案例研究：
适用于呼吸机监控的光学元件

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。

图 1: CO₂的光学测定。

氧

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。

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。

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。

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。 

图 5：含超声源的血红蛋白测量系统。