Urs Utzinger, Assistant Professor U of A, 2002.

Pulse Oximeter Laboratory

Введение

Насыщение кислородом

Гемоглобин - белок и основной компонент красных кровяных клеток. Гемоглобин переносит кислород из легких, где кислородная напряженность (частичное давление кислорода) PO2 высокая, на ткани, где кислородная напряженность низкая. Кислородное насыщение, SO2, определено как коэффициент суммы связанного кислорода на общую кислородную возможность.

где [HbO2] - концентрация оксигемоглобина, и [RHb] - концентрация деоксигемоглобина. Если молекула гемоглобина связанна с кислородом, тогда получаем оксигемоглобин или [HbO2]. Если молекула гемоглобина связанна с угарным газом, тогда получается карбокси-гемоглобин или [HbCO]. Если молекула гемоглобина ни с чем не связанная, тогда имеем деоксигемоглобин или [RHb] или сокращенный гемоглобин. Если молекула гемоглобина распадается, тогда получаем метагемоглобин. Все они имеют различные спектры, но здесь мы сконцентрируемся на [HbO2] и [RHb].

Кислородное насыщение вычислено как проценты или доля.

У здоровых взрослых людей, артериальное кислородное насыщение (SO2) - приблизительно 97%. Это зависит от физиологических параметров, а также от кислородного частичного давления воздуха на вдохе. У венозной крови, кислородное насыщение - приблизительно 75%.

Измерения кислородного насыщения сделаны для того, чтобы определить ответ на терапевтическое вмешательство (напр. дополнительную кислородную администрацию или механическую вентиляцию) и/или диагностическую оценку (напр. эффект упражнения на уровнях O2).

Измерение кислородного насыщения также необходимо при проверке серьезности и прохождение некоторых болезней. SO2 может быть определен при использовании спектрофотометрии.

Оптическое измерение поглощения

Определение концентрации абсорбирующей субстанции в растворе, использующееся в спектрометре, основано на открытиях четырех индивидуумов. Bouguer и Lambert отмечали, что передача света через абсорбирующий материал, как например, содержащийся в кювете, уменьшается экспоненциально с увеличением в светового пути через кювет. Beer и Bernard наблюдали, что концентрация субстанции в растворе (менее, чем 10-2 M (молей)) непосредственно связано с его абсорбирующей способностью. Объединение этих двух открытий известно как закон Beer, как установлено Bouguer: "Равная толщина абсорбирующего материала поглощает постоянную долю энергии действующую на него." (Коренник, 1998) Это отношение –

где:

I0= мощность света, поступающего в кювету

I = мощность света, выходящего из кюветы

а = абсорбирующая способность образца (коэффициент гашения)

L = длина пути через образец

c = концентрация абсорбирующей субстанции

Передача является коэффициентом интенсивности света, оставляющего кювету I к интенсивность света, вводимого кювету

Оптическая плотность (A) - экспоненциально связано отношением с величиной обратной передаче.

Также как концентрация субстанции в растворе увеличивается (или уменьшается), передача меняется логарифмически и обратно. Часть поступающего света поглощается субстанцией в растворе на конкретной длине волны - постоянная характеристика субстанции, которая называется поглощающая способность, a. Пусть длина пути света (обычно внутренний диаметр кюветы), будет константа, L, и концентрация субстанции в растворе c.

Абсорбирующая способность часто заменяется на молярную абсорб.способность eps, выраженную в литрах на моли на сантиметр в секунду . Эпсилон является константой, соответствующей 1 молю абсорбирующей субстанции в растворе, с путем света L = 1 cм на данной длине волны. Эпсилон также назвается коэффициент гашения моля [cm-1 /(моль/литр)]. Следовательно, оптическая плотность может быть выражена как

Оптические свойства

Оптические свойства гемоглобина были хорошо охарактеризованы и представлены на следующих графиков в форме размеров поглощения крови.

Коэффициенты гашения обоих видов гемоглобина равны на изобестической длине волны (напр.. 548, 568, 587, 805 нм), тогда как сокращенный гемоглобин [RHb] более прозрачный (меньший коэффициент гашения) чем оксигемоглобин [HbO2] в инфракрасном диапазоне и более абсорбирует в красном.

Некоторые базы данных указывают свойства поглощения гемоглобина в эквиваленте. Тем не менее один из лучших ресурсов для оптических свойств гемоглобина доступен на http://omlc.ogi.edu/spectra/hemoglobin/summary.html. Величины для коэффициента гашения моляра были обработаны Scott Prahl, с использованием данных из W. B. Gratzer, Med. Res. Council Labs., Holly Hill, London и N. Kollias, Wellman Laboratories, Гарвардской Медицинской Школы, Бостон. Данные показывают как представлен спектр окси и деокси- гемоглобина с точки зрения моляра коэффициента гашения эпсилон . Чтобы преобразовать моляр коэффициент гашения е к оптической плотности нужно только умножить концентрацию моля на длину пути. Например, если x - количество граммов на литр на 1 см кюветы, тогда оптическая плотность становится равна:

используя 66,500 как молекулярный вес грамма гемоглобина.

