三波长低血氧测量系统的研究与实现

　　1　引　言

　　近红外光谱法是利用被检测组织中含氧血红蛋白和还原血红蛋白在近红外谱区(600~1000 nm)具有不同的吸收光谱特性,测量两个或两个以上波长光强的衰减,通过吸收定律计算出二者的含量,进而利用公式得到组织的血氧饱和度。基于近红外光谱的组织血氧检测技术在临床监护、脑机制研究、运动生理研究和康复医学等领域具有广泛的应用前景,肿瘤血氧饱和度的测量也用此法来预测PDT的疗效[1]。

　　传统的双波长透射式血氧监护仪比较成熟,但由于传感器是基于光透射的原理,使它只能局限于在指尖和耳垂等有限部位测量,反映全身动脉血氧饱和度的平均变化,而不能实现人体局部组织和器官供血供氧状态的定位监测。在大多数体表部位(如前额、胸部等)需要使用反射式传感器进行血氧饱和度检测;而且随着血氧饱和度值的变化,对低血氧的测量误差较大。目前国内对低血氧反射式血氧测量的研究水平还处于探索阶段。

　　消除干扰是血氧饱和度测量系统设计的关键,尤其反射式血氧测量中检测到的反射光强信号比常规的指夹式透射的检测结果要小得多,所以对反射式血氧仪抗干扰的重要性更为突出。采用多波长测量可以减少测量误差,但如果采用的光波长太多会使仪器结构复杂,价格太贵且易损坏。国内有文献采用660 nm, 940 nm测量光源外增加810 nm光源作为参考光源,构建系统来抑制运动干扰,取得了较好的效果,但对低血氧值的测量精度和实时性不太理想[2]。也有文献用三个波长的光源来测量,相当于用两组双波长光的测量值取了一次均值,这种方法可以提高测量的精度,但文章硬件设计和后期数字信号处理没有很好地去除干扰[3]。本文提出三波长光源测量方法并分析了三波长光源的选取依据,运用基于小波分解的自适应噪声对消原理有效地去除运动伪差和高频噪声的干扰,实验证明该系统对低血氧监测准确可靠。

　　2　理论基础

　　2. 1　传统光波长在低血氧下误差分析

　　测量血氧饱和度一般选用波长660 nm和940 nm两种波长的光,因为在该波长处,光对HbO2和Hb吸光系数差异最大,可以提高检测的灵敏度。国外研究人员研究了选用不同光波长,不同血氧饱和度时的测量偏差情况,研究得出在660 nm和940 nm时,对高血氧测量有良好的精度,而对低血氧测量精度较差[4]。

　　两种波长光穿透深度匹配良好可以减少组织中异种成分影响, 660 nm和940 nm两种波长虽然使两种血红蛋白吸收系数差别较大,但由图1可知,在低血氧时,光平均穿透深度相差较大,不能达到良好匹配,因而在低血氧测量中不可取。