氧傳感器原理：心率血氧采集的原理 第1張" title="血氧傳感器原理：心率血氧采集的原理 第1張-傳感器知識(shí)網(wǎng)"/>
血氧傳感器原理：心率血氧采集的原理
原博地址
簡(jiǎn)介：
? ? ? 在這個(gè)什么都要和“智能”串聯(lián)的年代，除了我們司空見(jiàn)款的手機(jī)外也就是一些智能手表和手環(huán)之類的穿戴設(shè)備了。這些智能穿戴設(shè)備集成了很多的傳感器，由于脈搏或者心率是生命體征的重要參數(shù)之一，所以心率率測(cè)量可算是高端入門產(chǎn)品必備的一個(gè)技能，正好最近有機(jī)會(huì)好好研究心率測(cè)量的技術(shù)，所以趁熱打鐵總結(jié)一下光學(xué)測(cè)量心率的相關(guān)知識(shí)。
? ? ? 在網(wǎng)上搜集了很多資料，目前心率測(cè)量有以下幾種傳感器技術(shù)（僅供參考）
1. 心電ECG
2. 光電容積脈搏波描記法PPG?
3. 生物阻抗 bioimpedance
4. 攝像頭Camera RGB 、wifi等技術(shù)
? ? ? 在上述的幾種方法中，最被人們熟悉的應(yīng)該就是心電圖。在醫(yī)療領(lǐng)域，通常使用心電圖（ECG）測(cè)量生理電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)心率和心臟活動(dòng)的檢測(cè)。但是由于測(cè)量ECG信號(hào)，常常要在身體多個(gè)部位連接傳感器電極，在胸部和四肢之間最多可以連接10個(gè)電極。ECG信號(hào)雖然精準(zhǔn)并且信息豐富，但是考慮到穿戴設(shè)備的便攜性和功能簡(jiǎn)單所以并沒(méi)有在穿戴設(shè)備上廣泛采用ECG技術(shù)。目前情況ECG還是在一些專業(yè)領(lǐng)域里面使用例如醫(yī)院、體育等方面的研究。
? ? ? 第二種光電容積脈搏波描記法，這個(gè)名字讀起來(lái)實(shí)在是高端，其實(shí)說(shuō)簡(jiǎn)單點(diǎn)就是利用光測(cè)量脈搏的一種技術(shù)。這種技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用，本文也是主要介紹這種技術(shù)。
目前市場(chǎng)上能看到采用這種技術(shù)的穿戴設(shè)備就有：AppleWatch、三星 Galaxy Gear S2、Moto 360、Microsoft Band 等....（其他廠家就省略了）。
? ? ? 第三種生物阻抗傳感器測(cè)量方法，目前市場(chǎng)上看到的好像只有Jawbone 的UP3了， 對(duì)于此技術(shù)網(wǎng)上的資料特別的少。不過(guò)通過(guò)親身體驗(yàn)試戴JawboneUP3，感覺(jué)這種技術(shù)應(yīng)該比光學(xué)測(cè)心率的技術(shù)難度大但是應(yīng)該更精準(zhǔn)更可靠。最后的Camera RGB和wifi都是是MIT研究出來(lái)的新技術(shù)，看起來(lái)都非常高端，MIT威武啊。其中一個(gè)是通過(guò)我們手機(jī)的攝像頭就能檢測(cè)出人體的體征變化，這個(gè)技術(shù)非常有意思并且也很高端，感興趣的可以看視頻介紹。另一個(gè)則是通過(guò)我們家里的wifi信號(hào)就能測(cè)，也甚是高端。當(dāng)然這兩種還沒(méi)有看到上市的產(chǎn)品所以就不多說(shuō)了。
光電容積脈搏波描記法PPG?
