呼吸系統的生理訊號 Physiological Signals in Respiratory System 莊子肇副教授 中山電機系
呼吸系統 : 肺部的功能 進行氣體交換的器官 功能評估 Ventilation: 氣體流動的能力 Distribution: 氣體分佈 Diffusion: 氣體交換的效率
Volumes Tidal volume (VT): 正常呼吸時的氣體量 Total lung capacity (TLC): 肺部最大可以容納的氣體量
Volumes Residual volume (RV): 吐氣到極限時的肺部氣體量 Vital capacity (VC): 深呼吸時的氣體量 Inspiratory capacity (IC): 正常呼吸時可吸入氣體量 Functional residual capacity (FRC): 正常呼吸吐氣後剩餘的總氣體量 TLC = VC + RV = IC + FRC
Spirometry and spirometer 口部經由導管連接呼吸量計呼吸 ( 擋住鼻部呼吸 ) 測量呼吸量計內與外部隔絕的空腔大小變化 藉此瞭解氣體流動的能力, 但無法量測 reserve capacity
Water-sealed Spirometry Other signal processing Strip-chart recorder Rotational displacement sensor Counterweight Kymograph Bell Water seal One-way valves Thermometer for spirometer gas temperature P S T S F S x U abs Soda-lime canister Spirometer system Q AWO Vs: proportional to movement of the bell V S Mouthpiece V L U b T L P A F A x Pulmonary system Blood flow P: pressure T: temperature V: volume U: uptake rate F: molar fraction
Flow-volume curve by spirometry 先讓病人吸氣吸到最飽後以最快的速度將所有的氣都吐完 氣流速度 ( 縱軸 ) 對呼出體積 ( 橫軸 ) 做圖 呼氣 吸氣 正常阻塞性換氣障礙侷限性換氣障礙
Absolute volume of the lung Nitrogen washout procedure 受試者呼吸純氧 量測呼出氣體的體積與 N 2 濃度 可回推 N 2 分佈的體積 Total volume capacity 推測 FRC, TLC
N 2 washout experiment One-way valves 100% O 2 FsN 2 : molar fraction of nitrogen in spirometer F A N 2 : molar fraction of nitrogen in lung Spirometer F S N 2 V S T S V L T L F A N 2 O 2 + N 2 + CO 2 Nitrogen analyzer
血液中各項參數的正常範圍 呼吸與循環系統功能正常與否 正常值 @ artery po 2 : 80~104 mmhg O 2 -saturation (SO2): 95~100 % pco 2 : 33-48 mmhg ph: 7.31~7.45
Blood gas 血液中的氣體包含 :O 2, CO 2 氧氣 : 在肺泡微血管交換後進入血液 98% 由血紅素攜帶 (Oxyhemoglobin) po 2 : 血液中的氧氣分壓 SO 2 : 帶氧血紅素佔所有血紅素的比例 po 2 和 SO 2 大致成正比, 此關係曲線受溫度與 ph 值所影響
Oxyhemoglobin Dissociation Curve
Blood gas: CO 2 組織代謝產生, 由肺泡排出 溶解度是氧氣的 20 倍 在血液中轉為碳酸氫根 碳酸根 影響血液酸鹼值 PH pco 2 PH?? 功能性指標 例 :pco 2 過高 (Hypercapnia) 可能由低 CO 2 排出率所致
Blood gas sensor 傳統量測方法皆需要抽出動脈血樣本 後再使用儀器測量 高度侵入式 無法 real-time 準確, 可一次量測許多生理參數 (po 2, pco 2, ph, 電解質濃度 )
Clark-type po 2 sensor 原理 : 氧化還原反應 Cathode O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH - External applied voltage ~0.6 V Anode Ag Ag + + e - Ag + + Cl - AgCl po 2 上升時, 電流?
Transcutaneous po 2 sensor 體表量測氧氣濃度 非侵入式設計 量測從皮膚表面逸出的氧氣分壓
pco 2 pco 2 介於 10~90 mmhg 時, 與 ph 呈線性關係 H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 H + + HCO 3 - [CO 2 ] = a(pco 2 ), a: constant 可利用 ph electrode
ph value 電解質中,H + 和 OH - 的濃度乘積恆定 [H + ][OH - ] = 1 10-14 ph = - log 10 [H + ] 中性溶液 : [H + ] = [OH - ] = 10-7, ph = 7 酸性溶液 :[H + ] 較高,pH < 7 ph 值會隨溫度變動 ph sensor 通常會根據溫度微調數值
ph electrode 參考電極 量測電極 Ag/AgCl 電極 所有離子皆可通透 保持電位恆定 內外的電壓差與 ph 值成線性關係
ph value 參考電極與量測電極一起放入待測溶 液中 H + 濃度不同時產生電位差 Nernst Equation 量測兩電極的相對電壓 V = -59 mv log 10 [H + ] + C 量測前先對已知液體進行校正以去除 C (constant)
www.medicacorp.com 現今的儀器
Fiber-optic based blood gas sensor Intravascular fiber-optic catheter ( 侵入式 ) Real-time measurement 已知血紅素與帶氧血紅素對各波長光線的吸收率 使用兩種不同波長光 ( 更多也可 ), 可解出血紅素與帶氧血紅素濃度比例 Red region 660 nm Infrared region 805 nm
血紅素對不同波長的吸收率 Extinction coefficient: 電磁波由於吸收和散射所造成的衰減係數
Intravascular fiber-optic catheter Infrared LED Catheter Blood vessel Red LED Photosensor λ 1 λ 2 CRT
Pulse Oximetry 非侵入式的即時偵測 同樣利用 Hb HbO 2 對不同波長的光之已知吸收率 量測位置 : 體表血氧濃度 (transcutaneous oxygen saturation) 手指 耳垂 額頭
Pulse Oximetry 依 detector 的位置可分為 Transmission mode: diode 與 sensor 在待測體兩側 Reflection mode: diode 與 sensor 同側
Light absorption detected pulse oximetry 光線經由組織吸收, 吸收率可分為 DC 與 AC 兩部分
還可以同時偵測其他參數 Mass spectroscopy ( 質譜儀 ) Thermal conductivity detectors Infrared spectroscopy 跟電機領域越離越遠了
Reference chapters: Chapter 9: Measurement of the respiratory system, Medical Instrumentation: Application and Design, John G. Webster. 生醫工程導論 : 呼吸系統的生理訊號