氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)吸收光谱

实验报告实验项目名称： 血氧饱和度光电信号处理电路设计一、实验目的1.了解血氧饱和度测试的意义和无创伤测试基本原理。

2.掌握血氧饱和度双路光电电路设计。

3.掌握信号滤波及放大电路二、实验环境 硬件：PC 机，基本配置CPU PII 以上，内存256M 以上； 软件：Proteus 、keil4三、实验原理1.血氧饱和度测定的意义血氧饱和度是衡量人体血液携带氧能力的重要参数。

由于氧通过呼吸进入细胞进而被血红蛋白所氧合是由多个环节组成，其中任何一个环节出现问题均可导致供氧障碍。

监测动脉血氧饱和度可以对肺的氧合和血红蛋白携带能力进行估计，在临床上具有重要的意义。

在临床实践中，估计动脉氧合能力有多种方法，最常用的是取动脉血，但这种方法需要动脉穿刺或者插管，且不能连续监测。

无创伤检测动脉血氧饱和度的方法，是一种采用脉搏血氧测量法的动脉血氧饱和度测量方法，它的特点是能够在无创伤条件下实现连续测量动脉血氧饱和度，使用方便，应用前景广泛。

2.脉搏血氧测量法基本建模原理脉搏血氧测量法的原理是基于光学定律-----朗伯特—比尔定律建立无创伤血氧饱和度测量的模型和基于光学脉搏容积描记法建立动脉组织的模型。

比尔定律认为：光通过物质时，它的强度会或多或少的减弱，这种现象叫做光的吸收。

实验证明：当单色光通过溶液时，透射光的强度与溶液的浓度、厚度、入射光的波长有关。

称为吸光度。

换言之，如果我们测出吸光度，而厚度、入射光的波长已知，则可以计算出溶液的浓度。

脉搏血氧测量正是利用了这一原理。

在脉搏血氧测量法中，假设忽略动脉血管中其它成份影响仅考虑氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb),则血氧饱和度SpO2的定义是：SpO2＝HbHbO HbO C C C 222HbO C 表示氧合血红蛋白含量；HB C 表示还原血红蛋白含量。

两种血红蛋白在红光谱区吸收差别很大，而在近红外光谱区，吸收差别较小，所以不同氧饱和度的血液光吸收程度主要与两种血红蛋白含量比例有关。

血氧探头定义血氧探头,全称为血氧饱与度探头(英文SpO2 Sensor/SpO2 Probe),就是指将探头指套固定在病人指端,利用手指作为盛装血红蛋白的透明容器,使用波长660 nm的红光与940 nm的近红外光作为射入光源,测定通过组织床的光传导强度,来计算血红蛋白浓度及血氧饱与度。

通过SpO2监护,可以得到SpO2、脉率、脉搏波。

应用于各种病人的血氧监护,通常另一端就是接心电监护仪。

血氧饱与度定义血氧饱与度就是指血液中氧气的最大溶解度,血液中氧气结合主要就是靠血红蛋白。

一般情况下不会发生什么改变,但就是如果在一氧化碳含量较高的环境下就会发生变化,造成一氧化碳中毒,也就就是煤气中毒,因为一氧化碳与血红蛋白的亲与性很高,会优先与一氧化碳结合,从而造成血液中氧气含量降低发生危险。

正常人体动脉血的血氧饱与度为98% 、静脉血为75%。

一般认为SpO2正常应不低于94%,在94%以下为供氧不足。

有学者将SpO2<90%定为低氧血症的标准,并认为当SpO2高于70%时准确性可达±2%,SpO2低于70%时则可有误差。

临床上曾对数例病人的SpO2数值,与动脉血氧饱与度数值进行对照,认为SpO2读数可反映病人的呼吸功能,并在一定程度上*脉血氧的变化。

胸外科术后病人除个别病例临床症状与数值不符需作血气分析外,常规应用脉搏血氧饱与度监测,可为临床观察病情变化提供有意义的指标,避免了病人反复采血,也减少护士的工作量,值得推广。

