反射式红外光谱组织血氧计传感器设计
作者：王强 王跃华 林淑娟 罗致诚 徐圣普
单位：
王强 王跃华 林淑娟 罗致诚 徐圣普(中国医学科学院生物医学工程研究所 (300192)；王强 王跃华 林淑娟 罗致诚 徐圣普(中国协和医科大学生物医学工程研究所 (300192)
关键词：红外光谱技术；组织血氧计；反射式光电传感器
中国医疗器械杂志990404 提要 描述了一种可用于全身体表各部位监测组织血氧状态的反射式光电传感器的设计，并应用此传感器分别进行了脑血氧和肌血氧状态的测量，获得有意义的实验结果，证实设计的合理性和可行性。
The Design of a Reflection Sensor of NIRS Tissue Oximetry
, 百拇医药
Wang Qiang Wang Yuehua Lin Shujuan Luo Zhicheng Xu Shengpu
Institute of Biomedical Engineering,Chinese Academy of Medical Science
& Peking Union Medical University
ABSTRACT A design of the reflection light-electric Sensor suited to monitoring the statues of tissue blood oxygen on the surface of body is described.The designed sensors have been used too to detect blood oxygen statues of brain and muscle respectively,and many useful informations have been acquired Therefore The above-mentioned design is reasonalle and Feasikle.
, 百拇医药
KEY WORDS Technique of NIRS Tissue Oximetry Reflection Light-Electric Sensor.
缺血和缺氧是导致许多疾病的根源，严重时直接危及人的生命。利用红外光谱光电法研究人体组织血氧和供血状态具有安全可靠、连续实时及无损伤的特点，有广泛的研究与应用前景。
生物组织在红光、红外光区(600nm—1000nm)是相对透明的，红光、红外光甚至能穿透头皮、头骨，深入到脑内数厘米。组织是具有高散射系数的物质，组织的散射作用使光子运动在组织中呈现随机性，形成(a)透射或前向散射光、(b)反射光或后向散射光(图1)。组织中一些特殊物质如血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素aa3等，它们有着依赖于波长的吸收特性，对透射光和反射光强度影响极大。普通组织透射和反射光谱强烈依赖于血红蛋白的吸收光谱，这是因为组织中血红蛋白的浓度远远高于其它吸光物质的浓度。对组织的透射光或反射光进行分析，都可获得组织血氧状态的信息，因而血氧计传感器的研制，也分为透射式和反射式。
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图1 透射或前向散射和反射或后向散射原理示意图
透射式传感器用于指尖和耳垂处测量，有着相对固定的检测区域，这些部位光源到接收器距离相对较短，因而光接收器所接受到的光信号较强，有较好信噪比，传感器设计较为简单，为目前大多数脉搏血氧计所采用的方法。如今，利用红外光谱双光束测量原理的脉搏血氧计测量动脉血氧饱和度的方法已为大部分手术室和监护室所接受，成为医院必备的仪器。脉搏血氧计采用如图2所示的透射式测量探头。使用时探头套在指尖或夹在耳垂上。然而，采用透射原理的传感器设计，只能局限于指尖和耳垂等有限部位进行测量，不能实现体表大多数部位无损检测动脉血氧饱和度。
图2 透射式脉搏血氧计探头示意图
