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1、 传统脉搏血氧仪学习重点：1. 描述传统脉搏血氧仪的基本工作原理及3个核心假设。2. 解释传统血氧仪测量失败的共同原因3. 定义噪音信号比率及最佳工作条件4. 列出影响血氧仪信号准确度的5个噪音信号来源5. 列出传统血氧仪在体动状态下测量的3个技术原理6. 列出传统脉搏血氧仪通过降低报警总数量以掩饰误误报警率的2种模式名词解释：血氧仪-一种无创的测量氧饱和度的仪器脉搏血氧仪-一种通过脉搏进行无创测量氧饱和度的仪器AC-交流电，它显示的在脉搏血氧仪信号里的搏动信号成分DC-直流电，它显示的在脉搏血氧仪信号里的非搏动信号成分信号-血氧仪通过红光和红外光对氧饱和度进行测定噪音-任何电子或机械的因素，
2、可对信号的接收产生影响静脉噪音-由于静脉血液流动产生的噪音假阳性-显示氧饱和度异常但实际正常的错误报警假阴性-氧饱和度异常但没有报警的情况，可因为低灌注产生读数冻结 发射器-传感器的组成部分，可发出信号，产生可见红光 接收器-传感器的组成部分，可接收信号A脉搏血氧仪的构成 脉搏血氧仪由三个重要成分组成：传感器，导连线和监视器。传感器连接患者，包括发射器和光电探测器。发射器发出红光和红外光，光电探测器接收测量透过患者的红光和红外光的数量。导连线把信号由传感器发送到监视器，监视器滤波分析信号，计算血氧饱和度，并在显示器上显示SpO2和脉率。B 脉搏血氧仪的基本原理 脉搏血氧仪通过分光光度测定原理计
3、算不同物质在液体媒质里的组成浓度。在分光光度计测量法里，光线首先透过空的试管或容器，仪器计算光线通过数值。下一步在容器中放入液体或测试物质例如水。光线通过容器，再次计算光线通过数值。由于存在液体媒介，就会造成两次读数出现差异。 关键因素是b的长度和c的浓度，在分光光度法中，起始的光强度是已知的，b的长度是固定的，才可以保证透过的光强度I是可以计算的，不同浓度也可以计算出来。 1935年，Matthes教授通过分光光度法首次成功无创的测量出氧饱和度。这次试验开创了无创监测氧饱和度的时代。取代光线透过容器或试管，血氧仪通过患者的手指或婴儿的脚趾作为容器，液体媒质变成血液，测量物质变成血色素。 但是
4、，早期的血氧仪不能用于日常的临床使用，因为和分光光度计一样，它需要定期的30分钟的刻度校对程序 。Nihon Kohden的 Aoyagi教授意识到传统的实验室血氧仪可通过比较AC和DC进行测量，无需校对，并且读数迅速。很重要的一点，它被称作脉搏血氧仪，是因为AC在饱和度的测定中是必需的，没有脉搏，就没有脉搏血氧仪。 脉搏血氧仪实际发射两种光信号，红光和红外光，并在接收器端接收信号。表3显示手指的皮肤，皮下组织和骨头同样吸收光线。静脉血液由于被假设为没有搏动，它的吸收光线比率是固定的，但实际上静脉血液也有搏动。动脉血，部分被假设为无搏动，部分为有搏动。 表3 传统脉搏血氧仪的第一个重要假设：只
5、有动脉血液的搏动影响吸收。 大多数光信号被搏动的动脉血液吸收。表3显示大量光信号被吸收，无法测算。实际上如果把搏动信号AC看成1，那非搏动信号DC可以达到10，000.这表明脉搏血氧仪测定的搏动信号AC有多么微弱。 下图显示氧和血红蛋白，血红蛋白或还原血红蛋白吸收光线也是不同的。血液鲜红显示含氧量高，血液暗红表明含氧量低。 表4 氧和血红蛋白和还原血红蛋白对红光和红外光的吸收率脉搏血氧仪使用红光（660纳米波长）和红外光（905纳米波长）作为信号源。红光信号被血液直接吸收，并与血液中的颜色变化相关，红外光信号作为计算的参考数值，两者被吸收后可计算出一个比值，见表5，因为这比值与血液中的颜色变化
