原创 生物医学技术之血氧测量技术（2）测量方法理论基础

       对于人类，维持生命的重要条件是充分吸入氧气，使动脉血液溶入足够的氧大氧气供给过程中，从空气中的氧到氧进入细胞中的这一整修过程中的任一环节出现问题，都会造成氧供给的障碍，因此 及时检测动脉中含氧量是充分，在临床上有重要意义，同时也是判断人体呼吸系统、循环系统是否出现障碍或者周围环境是否缺氧的重要指标。血氧监护在麻醉手术、危重病人及新生儿监护的应用为医生的临床行为提供了快速、直接、有效的操作依据，成为心血管外科、脑外科手术及新生儿、早产儿监护等领域的重大进展。

       血氧饱和度的检测分有创和无创两种方法，有创的方法是抽取动脉中的血液，利用血气分析法或在分光光度计测定光密度的基础上计算血氧饱和度。血气分析法是将采到的血样利用分析仪进行电化学分析，测出血氧分PO2 ，进而进行计算，可为临床提供准确的血氧饱和度值，应用于很多需要准确的血氧饱和度数据的场合，如深低温停循环手术、产程中胎儿监护等；用分光光度计测定光密度的方法的原理则是以双波长的朗伯比定律为基础，并利用Hb和HBO2 的吸光系数随波长改变的特性进行计算的。

     事实上，朗伯比定律主(Lambert-Beer Law ，德国的August Beer发表于1851年)以及Hb和 的吸光系数随波长改变的特性是所有血氧饱和度的光学测定法的基本原理。 根据朗伯-比尔定律(The Lambert-Beer Law)，一单色光透过某种物质的溶液时，其透射光强与入射光强有如下关系：

    
           
其中I ……透射光的强度
   I0 ……入射光的强度
 ……溶液对某特定波长光的吸收系数
C……溶液的浓度
L……光通过的路径长度
另外，可以认为生物组织在红光、红外光区(600nm-1000nm)是相对透明的，红光、红外光甚至能穿透头皮、头骨，深入到脑内数厘米。同时组织也是具有高散射系数的物质，组织的散射作用使光子运动在组织中呈现随机性，可形成透射光(或前向散射光)和反射光(或后向散射光)。组织中的一些特殊物质如血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素a、a3等，它们有着依赖于波长的吸收特性，对透射光和反透射光强度影响极大。但因为组织中血红蛋白的浓度远远高于其它吸光物质的浓度，普通组织的透射和反透射光谱强烈依赖于血红蛋白的吸收光谱。人体血液中的氧合血红蛋白( )和脱氧血红蛋白( )在波长为600nm-1000nm的连续光谱中(即红光和红外光区域)的光吸收系数存在显著的差异，如图所示；血氧饱和度的光学测定法正是利用了人体血液中脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的光吸收系数的差别，并以朗伯-比尔定律为理论依据进行的。

由于血氧饱和度的有创检测方法不仅费时、易对患者造成痛苦甚至感染，且不能提供连续、实时的血氧饱和度数据，早在1940年，英国的J.R.Squire等人就发表了无创的“无血法”测定血氧饱和度的方法：通过压迫组织造成组织的无血状态，测定此时的“纯组织”的透光量，再解除压迫测定组织和血混合后的透光量，进而计算血氧饱和度。此后采用无创的光学测定获得血氧饱和度和度数值的尝试一直在不断进行。
 
氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的光吸收系数