从指尖或耳垂处测得的动脉血氧饱和度值能反映全身的动脉血氧饱和度变化情况，然而却不能反映很多情况下由于局部组织(如脑组织)发生循环障碍或局部组织(如肌肉组织)大量耗氧等情况下，组织血氧状态的变化情况。而局部组织和重要器官的血氧状态监护在很多临床情况下是至关重要的。
, 百拇医药
脑组织新陈代谢率高，耗氧量占全身耗氧量的20%。而且对缺氧十分敏感，短时间的缺氧，就有可能造成中枢神经系统不可恢复的损伤。在很多临床情况下，一个重要问题是脑保护，而这时通常使用的脉搏血氧计并不能发挥监测脑组织血氧状态的作用。脑血氧状态的红外光谱监测法对脑血氧情况直接监测，反映灵敏，且能实现实时连续的无创伤测量，因而在脑供血供氧监测方面显示出极大的研究和应用前景，受到国际上的普遍重视。早期红外光谱监测法，采用分析透射光的方法。组织对红外光的衰减很大，采用透射模式的脑血氧测量装置由于光子运动路径过长导致检测信号微弱，必须使用激光光源和光电倍增管等复杂的硬件设备。由于光学边界过多、取样体积过大，会造成所获得的信息缺乏局部特性，测量结果解释困难。透射距离的限制使得透射式脑血氧测量装置只能用于婴儿而不能用于成人监护。现行脑血氧计采用反射式传感器设计，成功用于成人脑血氧状态监护[1]。
肌肉组织氧含量监测对于运动医学的研究有很重要的作用，同时也提供了一种检查骨骼肌病变的手段。过去只能采用有损的血乳酸检测方法获得肌肉氧含量的估计，而利用红外光谱法研制的肌血氧检测仪能无损伤地检测肌肉氧含量。采用反射式的传感器设计可避免透射式传感器透射深度有限的缺点，适用于全身各处肌肉组织氧含量的测量。
, 百拇医药
可见，无论是在体表多部位测量动脉血氧饱和度以及在脑血氧检测中、还是在肌肉氧含量检测中，透射式的传感器都难以发挥其作用，必须使用能在头颅和体表测量光信号衰减变化的反射式传感器。
1.红外光谱血氧计传感器设计基本原理
1.1光子在组织中运动路径
由于光线在组织中运动呈现随机性，反射式传感器所接收的光线很难确定其确切的检测区域，只能从概率平均的意义上讨论。在这里光敏元件到光源的距离是一个特别重要的参数，从概率平均意义上说，光子在发射器和接收器之间走过一条香蕉状的路径，如图3所示[1]。
图3 光子在组织中运动路径示意图
尽管组织在红光、红外光区(600nm—1000nm)是相对透明的，组织对红光、红外光的衰减仍然很大，光检测器到光源距离每增加一厘米，反射光强度大约降低一个数量级。因而在反射传感器设计中必须兼顾组织透射深度和反射光强度的问题。
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1.2 关于体表多部位动脉血氧饱和度测量
一般认为人体动脉内动脉血的血氧饱和度值差别不大，因而能将测得的末梢小动脉内动脉血血氧饱和度作为全身动脉血的血氧饱和度。体表测量动脉血氧饱和度并不需要太大的透射深度，所以用于体表测量动脉血氧饱和度的反射传感器上光源与光检测器的距离一般定为4mm—10mm之间。这种设计能获得较好的信号强度和信噪比，对光源发光强度要求也不高。
1.3 关于脑血氧测量[1]
脑组织位于由颅骨构成的封闭腔内，因而若采用远近两个不同距离的光感受器，则近处光检测器所接收的信号较多地反映了浅表层组织(头皮、头骨)的信息，而远处光检测器所接收的信号较多地反映了深部组织的信息，如图4所示。因为需要保证一定的透射深度，脑血氧计传感器远处光感受器必须保证一定的到光源的距离。由于这时光子运动路径较长，光衰减较大，为保证一定的接收信号强度和信噪比，脑血氧计传感器必须有较大的光源强度和较高的光检测灵敏度，同时对信号检测电路的性能要求也较高。
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图4 双接收器探头设计原理示意图
现行脑血氧计采用如下原理计算脑血氧饱合度：
由朗伯—比尔定律可得：
其中：D为波长ω时的光密度；
#1为近处接收器，#2为远处接收器；
aωj为j物质在波长ω时的光吸收系数；
cj为j物质浓度；
s为光子运动路径长度。
1.4 关于肌血氧测量