血氧探头工作原理1、功能与原理脉搏血氧饱与度SpO2指的就是血氧含量与血氧容量的百分比值。

SpO2作为一种无创的、反应快速的、安全的、可靠的连续监测指标,已经得到公认。

目前在麻醉、手术以及PACU与ICU中得以广泛使用。

根据氧合血红蛋白(HbO2)与还原血红蛋白(Hb)在红光与红外光区域的光谱特性,可知在红光区(600～700nm)HbO2与Hb的吸收差别很大,血液的光吸收程度与光散射程度极大地依赖于血氧饱与度;而在红外光谱区(800～1000nm),则吸收差别较大,血液的光吸收程度与光散射程度主要与血红蛋白含量有关,所以,HbO2与Hb的含量不同吸收光谱也不同,因此血氧饱与度仪血液导管中的血无论就是动脉血还就是静脉血饱与度仪均能根据HbO2与Hb的含量准确地反映出血氧饱与度。

近红外光谱技术在新生儿脑组织氧合监测中的应用进展2.出生缺陷与相关妇儿疾病教育部重点实验室610041摘要目前国外脑组织氧饱和度监测中广泛应用了近红外光谱技术（NIRS）。

该手术可持续测量区域组织氧饱和度的同时，还是一项无创技术。

但目前国内对近红外光谱技术在新生儿脑组织氧合监测中的应用研究较少，仅在国内部分三甲医院得到了应用。

基于此，本文通过对国内外相关研究文献进行综述，首先讨论了NIRS设备监测rSO2的原理；接下来讨论了NIRS设备监测在新生儿脑组织氧合中的应用，其中包括在先天性心脏病患儿以及缺氧缺血性脑病（HIE）患儿中的应用；再接着讨论了NIRS设备监测rSO2的局限性；最后讨论了NIRS监测rSO2的未来发展潜力。

期望以此丰富目前国内关于NIRS的理论研究，为该基础进一步的实践推广做出薄弱贡献。

关键词：脑组织氧饱和度；近红外光谱技术；新生儿前言机体进行进行代谢提供能量的前提条件就是充分的组织氧合状态。

作为重要的生命指标，血气分析和经皮氧饱和度监测仅可单纯的分析血液中的氧分压和肢端的小动脉血氧饱和度，而不能分析出器官组织含氧量[1]。

近红外光谱测定技术（NIRS）采用可吸收光线对氧合血红蛋白（HbO2）与还原血红蛋白（Hb）的吸收谱之间存在显著差异进行血液的氧合状态测量，以此评估血流及氧合代谢变化，该方法具有直接性、客观性、无创性及可持续性等特征[2]。

研究显示：经NIRS 测量的脑组织氧饱和度（rSO2）比SpO2更能客观评价新生儿脑组织氧合情况。

但目前国内对此NIRS的推广较少，仅在一些顶尖的三甲医院中的重症监护室有所应用。

基于此，本文首先讨论了NIRS设备监测rSO2的原理、应用、局限性以及未来发展潜力。

通过本文的研究，不但可以进一步为相关理论研究做出贡献的同时，为该技术的进一步实践推广做出贡献。

1NIRS设备监测rSO2的原理近年来，近红外光谱学作为一种监测脑灌注的方法重新引起了人们的兴趣。

SPO2电路板1.基本原理1.1 基本原理说明采用振荡法测量脉搏血氧饱和度（SpO2）。

分透射法和反射法，反射法的光源与光敏元件的距离为4~10mm。

本方案采用透射法用于耳垂。

溶液中氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）对不同波长的光的吸收系数不同，如下图所示，在波长为600~700nm的红光区，Hb的吸收系数比HbO2的大；而在波长为800~1000nm的近红外光区，HbO2的吸收系数比Hb的大；在805nm附近是等吸收点。

基于这种光谱特性，两种波长的透射光强之比，与脉搏血氧饱和度（SpO2）近似成线性，有以下近似公式：，其中，I R/I IR为红光和近红外光透射光强之比；k1，k2为常数。

实践中用660nm的红光和880/905/940nm的近红外光，通过分时电路交替照射含动脉血管的部位，光电管检测透射光强并将两种波长的信号分离出来。

将两种波长对应信号，去除直流分量（表皮、肌肉、骨骼和静脉等引起的光吸收）；剩下交流分量（动脉血的HbO2和Hb浓度随着血液的脉动做周期性的改变引起的）。

交流分量的脉动规律与心脏的搏动一致，用来计算心率；两种交流分量之比用来计算脉搏血氧饱和度（SpO2）。

由于生物组织是一个各向异性、强散射、弱吸收的复杂光学介质；LED发出的光虽然单色性很好但是也还是有一定光谱宽度，不同批次的LED的峰值波长也会有不一致性；再加之以上的线性公式也只是近似值。