Кровь

Гемоглобин имеет нормальную концентрацию 150 грамм / литр крови и разрешает цельной крови переносить в 65 раз больше кислорода, чем в плазме в PO2 при 100 мм рт.ст.. При гематокрите определяется часть крови - красные кровяные клетки (тельца). Красные кровяные клетки первоначально сформированы из гемоглобина (95% сухой массы).

Когда артериальная кровь насыщенное на 90%, некоторые молекулы гемоглобина имеют четыре связанных атома кислорода, некоторые имеют три, а несколько иметь две или одну. Статистическое среднее число всего кислорода связанное с молекулами гемоглобина относительно общей суммы, которая может быть связана, - кислородное насыщение. Один грамм функционального гемоглобина объединяется с 1.34 мл O2, емкость O2 нормальной крови –

(150 g Hb/liter)(1.34ml O2 g Hb) = 200ml O2/liter.

Примите, что один литр крови содержит 150 г гемоглобина. Затем для того, чтобы преобразовывать моляр коэффициента гашения е в коэффициент поглощения, умножают моляр концентрации на 2.303 (поскольку поглощение основано на натуральном логарифме),

µa(lambda) = (2.303) eps(lambda) (150 g/liter)/(66,500 g Hb/mole) = 0.0054 eps(lambda)

где - µa коэффициент поглощения в (cм-1) и е(lambda), - моляр коэффициента гашения для интересующей длины волны. Коэффициент поглощения основан на натуральном логарифме в то время, как моляр коэффициента гашения е основан в log10.

RHb] И [HbO2] в смеси

Если две молекулы с двумя разными спектрами поглощения смешаны в растворе и они не взаимодействуют, когда они смешаны, общее оптическое поглощение является суммой поглощений из-за индивидуальной хромофорности. В случае не рассеяния средняя концентрация двух молекул может быть легко определена по двум параметрам. Здесь две молекулы названы Hb и HbO2.

где L - длина пути, A было измерено на двух длинах волны (lambda 1 и lambda 2) и коэффициенты гашения были получены по известным данным.

Заменим это уравнение для HBO2SAT (кислородное насыщение), в результате:

Если одна из длин волны будет isosbestic точкой, это выражение приобретает форму коэффициента измерения минус константа.

Если мы рассматриваем реальную ткань, средняя длинна пути фотона (расстояние фотон преодолевает в среднем по ткани), просто не определить поглощением, но оно также зависит от рассеяния ткани. В общих чертах длины среднего пути увеличивается, когда поглощение уменьшается или увеличивается рассеяние. Если две измеренные длины волны закрытые, мы можем допустить, что рассеяние на длине волны 1 и длина волны 2 аналогично. Кроме того в мягких тканях рассеяние обычно значительно больше, чем поглощение. Следовательно безопасное допустить, что на обеих длинах волны средняя длина перемещения фотонов одинаково (или закрытие одинаково) и у нас есть идеальное условие где длина пути L – одинакова для обеих волн и кислородное насыщение - не зависит от рассеяния ткани.

Артериальная против венозной крови

Чтобы измерить SO2 не инвазивно, мы просвечиваем палец или мочку уха. Но так мы измеряем смешанный образец венозной и артериальной крови. Чтобы измерять только артериальную кровь, мы используем пульсовую оксиметрическую технику, которая рассматривает только колеблющиеся компоненты оптических сигналов.

Давление и течение крови в артериях описаны сложными гидродинамическими моделями.

Тем не менее нам нужно рассматривать только распространение давления пульса в артериях, которое нормально остро увеличивается в течение сердечного сокращения, уменьшается пока клапан аорты не будет закрыт и может иметь секундный пик после того, как начинается обратный ход до остановки сердца (смотри график ниже).

Если мы просто примем, что сосуды являются эластичными, диаметр артерий и капилляров возрастает в течение каждого сердечного ритма пропорционально. Это увеличение результирует на перемене длинны пути света проходящего объем артериальный крови. Все остальные компоненты остаются константами.

Как показано ниже у нас компонент, который представляет поглощение и рассеяние на коже, кости, жировойой ткани и венозной системе. Другой пульсирующий компонент является артериальным кровяным потоком. Мы достоверно не знаем, ни что на выходе светодиода, ни как хорошо мы собираем свет, мы будем только заинтересованы в амплитуде колеблющегося сигнала.