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测量肌血氧的反射传感器必须有一定的透射深度，然而由于不同人体及不同部位的肌肉层厚薄程度不一样，因而测量肌血氧的传感器光源与光检测器距离必须适中，不宜采用较大距离。
2.传感器设计
本文设计的传感器采用高亮度LED组件作为入射光源，采用高灵敏度的光电二极管作为光敏接收元件。由于组织对红光的吸收量相对较大，为保证红光信号强度，LED组件封装有660nm红光LED两个、940nm红外光LED一个。LED组件和光电二极管固定于柔软的黑色橡胶底板上，使用时利用双面胶将传感器粘到皮肤表面。黑色的橡胶底板能减少外界杂散背景光的影响，配合检测电路中消除背景光滤波器的使用，能获得很好信噪比的电信号用于组织血氧状态信息的提取和分析。
本文脑血氧测量传感器光检测器距光源距离定为10mm和30mm(如图5所示)，肌血氧测量传感器光检测器距光源距离定为20mm(如图6所示)。
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图5 脑血氧测量传感器 图6 肌血氧测量传感器3.可行性验证
3.1 脑血氧测量
图7是将反射传感器贴到左前额，然后通过紧闭声门强力吸气、控制膈肌下降、造成暂时胸内负压10s所记录到的数据。
从所得数据可以明显看出，特别是脉搏波变化图更是清楚表明，30mm光检测器信号与10mm光检测器信号在胸负压作用期表现出不同的变化情况。由于胸负压作用对颅内循环和颅外循环的影响差别较大，此现象说明30mm光检测器信号较多地反映了颅内脑组织血管的变化情况， 而10mm光感受器地反映了颅外血管的变化情况。如果简单将30mm信号减去10mm信号，我们不仅不能区分颅外组织和颅内组织血管调节反应的不同，而且颅外信号还会对颅内信号造成干扰。
, 百拇医药 (a)直流变化图
(b)脉搏波变化图
图7 反射传感器贴到左前额，暂时胸内负压10s
由此我们思考：现行脑血氧检测中利用深部组织的信号简单减去浅表组织的信号的方法是否能有效地补偿颅外吸光物质对颅内血氧饱和度测量的影响，从而提高对颅内组织测量的灵敏度呢?
近处光检测器接收的信号颅外循环成份较大，远处光检测器接收的信号颅外循环成份较小，简单地相减只怕不仅不能有效地补偿颅外信号对颅内信号的影响，还会对颅内信号造成更大的影响。如何进行有效地补偿而不会形成过补偿，现在看来还是难以解决的问题。早期设计的脑血氧计(INVOS2910)两个光检测器距光源的距离分别为10mm和27mm。然而补偿后的结果并不尽如人意，改进后的脑血氧计(INVOS3100)采用30mm和40mm两种光检测器距离。临床证实两个光检测器到光源的距离分别为30mm和40mm时，有相对较好的补偿效果，然而并没有分析其原因。本文认为产生这种现象的原因在于10mm处光检测器所接收的光与27mm处光检测器所接收的光在组织中所通过的路径相差太大(如图8)，并不是反映同一片组织的信息，浅表层组织信号在两路光信号中所占的比例相差较大，因而两路信号相减并不能很好抵消浅表层组织的影响；而30mm处光检测器所接收的光与40mm处光检测器所接收的光在组织中所通过的路径相差不大(如图8)，浅表层组织信号在两路光信号中所占的比例相当，因而能取得相对较好的补偿效果，但是一部分颅内组织信号相抵消的结果使脑血氧计的灵敏度下降。
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图8 光路径差别示意图
可见，现行血氧计所暴露的在测量原理上存在的不足促使我们思考是否有更好地处理提取测量信号的新方法。
3.2 肌血氧测量
利用我们的实验系统，做蹬车运动实验如下：脉搏血氧计探头夹在受试人左手食指上，反射传感器用双面胶纸粘到大腿股四头肌皮肤上，同时记录心率、SaO2及反射传感器信号。
蹬车实验结果记录在图9中。
从图上可以看出：
①在运动开始后，心率逐渐加快，运动停止后，心率逐渐恢复到安静时水平。
, 百拇医药
