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Edmund Optics® manufactures optical components used in ventilator monitoring. Inquiries about complete systems should be directed to the ventilator monitoring device manufacturers.

案例研究:
适用于呼吸机监控的光学元件

撰文:Randall Hinton

未来将依赖呼吸机监控期间快速而准确的动脉血液检验反馈来协助康复。

帮助 COVID-19 患者
战胜病毒

对于肺部出现炎症或发生呼吸衰竭的 COVID-19 患者而言,呼吸机至关重要。服用镇静剂且病情与 COVID-19 无关的患者在常规手术期间也可使用呼吸机提供辅助。呼吸机可将富氧空气泵入患者肺部,并将二氧化碳排出,从而帮助患者呼吸 1 

究竟需要监控什么?

医护人员会仔细测量呼吸机推入和排出病人肺部空气的量、类型、速度和力度,以及可能出现的任何并发症。例如,过多的氧在血液中存在过长时间会对肺有害。此外,若患者血液中存在的酸过多,可能预示着肾衰竭、严重感染、特定的有毒摄入、糖尿病酮酸中毒 (DKA),或预示着对睡眠呼吸暂停治疗不足。预防这些问题需要经常对动脉血气水平进行测量。

血液样本一般来自患者的腕部、腹股沟动脉,或肘部上方的手臂8。 随后会将样本放入血气分析仪设备中。血气分析仪可以测量血液中的氧 (O2) 含量、二氧化碳 (CO2) 含量和酸度 pH 值。它们还能测量诸如乳酸、葡萄糖、血红蛋白、肌酐和电解质等其他参数的浓度2。血气分析仪的著名制造公司包括 Siemens Healthineers、Instrumentation Laboratory、Radiometer、Roche Diagnostics 和 Nova Biomedical7 

光学元件如何用于血气监控?

二氧化碳、氧、pH 值和血红蛋白水平是动脉血气监控的关键参数。以下的几个示例将说明如何以光学测量方式来确定这些参数。

二氧化碳

图 1 展示了用于对血液样本中的 CO2 进行光学测定的光学系统。一面凹面反射镜通过狭缝反射热源的辐射光,并将其反射到另一面凹面反射镜上。第二面凹面反射镜将辐射光反射到已针对 4200-4300nm 的 IR 波长进行优化的光栅。光栅会进行旋转,使该光谱中的衍射波长发生变化。然后,辐射光会再次传输到凹面反射镜,通过 3500nm 长波通滤光片,再穿过测量室,随后到达热电检测器。该检测器与旋转光栅同步,可在 4210、4260 和 4310nm 处发出与辐射强度成比例的信号。这些波长的吸收量将提供样本中 CO2的基线量3。由于会进行肺部气体交换或外呼吸,因此动脉血中的二氧化碳含量相对较低4

Photometric determination of CO2.
图 1: CO2的光学测定。

图 2 展示了用于对血液样本中的氧含量进行测定的光学系统。绿色二极管发出的光通过 580nm 短波通 (SWP) 滤光片。辐射光从该 SWP 滤光片传输到 580nm 二向色滤光片,后者将绿色二极管的光反射到聚焦透镜上。随后将绿光聚焦到样本上,并与氧敏感染料发生作用5。激发的发光团会发出波长长于入射绿光的光子。随后,这些激发光子从样本容器依次通过透镜、二向色滤光片和 665nm 长波通彩色滤光片,最终传到硅光电二极管上。我们使用检测器上的信号强度来计算氧含量。氧含量依赖于肺泡内外空气的运动、肺毛细血管的血流量,以及载氧血红蛋白4