因此实际应用中，采用以下的公式来作经验定标：，其中，k1，k2，k3为经验定标常数。

1.2 系统组成2.各单元电路详细设计及性能指标计算2.1 电源电路部分2.2 AFE（血氧)部分接收通道1）接收前端接收器是一个差分的电流-电压转阻放大器，将光电二极管的输入电流转换为适当的电压。

其反馈电阻R F可选择：1 MΩ, 500 kΩ, 250 kΩ, 100 kΩ, 50 kΩ, 25 kΩ, 10 kΩ。

反馈电阻R F和反馈电容C F，组成一个低通滤波器。

近红外光谱技术在运动训练中的应用现状摘要：长期以来，运动训练中的很多指标的测量方法程序复杂且对人体造成损伤，近红外光谱技术（near- infrared spectroscopy， nirs）的出现可实现对很多重要指标的无损及时检测，其小巧、易操作，可提高检测的效率和准确性并能为运动训练提供更多有效的理论数据。

本文对nirs的作用、应用领域、研究成果进行综述，并阐明其在运动训练领域的应用前景。

关键词：近红外光谱技术；肌氧含量；乳酸阈；血糖近红外光谱区是一种电磁波，它介于可见光区（vis）和中红外（mir）区之间，它属于分子振动光谱的倍频和合频吸收光谱。

根据美国试验和材料协会（astm）规定，其波长在700nm到2500 nm 之间，主要是含氢基团（o-h，c-h，n-h）的吸收［1］。

在最初红外光谱分析的利用上，大部分集中在对中红外光谱区信息的分析与利用上，近红外光谱区的信息的利用性一直不被大多数专家所看好，因此近红外光谱区也得名“被遗忘的谱区”［2，3］。

20世纪初，运用摄谱技术，科学家获取了有机化合物的近红外光谱，同时分析了有关基因的光谱特征，这意味着在将来的不久，近红外光谱测定术会作为一种新的分析技术广泛应用。

20世纪50年代中期，kaye首先研制出投射式近红外光谱仪［4，5］，随着近红外光谱技术的日趋成熟，被应用于各个领域的研究。

frans jobsis在1977年率先提出并证实了利用近红外光谱技术测定活组织中氧供给与氧利用的可行性，接下来通过科学家们的努力研究，证实了其在运动中测试肌氧水平具有良好的可靠性与有效性，因此近红外光谱技术在运动训练的应用研究得以广泛开展［6］。

nirs可以对局部肌肉中氧合血红蛋白（hbo2）、血红蛋白（hb）、还原血红蛋白（ hhb）和总血红蛋白（thb）、血糖浓度以及血流量（bv）的变化，局部肌氧含量，乳酸阈值，血糖等重要指标进行实时监测，指导训练监控的实施。

基于光学检测的脉搏血氧饱和度测量作者：罗彦玲来源：《决策与信息·下旬刊》2013年第04期摘要血氧饱和度与人体的循环系统、呼吸和心肺功能等直接相关，是临床监测不可缺少的参数之一。

血氧饱和度的测量分为有创法与无创法，无创检测为红外光学检测法，根据动脉血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收光谱曲线存在很大差异，利用动脉血液对光的吸收量随动脉搏动而变化的原理，结合朗伯-比尔（Lamber-beer）定律获取脉搏血氧饱和度。

测量过程中需要对相关参数进行定标。

关键词脉搏血氧饱和度光学检测朗伯-比尔定律中图分类号：R446 文献标识码：A一、引言血氧饱和度是反应血液中氧合血红蛋白含量的一个参数，是氧合血红蛋白（HB02）的容量占全部可结合血红蛋白（HB）容量的百分比。

血氧饱和度是呼吸循环的重要生理参数，标志基本的生命体征，可帮助人们了解自身的健康情况。

血氧饱和度测量通常分为有创法与无创法，有创法即为电分析法，需要对人体进行采血再用再利用分光光度计或血气分析仪计算血氧饱和度的。

无创检测法为光学法，测量原理是采用光电传感器发射光谱，根据动脉血液对光的吸收量随动脉搏动而变化的原理进行测量，测量结果又为脉搏血氧饱和度。

二、脉搏血氧饱和度测量原理动脉血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收光谱曲线存在很大差异，利用这一特性即可对组织中血液成份进行研究。