图9 蹬车实验
②在整个实验过程中，SaO2基本没有变化，这说明肌肉组织运动时的血氧变化并不可能引起全身性血氧饱和度状态的变化。
③当肌肉处于安静状态时，肌肉的动静脉相对无变化，各路信号平稳无变化。运动开始，红光、红外光信号向组织血量减少方向变化，说明运动开始后，由于肌肉的主动收缩，使肌肉中血管受外力挤压，造成肌肉中动静脉血量减少。由于肌肉耗氧量增加，肌肉中静脉血脱氧程度加深，血氧饱和度较运动前下降较多，表现为红信号迅速向血量增加方向变化，同时红外光信号亦缓慢向血量增加方向变化，表明机体为适应运动变化，肌肉中动脉逐渐舒张，增加了动脉血的供应，两分钟左右达到平衡。运动强度加大后，肌肉耗氧量进一步增加，平衡被破坏，尽管此时可能肌肉能量消耗增加较多，但由于肌肉无氧呼吸的程度加大，静脉血氧饱和度较前一次变化缓慢，动脉血稍有减少后亦缓慢持续增加。运动停止后，肌肉充血，动脉血超量恢复，偿还运动中所欠氧债，静脉血氧饱和度上升，表现为红光信号向血量减少方向变化，红外光信号向血量增加方向变化。
, 百拇医药
4.结束语
红外光谱法具有无创、方便、成本低廉等公认优点，用我们设计的反射式传感器，通过人体测量的初步可行性实验，结果证实了本设计的合理性和可行性，说明用科学设计的反射式传感器可实现体表多部位动脉血氧饱和度测量、重要器官(脑组织等)血氧状态监测、肌肉组织氧含量无损检测。
与透射式传感器相比，反射式传感器所得信号信噪比较小，不容易确定光在组织中的运动路径，现今血氧计局限于组织血氧计的定量精确测量，因而较难发挥反射式传感器的作用，在血氧计的应用中受到限制。然而是否能研究出更有效的信号处理方法，能有效地利用红外光谱传感器提供的信号，分解提取更多的关于组织供血和供氧的信息，是值得人们深入思考和研究的问题。
参 考 文 献
1.王强.国外医学生物医学工程分册.1998年；21，(1)
(1998年6月18日收稿), 百拇医药
单位：
王强 王跃华 林淑娟 罗致诚 徐圣普(中国医学科学院生物医学工程研究所 (300192)；王强 王跃华 林淑娟 罗致诚 徐圣普(中国协和医科大学生物医学工程研究所 (300192)
关键词：红外光谱技术；组织血氧计；反射式光电传感器
中国医疗器械杂志990404 提要 描述了一种可用于全身体表各部位监测组织血氧状态的反射式光电传感器的设计，并应用此传感器分别进行了脑血氧和肌血氧状态的测量，获得有意义的实验结果，证实设计的合理性和可行性。
The Design of a Reflection Sensor of NIRS Tissue Oximetry
, 百拇医药
Wang Qiang Wang Yuehua Lin Shujuan Luo Zhicheng Xu Shengpu
Institute of Biomedical Engineering,Chinese Academy of Medical Science
& Peking Union Medical University
ABSTRACT A design of the reflection light-electric Sensor suited to monitoring the statues of tissue blood oxygen on the surface of body is described.The designed sensors have been used too to detect blood oxygen statues of brain and muscle respectively,and many useful informations have been acquired Therefore The above-mentioned design is reasonalle and Feasikle.
, 百拇医药
KEY WORDS Technique of NIRS Tissue Oximetry Reflection Light-Electric Sensor.