Photometric determination of O<sub>2</sub>
图 2: 通过 SCHOTT 665nm 长波通彩色滤光片对 O2 进行光学测定。

pH

图 3 展示了对 pH 值进行光学测定的光学系统截面图。使用吸热滤光片(例如 SCHOTT KG5 玻璃滤光片)对卤素灯发出的辐射光进行过滤。随后辐射光与血液样本发生作用,最后通过多个带通滤光片由透镜聚焦到硅光电二极管上。光电二极管发出的电流信号表示 458、589 和 750nm 辐射光的强度。凭借这些辐射光强度,可以计算样本的 pH 值3。通过血液 pH 值,我们可以深入了解血液中化学缓冲剂(主要是碳酸氢盐)的相互作用、红细胞,以及肾、肺和脑干这三项器官的功能4

Photometric determination of blood pH.
图 3:血液 pH 值的光学测定。

血红蛋白

氧在血液中不易溶解,所以人体会依靠载氧蛋白质(即血红蛋白)将氧输送到组织细胞。名为 CO 血氧计的光学系统可以测量光(从只含两到三种波长的光到含数十种波长的光)在通过血液时的吸收情况。这样做的目的是区分氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白(以前称为“还原”血红蛋白),并测定氧合血红蛋白饱和度,即氧合血红蛋白占可用血红蛋白总量 (Hb) 的百分比。通过测量更多的波长,仪器可以区分这些血红蛋白和碳氧血红蛋白 (COHb)、高铁血红蛋白 (metHb)、其它血红蛋白片段以及“背景”吸光物质。

Photometric determination of hemoglobin.
图 4:血红蛋白的光学测定。

图 4 展示了 CO 血氧计的示例。卤素灯发出的辐射光通过吸热滤光片传输到测量室。光通过样本后通过二向色滤光片聚焦,随后使用 600 或 506nm 的带通滤光片分解光谱。产生的强度由硅光敏器件检测,并用于计算总血红蛋白含量 (Hbtot) 与氧饱和度。计算基于 Lambert Beer 定律和预先确定的 Hb 与 HbO2 消光系数值2 3

以下展示了 CO 血氧计的另一项示例,其中红血球受到超声波振动,这将破坏细胞壁并释放血红蛋白。将流动细胞中的血红蛋白置于可见光下,使用光栅反射镜和光电二极管阵列观察吸收光谱 (478-672nm)。根据吸收光谱,可以计算胆红素的浓度,并用于筛查诸如新生儿黄疸等疾病6 

Hemoglobin measuring system with an ultrasound source.
图 5:含超声源的血红蛋白测量系统。
爱特蒙特光学® 对于为呼吸机监控提供光学组件感到非常自豪。这些设备以及其他无数支持光学的技术正在协助打造更安全、更健康的未来。

参考

1. WebMD. Complications of Ventilator Use. WebMD. [Online] March 26, 2020. https://www.webmd.com/lung/ventilator-complications#.

2. Radiometer. What is blood gas? - Radiometer. Radiometer America. [Online] 2020. https://www.radiometeramerica.com/en-us/about-radiometer/leading-the-blood-gas-testing-industry.

3. Lundsgaard, Andersen, Jensen (Radiometer Medical). EP0449900B1 Denmark, 1989.

4. Higgins, Chris. Why measure blood gases? A three-part introduction for the novice - Part 1. Acute Care Testing. [Online] January 2012. https://acutecaretesting.org/en/articles/why-measure-blood-gases-a-three-part-introduction-for-the-novice-part-1.

5. Indicators for optical oxygen sensors. Quaranta, Borisov, Klimant. 2012 Dec, Bioanalytical Reviews, pp. 115–157.

6. Bilirubin measured on a blood gas analyser: a suitable alternative for near-patient assessment of neonatal jaundice? Peake. 2001, Ann Clin Biochem, pp. 533-540.

7. Carlson, Bruce. Blood gas lab testing is one of a few winners, amid sagging volumes overall. LabPulse. [Online] May 19, 2020. https://www.labpulse.com/index.aspx?sec=sup&sub=mic&pag=dis&ItemID=801222&wf=2.

8. WebMD. Arterial Blood Gas Test (ABG). WebMD. [Online] September 09, 2019. https://www.webmd.com/lung/arterial-blood-gas-test.

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