波形特征主要应由心血管状态决定同时它又会受到检测时的环境温度呼吸 姿势运动负荷甚至一些心理因素如焦虑和恐惧等的影响检测时应该控制这 些因素使对波形的影响减至最小如环境温度最好保持在 23E手指温度保持 在 32E这是血管舒张的最佳指标为了保持呼吸有规律被检测个体应松弛吸气不要太深还应安排一个轻松的环境以消除异常波形与基线漂移1990 年 Sherebin 等人在仔细控制了这些影响因素后得出在年青健康的个体中PPG 波 形特征为上升沿陡峭下降沿出现重搏波切迹随着年龄的增加上升沿开始变缓慢在同样变得缓慢的下降沿中重搏波切迹逐渐消失使波形

11、更加圆滑这是 由于年龄增加粥状硬化与血小板斑块积累而引起动脉树分叉点处反射能量变化造 成的此外在静止和运动状态下对 PPG 波形进行了频谱分析得出不同次数的 谐波功率谱有明显的差异从频域特性中可以获得比时域特性更多的有用信息 4. 容积脉搏血流的模型研究 国内外对 PPG 的研究目前大多只是集中在检测方法与实验结果的分析上 对 容积脉搏血流所可能包含的信息特征研究得较少更没有从容积脉搏血流模型机 理方面对 PPG 信号作较为深入的理论分析由于过去在建立心血管模型时模型 的输出一般只考虑到中小动脉时为止其下游的小动脉微动脉和毛细血管往往 简单地用一集中参数的外周阻力来表示而容积脉搏血流实际上是描

12、述这些小动 脉微动脉和毛细血管微循环内血液流动的总体情况因而单纯的集中参数外周阻力反映不出容积脉搏血流的流动特征与生理特征从而丢失了许多有关容积脉 搏血流与微循环的信息虽然国内外对由此建立起来的心血管模型(弹性腔模型 弹性管模型)进行了大量有关桡动脉脉搏波传播与血流机理的研究工作 在时域和 频域中提取出桡动脉压力的各种生理病理信息并开发出一系列的血流参数无创 检测仪器在临床上获得较好的应用但由于已有的心血管模型中缺少一个能反 映容积脉搏血流的环节使容积脉搏血流的研究工作落后于桡动脉脉搏压力的研 究工作从而限制了容积脉搏血流机理及其应用的进一步发展1994 年北京工业 大学生物医学工程中心罗志昌

13、等人根据弹性腔理论建立起一个容积脉搏血流的微 循环模型它由 RLC 两阶线性系统组成见图 4 所示其中 R 表示血液由 大动脉进入小动脉微动脉以及流经毛细血管进入静脉时所受到的全部阻力L 代表血液在小动脉和微动脉中的流动惯性它反映了血液在微循环中流动变化的 难易程度C 表征毛细血管网的顺应性是一个度量毛细血管可扩张度的生理指 标模型的输入 Pin是桡动脉的脉搏压力模型的输出 Qout是容积脉搏血流模型 的数学表达式为 inoutoutoutPRLCQLCdtdQ RCdtQd11122 =+ 用脉搏压力传感器和光电容积脉搏传感器分别对不同年龄和不同生理条件个 体测量其桡动脉压力 Pin和指端容

14、积脉搏血流 Qout作为模型的输入和输出对模 型进行参数辨识 得出不同年龄生理条件下的模型参数 R L C 可能的数值范围 通过对不同参数的血流模型进行数值计算可得出不同生理状态下的容积脉搏血 流波形与数值与实测的容积脉搏血流相比较两者相当接近说明模型是可信 的见图 5 根据血流模型可对容积脉搏血流机理进行分析得出它包含两个分量其中直流分量反映心搏出量的大小是心输出量外周阻力血管弹性等血流参数 的主要度量交流分量虽然较小但其波形变化却能反映出微循环的优劣程度 模型研究表明在临床上通过直接检测容积脉搏血流来监测心血管心搏出量外 周阻力和血管弹性等血流参数是可能的从而为开发一种新型多功能多参数监护

15、 仪器提供一种新的方法 三 PPG 的各种临床应用 1. 人体组织血氧状态的测量 由于血液中氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)在红光和红外光区(6001000nm)有独特的吸收光谱(见图 2)因而使 PPG 成为研究组织中血液成分 尤其是血氧状态的简单而有效的方法早在 1940 年 MilliKan 即已开始研究从人 体前额无创检测动脉血氧饱和度的原理性装置随后许多国家的研究人员对无创 测量动脉血氧饱和度和组织血氧饱和度的装置进行了各自的研究在他们所采用 的无论是透射光法和反射光法中都以朗伯比尔定律(The Lam-bert-Beer Law) 和光散射理论为基础利用氧合血红蛋白和

16、脱氧血红蛋白的光吸收系数的差异来 进行在红光区(600700nm) HbO2和 Hb 的吸收差异很大而在红外光谱区 (8001000nm)其吸收差异较小当血氧饱和度变化时也就是 HbO2相对 Hb 的浓 度发生变化时血氧饱和度应该和光检测器上的 660nm 和 940nm 两个波长的相 对光强之间存在较好的线性关系见图 6 血氧饱和度: SpO2=A+BR 其中R=940940660660 / DCACDCAC; AB 为标定常数 由此原理设计出的无创脉搏血氧计由于成本低安装维护方便使用时不 需要校正是一种快速测量血氧饱和度的有效方法已成为当今国际上广泛采用 的监护仪器可广泛用于手术室监护室急救病房运动和睡眠等各种临床应 用中 在脉搏血氧计发展的同时 利用 PPG 法测量重要器官和组织血氧的研究工作 也取得进展90 年代初Mocormick 利用反射光谱及独特的深浅双光路对比检测 的传感器设计完成了实用化的脑血氧饱和度测量装置的研制1994 年由Somanetics 公司改进后推出第一种商品化的脑血氧计(INVOS3100)这种脑血氧