缺血和缺氧是导致许多疾病的根源，严重时直接危及人的生命。利用红外光谱光电法研究人体组织血氧和供血状态具有安全可靠、连续实时及无损伤的特点，有广泛的研究与应用前景。
生物组织在红光、红外光区(600nm—1000nm)是相对透明的，红光、红外光甚至能穿透头皮、头骨，深入到脑内数厘米。组织是具有高散射系数的物质，组织的散射作用使光子运动在组织中呈现随机性，形成(a)透射或前向散射光、(b)反射光或后向散射光(图1)。组织中一些特殊物质如血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素aa3等，它们有着依赖于波长的吸收特性，对透射光和反射光强度影响极大。普通组织透射和反射光谱强烈依赖于血红蛋白的吸收光谱，这是因为组织中血红蛋白的浓度远远高于其它吸光物质的浓度。对组织的透射光或反射光进行分析，都可获得组织血氧状态的信息，因而血氧计传感器的研制，也分为透射式和反射式。
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图1 透射或前向散射和反射或后向散射原理示意图
透射式传感器用于指尖和耳垂处测量，有着相对固定的检测区域，这些部位光源到接收器距离相对较短，因而光接收器所接受到的光信号较强，有较好信噪比，传感器设计较为简单，为目前大多数脉搏血氧计所采用的方法。如今，利用红外光谱双光束测量原理的脉搏血氧计测量动脉血氧饱和度的方法已为大部分手术室和监护室所接受，成为医院必备的仪器。脉搏血氧计采用如图2所示的透射式测量探头。使用时探头套在指尖或夹在耳垂上。然而，采用透射原理的传感器设计，只能局限于指尖和耳垂等有限部位进行测量，不能实现体表大多数部位无损检测动脉血氧饱和度。
图2 透射式脉搏血氧计探头示意图
从指尖或耳垂处测得的动脉血氧饱和度值能反映全身的动脉血氧饱和度变化情况，然而却不能反映很多情况下由于局部组织(如脑组织)发生循环障碍或局部组织(如肌肉组织)大量耗氧等情况下，组织血氧状态的变化情况。而局部组织和重要器官的血氧状态监护在很多临床情况下是至关重要的。
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脑组织新陈代谢率高，耗氧量占全身耗氧量的20%。而且对缺氧十分敏感，短时间的缺氧，就有可能造成中枢神经系统不可恢复的损伤。在很多临床情况下，一个重要问题是脑保护，而这时通常使用的脉搏血氧计并不能发挥监测脑组织血氧状态的作用。脑血氧状态的红外光谱监测法对脑血氧情况直接监测，反映灵敏，且能实现实时连续的无创伤测量，因而在脑供血供氧监测方面显示出极大的研究和应用前景，受到国际上的普遍重视。早期红外光谱监测法，采用分析透射光的方法。组织对红外光的衰减很大，采用透射模式的脑血氧测量装置由于光子运动路径过长导致检测信号微弱，必须使用激光光源和光电倍增管等复杂的硬件设备。由于光学边界过多、取样体积过大，会造成所获得的信息缺乏局部特性，测量结果解释困难。透射距离的限制使得透射式脑血氧测量装置只能用于婴儿而不能用于成人监护。现行脑血氧计采用反射式传感器设计，成功用于成人脑血氧状态监护[1]。
肌肉组织氧含量监测对于运动医学的研究有很重要的作用，同时也提供了一种检查骨骼肌病变的手段。过去只能采用有损的血乳酸检测方法获得肌肉氧含量的估计，而利用红外光谱法研制的肌血氧检测仪能无损伤地检测肌肉氧含量。采用反射式的传感器设计可避免透射式传感器透射深度有限的缺点，适用于全身各处肌肉组织氧含量的测量。
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可见，无论是在体表多部位测量动脉血氧饱和度以及在脑血氧检测中、还是在肌肉氧含量检测中，透射式的传感器都难以发挥其作用，必须使用能在头颅和体表测量光信号衰减变化的反射式传感器。
1.红外光谱血氧计传感器设计基本原理
1.1光子在组织中运动路径
由于光线在组织中运动呈现随机性，反射式传感器所接收的光线很难确定其确切的检测区域，只能从概率平均的意义上讨论。在这里光敏元件到光源的距离是一个特别重要的参数，从概率平均意义上说，光子在发射器和接收器之间走过一条香蕉状的路径，如图3所示[1]。