6、直接相关，它也与血液中含氧量直接相关。健康志愿者通过有意降低血液中氧饱和度，采集血样标本，通过实验室的生化仪器计算出氧饱和度与红光/红外光的比值关系，可以产生一个校对表，通过无创测定的红光/红外光比值直接读出氧饱和度的数值。例如比值为0.67对应氧饱和度为95%。 传统脉搏血氧仪的第二个重要假设：只有氧和血红蛋白和还原血红蛋白可以吸收光信号，换句话说，传统脉搏血氧仪假定不存在异常血红蛋白。 表5 SpO2校对表 每一种脉搏血氧仪都是通过这种方式计算并在其软件系统里存在一个类似的校对表。传统的脉搏血氧仪，红光和红外光的信号都是被光电探测器接收。许多新近的脉搏血氧仪里，信号被数字化见表6. 信号被
7、滤过后去除无用的超出信号范围的因素，滤波器试图过滤掉外源性噪音干扰包括电子设备和机械因素。经过滤波后，红光与红外光比值被计算出来，设备对数值进行检查，并决定是否输出到后台处理器，如认可，后台处理器使用校对表把红光与红外光比值转换成相对应的血氧饱和度，显示出来。如果设备对数值产生疑问，它会依照脉搏血氧仪生产商的编程进行处理，后面会详细讨论。 传统脉搏血氧仪的第三个重要假设：一种实验校对模式可以通用所有情况。FIGURE 6: Schematic of signal processing of pulse oximeterC重要假设和传统血氧仪失败的共有模式 回顾上述三个重要假设，就会理解在临床应
8、用中传统血氧仪失败的原因1. 只有动脉血液的搏动影响吸收。换言之，静脉血液没有搏动。2. 只有氧和血红蛋白和还原血红蛋白可以吸收光信，没有异常血红蛋白的存在，例如高铁血红蛋白或碳氧血红蛋白。3. 一种实验校对模式可以通用所有情况。 如果静脉血液有搏动将会发生什么呢？虽然Aoyagi教授的突破是历史性的，但在他的设计中存在一个重大的瑕疵。他所不了解的是，在他对体动患者测量的搏动血液AC和非搏动血液DC时，静脉血的因素也应该考虑进去。因为无论患者是否体动，静脉血都是存在搏动的。 如何产生的呢？让我们回到手指模型上，但这次它是有体动的，见表7. DC的组成部分例如皮下组织，骨头，一些静脉血液和一些动
9、脉血液固定吸收率依然不变。造成吸收率变化的搏动的动脉血液也依然存在。但现在有一部分静脉血液也会产生搏动。它也应该被算作是搏动的成分。表7 体动时脉搏血氧仪测量的组成成分 传统脉搏血氧仪，由于血氧含量高的动脉血液和血氧含量低的静脉血液都在搏动，它会将血氧数值平均化，数值介于动脉血氧和静脉血氧之间。每次患者体动都会发生。因此，体动时传统脉搏血氧仪显示的数值是一个错误的较低的血氧，它低于真实的动脉血氧饱和度。 如图所示，表8显示的一个血流灌注良好的患者体动时的情况。因为血流灌注良好，氧气由血液吸收到体内细胞的量少，静脉血氧饱和度与动脉血氧饱和度的差别也少，平均的血氧数值也接近真实的动脉血氧饱和度（9
10、8+88）/2=93%,这种情况当然不会报警也无需采取临床治疗措施。 表8: 血流灌注良好的患者脉搏血氧仪读数 但假设另一种情况，患者血流灌注不好如表9。由于血流缓慢，体内细胞需要比正常时需要更多氧气，血液中氧气被过度吸收造成静脉血液饱和度下降到很低的水平. 平均化后的血氧饱和度（98+50）/2=74%, 数值评估显示患者危险，会发出报警，需要医师处理。医师不得不决定这是否是真实报警，如果是错误报警但医师未能辨别，可能对患者采取错误的治疗，给予过度吸氧。对于新生儿，过度吸氧可能造成失明。所有的传统脉搏血氧仪都面临同样问题。表 9: 低灌注患者脉搏血氧仪的读数 如果第二点假设也是错误的，不仅氧