由于动脉的搏动可引起被测部位血流量的变化，因此当光源穿过人体被测部位时，将产生光吸收量的变化，而非血液组织（如皮肤、指甲、肌肉和骨骼等）的光吸收量通常是保持恒定不变的，从而引起接收光强度的细微变化。

光谱学的方法就是利用了氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）对两种不同光源（一般为红光和红外光）的吸收不一样的特性，通过检测血流量变化引起的光吸收量变化来求SPO2的。

SPO2 = CHbO2 / （CHbO2 + CHb）根据根据朗伯-比尔（Lamber-beer）定律，若入射光强为I0，物质对光的吸收系数为a，则通过厚度为L的物质后，光强为：I = I0*e-a*L 物理实验证明，当光被透明溶剂中溶解的物质所吸收时，吸收系数a与溶液的浓度C成正比，即a = A*C，其中A是一个与浓度无关的常量，这时（2.1）式可表示为：I = I0*e-E*C*L 上式被称为朗伯-比尔定律。

麻醉设备学试题及答案第六章呼吸功能监测仪器一、选择题A型题1．有关SpO2测定的原理的描述正确的A．Hb对660nm波长的红光吸收大于HbO2B．Hb对940nm波长的红外光吸收小于HbO2C．应用测量部位的血液容积描记法原理区分出动脉血成分D．A和BE．A和B和C2．如HbCO浓度偏高，将使血氧气饱和度的读数极值偏向于A．100％ B．95％ C．90％ D．85％ E．80％3．血氧分析仪可以直接测量血液中的哪几项A．pH、PCO2、BE B．pH、PO2、BEC．pH、PCO2、PO2 D．PCO2、PO2、BEE．PCO2、PO2、Hb4．叶轮式通气量计读数与潮气量的关系是A．在较高的潮气量下，读数偏大B．在较高的潮气量下，读数偏小C．在较低的潮气量下，读数偏大D．读数与潮气量没有关系E．以上都不对5．高铁血红蛋白浓度偏高，将使血氧饱和度读数极值趋向A．100％ B．95％ C．90％ D．85％ E．80％6．旁流式肺通气监测仪器不能监测下列哪项指标A．潮气量 B．气道压 C．肺顺应性D．气道阻力 E．肺活量7．氧合血红蛋白在（）处的光吸收量最小，此时红光容易通过血液。

A．660mm B．660m C．660nm D．940mm E．940nm8．血氧饱和度是指：A．血液中溶解氧与总氧量得比值B．Hb结合的氧量与所能结合的最大量的比值C．Hb结合氧与未结合氧量的比值D．Hb结合氧与Hb总量的比值E．未结合氧的Hb量与Hb的总量的比值9．在麻醉中和ICU内下列哪项是必备常规监测项目：A．脉搏血氧饱和度监测B．氧浓度监测 C．CO2浓度监测D．动脉血气监测 E．氮气浓度监测10．下列哪种方法监测气道压最灵敏A．U形管水柱法 B．压力电传感器法C．金属气鼓法 D．气压法 E．电子测压法只测定动脉血氧饱和度的原因是11．SpO2A．动脉氧分压高 B．动脉压高C．动脉血氧含量高 D．动脉有搏动E．动脉血流速度快12．光纤导管法测量混合静脉血氧饱和度的描述哪一项正确：A．血红蛋白氧合后变红B．不同颜色的血红蛋白对不同波长的光的吸收量不同C．此法系测定照射红细胞后反射的光量D．A和BE．A和B和C13．血氧饱和度监测是应用（）红光和（）红外光照射手指，脚趾和耳垂来测定的（）A．660nm940nm B．940nm660nmC．660mm940mm D．660nm940mmE．660mm940nm14．在呼吸功能监测中，下列哪项说法错误A．正压通气下，必须进行气道压监测。

血氧探头定义血氧探头，全称为血氧饱和度探头（英文SpO2 Sensor/SpO2 Probe），是指将探头指套固定在病人指端，利用手指作为盛装血红蛋白的透明容器，使用波长660 nm的红光和940 nm的近红外光作为射入光源，测定通过组织床的光传导强度，来计算血红蛋白浓度及血氧饱和度。

通过SpO2监护，可以得到SpO2、脉率、脉搏波。

应用于各种病人的血氧监护，通常另一端是接心电监护仪。

血氧饱和度定义血氧饱和度是指血液中氧气的最大溶解度，血液中氧气结合主要是靠血红蛋白。

一般情况下不会发生什么改变，但是如果在一氧化碳含量较高的环境下就会发生变化，造成一氧化碳中毒，也就是煤气中毒，因为一氧化碳与血红蛋白的亲和性很高,会优先与一氧化碳结合，从而造成血液中氧气含量降低发生危险。