图3 光子在组织中运动路径示意图
尽管组织在红光、红外光区(600nm—1000nm)是相对透明的，组织对红光、红外光的衰减仍然很大，光检测器到光源距离每增加一厘米，反射光强度大约降低一个数量级。因而在反射传感器设计中必须兼顾组织透射深度和反射光强度的问题。
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1.2 关于体表多部位动脉血氧饱和度测量
一般认为人体动脉内动脉血的血氧饱和度值差别不大，因而能将测得的末梢小动脉内动脉血血氧饱和度作为全身动脉血的血氧饱和度。体表测量动脉血氧饱和度并不需要太大的透射深度，所以用于体表测量动脉血氧饱和度的反射传感器上光源与光检测器的距离一般定为4mm—10mm之间。这种设计能获得较好的信号强度和信噪比，对光源发光强度要求也不高。
1.3 关于脑血氧测量[1]
脑组织位于由颅骨构成的封闭腔内，因而若采用远近两个不同距离的光感受器，则近处光检测器所接收的信号较多地反映了浅表层组织(头皮、头骨)的信息，而远处光检测器所接收的信号较多地反映了深部组织的信息，如图4所示。因为需要保证一定的透射深度，脑血氧计传感器远处光感受器必须保证一定的到光源的距离。由于这时光子运动路径较长，光衰减较大，为保证一定的接收信号强度和信噪比，脑血氧计传感器必须有较大的光源强度和较高的光检测灵敏度，同时对信号检测电路的性能要求也较高。
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图4 双接收器探头设计原理示意图
现行脑血氧计采用如下原理计算脑血氧饱合度：
由朗伯—比尔定律可得：
其中：D为波长ω时的光密度；
#1为近处接收器，#2为远处接收器；
aωj为j物质在波长ω时的光吸收系数；
cj为j物质浓度；
s为光子运动路径长度。
1.4 关于肌血氧测量
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测量肌血氧的反射传感器必须有一定的透射深度，然而由于不同人体及不同部位的肌肉层厚薄程度不一样，因而测量肌血氧的传感器光源与光检测器距离必须适中，不宜采用较大距离。
2.传感器设计
本文设计的传感器采用高亮度LED组件作为入射光源，采用高灵敏度的光电二极管作为光敏接收元件。由于组织对红光的吸收量相对较大，为保证红光信号强度，LED组件封装有660nm红光LED两个、940nm红外光LED一个。LED组件和光电二极管固定于柔软的黑色橡胶底板上，使用时利用双面胶将传感器粘到皮肤表面。黑色的橡胶底板能减少外界杂散背景光的影响，配合检测电路中消除背景光滤波器的使用，能获得很好信噪比的电信号用于组织血氧状态信息的提取和分析。
本文脑血氧测量传感器光检测器距光源距离定为10mm和30mm(如图5所示)，肌血氧测量传感器光检测器距光源距离定为20mm(如图6所示)。
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图5 脑血氧测量传感器 图6 肌血氧测量传感器3.可行性验证
3.1 脑血氧测量
图7是将反射传感器贴到左前额，然后通过紧闭声门强力吸气、控制膈肌下降、造成暂时胸内负压10s所记录到的数据。
从所得数据可以明显看出，特别是脉搏波变化图更是清楚表明，30mm光检测器信号与10mm光检测器信号在胸负压作用期表现出不同的变化情况。由于胸负压作用对颅内循环和颅外循环的影响差别较大，此现象说明30mm光检测器信号较多地反映了颅内脑组织血管的变化情况， 而10mm光感受器地反映了颅外血管的变化情况。如果简单将30mm信号减去10mm信号，我们不仅不能区分颅外组织和颅内组织血管调节反应的不同，而且颅外信号还会对颅内信号造成干扰。
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(b)脉搏波变化图
图7 反射传感器贴到左前额，暂时胸内负压10s
由此我们思考：现行脑血氧检测中利用深部组织的信号简单减去浅表组织的信号的方法是否能有效地补偿颅外吸光物质对颅内血氧饱和度测量的影响，从而提高对颅内组织测量的灵敏度呢?