11、合血红蛋白和还原血红蛋白可以吸收光信号，还可以有其他的的光信号吸收源，那会发生什么呢？Arizona大学的Steven Barker教授研究显示，高碳氧血红蛋白可以造成传统的双波长脉搏血氧仪氧饱和度测量值偏高，即使患者真实氧饱和度在50%以下，血氧仪显示读数仍可在90%。见表10 Barker SJ, Tremper KK. The Effect of Carbon Monoxide Inhalation on Pulse Oximetry and Transcutaneous PO2. Anesthesiology 1987; 66:677-679 表10 COHb对脉搏血氧仪测量的影响同样
12、，表11显示高铁血红蛋白也可以造成传统的双波长脉搏血氧仪氧饱和度测量值的偏高，即使患者真实氧饱和度在50%以下，血氧仪显示读数仍可在85%。 Barker SJ, Tremper KK, Hyatt J. Effects of Methemoglobinemia on Pulse Oximetry and Mixed Venous Oximetry. Anesthesiology 1989;70:112-117 表 11: MetHb对脉搏血氧仪测定的影响传统脉搏血氧仪的第三个重要假设：一种实验校对模式可以通用所有情况，也是在多种假设条件下才成立。l 所有数据采集于健康的志愿者，没有贫血情况l
13、 实验环境清洁，光线通过指头没有阻碍。发表的文章没有明确指甲油是否会影响读数，但大多数作者同意金属指甲油可以造成光线的散射，影响脉搏血氧读数的准确性l 患者应使用正确尺寸的传感器探头l 传感器应置于合适的部位，例如指夹式传感器应放置于手指而不是耳朵或前额最后，它假设发射器和接收器具有同心性保证光线垂直穿过手指。传感器位置bu正确就会导致光线围绕手指传送，被称为半影效果，也会造成测量的不准确性 表12显示，位置不正确的传感器在校对表上无法显示读数，如果想得到之前的校对表的读数，光线必须是垂直的。1993年麻醉学杂志上Steven Barker教授发表文章表明传感器放置位置不正确，不会产生读数，传
14、感器正常工作时，数据点组成的实线应该与对比的虚线接近，下表显示当传感器位置正确时，所有采集的数据点在一条直线上，而另一个表显示当传感器位置不正确时，红光/红外光的比值与实验室血气结果不符合，数据点无法连成线而是随意分布。表12: 传感器位置不正确对血氧数值的影响5) patient movement (moving venous blood) D. 分离噪音信号 为了准确测量氧饱和度，发射器发出的光信号受到噪音干扰越小越好。实际做到这点很难，因为每次接收器接收光信号时会同时接收到许多噪音信号，如下图左面所示，信号显示为左侧的直线，噪音信号显示为右侧的黑色区域。信号强度与血流灌注直接相关，灌注越
15、好，信号越强；灌注越弱，信号越弱。噪音信号被定义为干扰发射器红光/红外光信号的无用的信号，包括 1.临近的电子设备干扰 2.日光或任何亮光的干扰 3.传感器的移动干扰 4.导连线的移动干扰 5.患者的体动干扰 表13 信号与噪音干扰 表13右侧显示，我们将信号至于噪音中，将会很难发现它，即使靠近观察，你仍会发现信号依旧存在于除静脉噪音信号以外的其他噪音信号中。虽然我们可以通过增加屏蔽降低非静脉噪音信号但很难将信号从静脉噪音中分离出来。如上所示，当所有噪音信号都存在并无法被滤过的情况下，找到正常信号几乎不可能。 表14 高信号与低噪音 假设另一方面，在绝对静止，没有亮光干扰和其他电子干扰的情况下，信号将最优化，噪音信号将会最小化，如表14. 信号与噪