正常人体动脉血的血氧饱和度为98% 、静脉血为75%。

一般认为SpO2正常应不低于94%，在94%以下为供氧不足。

有学者将SpO2<90%定为低氧血症的标准，并认为当SpO2高于70%时准确性可达±2%，SpO2低于70%时则可有误差。

临床上曾对数例病人的SpO2数值，与动脉血氧饱和度数值进行对照，认为SpO2读数可反映病人的呼吸功能，并在一定程度上*脉血氧的变化。

胸外科术后病人除个别病例临床症状与数值不符需作血气分析外，常规应用脉搏血氧饱和度监测，可为临床观察病情变化提供有意义的指标，避免了病人反复采血，也减少护士的工作量，值得推广。

血氧探头工作原理1、功能与原理脉搏血氧饱和度SpO2指的是血氧含量与血氧容量的百分比值。

SpO2作为一种无创的、反应快速的、安全的、可靠的连续监测指标，已经得到公认。

目前在麻醉、手术以及PACU和ICU中得以广泛使用。

根据氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)在红光和红外光区域的光谱特性，可知在红光区(600～700nm)HbO2和Hb的吸收差别很大，血液的光吸收程度和光散射程度极大地依赖于血氧饱和度；而在红外光谱区(800～1000nm)，则吸收差别较大，血液的光吸收程度和光散射程度主要与血红蛋白含量有关，所以，HbO2和Hb的含量不同吸收光谱也不同，因此血氧饱和度仪血液导管中的血无论是动脉血还是静脉血饱和度仪均能根据HbO2和Hb的含量准确地反映出血氧饱和度。

血氧探头，全称为血氧饱和度探头（英文SpO2 Sensor/SpO2 Probe），是指将探头指套固定在病人指端，利用手指作为盛装血红蛋白的透明容器，使用波长660 nm的红光和940 nm的近红外光作为射入光源，测定通过组织床的光传导强度，来计算血红蛋白浓度及血氧饱和度。

通过SpO2监护，可以得到SpO2、脉率、脉搏波。

应用于各种病人的血氧监护，通常另一端是接心电监护仪。

血氧饱和度定义血氧饱和度是指血液中氧气的最大溶解度，血液中氧气结合主要是靠血红蛋白。

一般情况下不会发生什么改变，但是如果在一氧化碳含量较高的环境下就会发生变化，造成一氧化碳中毒，也就是煤气中毒，因为一氧化碳与血红蛋白的亲和性很高,会优先与一氧化碳结合，从而造成血液中氧气含量降低发生危险。

正常人体动脉血的血氧饱和度为98% 、静脉血为75%。

一般认为SpO2正常应不低于94%，在94%以下为供氧不足。

有学者将SpO2<90%定为低氧血症的标准，并认为当SpO2高于70%时准确性可达±2%，SpO2低于70%时则可有误差。

临床上曾对数例病人的SpO2数值，与动脉血氧饱和度数值进行对照，认为SpO2读数可反映病人的呼吸功能，并在一定程度上*脉血氧的变化。

胸外科术后病人除个别病例临床症状与数值不符需作血气分析外，常规应用脉搏血氧饱和度监测，可为临床观察病情变化提供有意义的指标，避免了病人反复采血，也减少护士的工作量，值得推广。

血氧探头工作原理1、功能与原理脉搏血氧饱和度SpO2指的是血氧含量与血氧容量的百分比值。

SpO2作为一种无创的、反应快速的、安全的、可靠的连续监测指标，已经得到公认。

目前在麻醉、手术以及PACU和ICU中得以广泛使用。

根据氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)在红光和红外光区域的光谱特性，可知在红光区(600～700nm)HbO2和Hb的吸收差别很大，血液的光吸收程度和光散射程度极大地依赖于血氧饱和度；而在红外光谱区(800～1000nm)，则吸收差别较大，血液的光吸收程度和光散射程度主要与血红蛋白含量有关，所以，HbO2和Hb的含量不同吸收光谱也不同，因此血氧饱和度仪血液导管中的血无论是动脉血还是静脉血饱和度仪均能根据HbO2和Hb的含量准确地反映出血氧饱和度。