近处光检测器接收的信号颅外循环成份较大，远处光检测器接收的信号颅外循环成份较小，简单地相减只怕不仅不能有效地补偿颅外信号对颅内信号的影响，还会对颅内信号造成更大的影响。如何进行有效地补偿而不会形成过补偿，现在看来还是难以解决的问题。早期设计的脑血氧计(INVOS2910)两个光检测器距光源的距离分别为10mm和27mm。然而补偿后的结果并不尽如人意，改进后的脑血氧计(INVOS3100)采用30mm和40mm两种光检测器距离。临床证实两个光检测器到光源的距离分别为30mm和40mm时，有相对较好的补偿效果，然而并没有分析其原因。本文认为产生这种现象的原因在于10mm处光检测器所接收的光与27mm处光检测器所接收的光在组织中所通过的路径相差太大(如图8)，并不是反映同一片组织的信息，浅表层组织信号在两路光信号中所占的比例相差较大，因而两路信号相减并不能很好抵消浅表层组织的影响；而30mm处光检测器所接收的光与40mm处光检测器所接收的光在组织中所通过的路径相差不大(如图8)，浅表层组织信号在两路光信号中所占的比例相当，因而能取得相对较好的补偿效果，但是一部分颅内组织信号相抵消的结果使脑血氧计的灵敏度下降。
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图8 光路径差别示意图
可见，现行血氧计所暴露的在测量原理上存在的不足促使我们思考是否有更好地处理提取测量信号的新方法。
3.2 肌血氧测量
利用我们的实验系统，做蹬车运动实验如下：脉搏血氧计探头夹在受试人左手食指上，反射传感器用双面胶纸粘到大腿股四头肌皮肤上，同时记录心率、SaO2及反射传感器信号。
蹬车实验结果记录在图9中。
从图上可以看出：
①在运动开始后，心率逐渐加快，运动停止后，心率逐渐恢复到安静时水平。
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图9 蹬车实验
②在整个实验过程中，SaO2基本没有变化，这说明肌肉组织运动时的血氧变化并不可能引起全身性血氧饱和度状态的变化。
③当肌肉处于安静状态时，肌肉的动静脉相对无变化，各路信号平稳无变化。运动开始，红光、红外光信号向组织血量减少方向变化，说明运动开始后，由于肌肉的主动收缩，使肌肉中血管受外力挤压，造成肌肉中动静脉血量减少。由于肌肉耗氧量增加，肌肉中静脉血脱氧程度加深，血氧饱和度较运动前下降较多，表现为红信号迅速向血量增加方向变化，同时红外光信号亦缓慢向血量增加方向变化，表明机体为适应运动变化，肌肉中动脉逐渐舒张，增加了动脉血的供应，两分钟左右达到平衡。运动强度加大后，肌肉耗氧量进一步增加，平衡被破坏，尽管此时可能肌肉能量消耗增加较多，但由于肌肉无氧呼吸的程度加大，静脉血氧饱和度较前一次变化缓慢，动脉血稍有减少后亦缓慢持续增加。运动停止后，肌肉充血，动脉血超量恢复，偿还运动中所欠氧债，静脉血氧饱和度上升，表现为红光信号向血量减少方向变化，红外光信号向血量增加方向变化。
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4.结束语
红外光谱法具有无创、方便、成本低廉等公认优点，用我们设计的反射式传感器，通过人体测量的初步可行性实验，结果证实了本设计的合理性和可行性，说明用科学设计的反射式传感器可实现体表多部位动脉血氧饱和度测量、重要器官(脑组织等)血氧状态监测、肌肉组织氧含量无损检测。
与透射式传感器相比，反射式传感器所得信号信噪比较小，不容易确定光在组织中的运动路径，现今血氧计局限于组织血氧计的定量精确测量，因而较难发挥反射式传感器的作用，在血氧计的应用中受到限制。然而是否能研究出更有效的信号处理方法，能有效地利用红外光谱传感器提供的信号，分解提取更多的关于组织供血和供氧的信息，是值得人们深入思考和研究的问题。
参 考 文 献
1.王强.国外医学生物医学工程分册.1998年；21，(1)
(1998年6月18日收稿), 百拇医药