? ? ?光學(xué)心率傳感器，如果帶過(guò)上述那些智能手表或者智能手環(huán)的朋友來(lái)說(shuō)也不算稀奇的事情。就拿AppleWatch來(lái)說(shuō)，測(cè)量心率時(shí)底部的表盤會(huì)發(fā)出綠色的燈光，并且測(cè)量的時(shí)候手腕最好保持不動(dòng)否側(cè)會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。接下來(lái)將詳細(xì)介紹光學(xué)心率測(cè)量的原理。
? ? ? 如下兩張圖是光學(xué)心率傳感器。圖a是LED沒(méi)有發(fā)光的時(shí)候中間是一個(gè)光敏二極管，圖b是傳感器的LED發(fā)光的時(shí)候。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
圖a ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖b
? ? ? ? 那么為什么通過(guò)LED燈發(fā)光就能測(cè)量心率呢？
? ? ? ? 當(dāng)LED光射向皮膚，透過(guò)皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接受并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，簡(jiǎn)化過(guò)程：光--> 電 --> 數(shù)字信號(hào)
? ? ? ? 為什么大多數(shù)傳感器都是采用的綠光呢？
我們先看看光譜的特點(diǎn)，從紫外線到紅外線的波長(zhǎng)是越來(lái)越長(zhǎng)的。
? ? ?之所以選擇綠光作為光源是考慮到一下·幾個(gè)特點(diǎn)：
? ? ? ?1. 皮膚的黑色素會(huì)吸收大量波長(zhǎng)較短的波
? ? ? ?2. 皮膚上的水份也會(huì)吸收大量的UV和IR部分的光
? ? ? ?3. 進(jìn)入皮膚組織的綠光(500nm)-- 黃光(600nm)大部分會(huì)被紅細(xì)胞吸收
? ? ? ?4. 紅光和接近IR的光相比其他波長(zhǎng)的光更容易穿過(guò)皮膚組織
? ? ? ?5. 血液要比其他組織吸收更多的光
? ? ? ?6. 相比紅光，綠（綠-黃）光能被氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收
? ? ? 總體來(lái)說(shuō)，綠光-- 紅光能作為測(cè)量光源。早起多數(shù)采用紅光為光源，隨著進(jìn)一步的研究和對(duì)比，綠光作為光源得到的信號(hào)更好，信噪比也比其他光源好些，所以現(xiàn)在大部分穿戴設(shè)備采用綠光為光源。但是考慮到皮膚情況的不用（膚色、汗水），高端產(chǎn)品會(huì)根據(jù)情況自動(dòng)使用換綠光、紅光和IR多種光源。
雖然知道了上面的幾個(gè)特點(diǎn)，但是還不足以弄清楚為什么通過(guò)光照就能測(cè)出心率、血氧等參數(shù)呢？
? ? ?下圖就解釋了核心原理
? ? ? ? ?當(dāng)光照透過(guò)皮膚組織然后再反射到光敏傳感器時(shí)光照有一定的衰減的。像肌肉、骨骼、靜脈和其他連接組織等等對(duì)光的吸收是基本不變的（前提是測(cè)量部位沒(méi)有大幅度的運(yùn)動(dòng)），但是血液不同，由于動(dòng)脈里有血液的流動(dòng)，那么對(duì)光的吸收自然也有所變化。當(dāng)我們把光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí)，正是由于動(dòng)脈對(duì)光的吸收有變化而其他組織對(duì)光的吸收基本不變，得到的信號(hào)就可以分為直流DC信號(hào)和交流AC信號(hào)。提取其中的AC信號(hào)，就能反應(yīng)出血液流動(dòng)的特點(diǎn)。我們把這種技術(shù)叫做光電容積脈搏波描記法PPG。
? ? ? ? 下圖是PPG信號(hào)和ECG信號(hào)的對(duì)比
實(shí)際測(cè)量手指的PPG信號(hào)如下：
? ? ? ?所以，只要測(cè)得到的PPG信號(hào)比較理想算出心率也不算什么難事。但是事實(shí)總是殘酷的，由于測(cè)量部位的移動(dòng)、自然光、日光燈等等其他的干擾，最終測(cè)到的信號(hào)可能是下面的這種，所以要通過(guò)很多方法進(jìn)行濾波處理
對(duì)于PPG信號(hào)的處理，目前我知道的有兩種方法。一種是時(shí)域分析，即算出一定時(shí)間內(nèi)PPG信號(hào)的波峰個(gè)數(shù)，另一種是通過(guò)對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行FFT變換得到頻域的特點(diǎn)。
時(shí)域方法：
? ? ? ? ? 通過(guò)對(duì)原始的{PPG信號(hào)進(jìn)行濾波處理，得到一定時(shí)間內(nèi)的波峰個(gè)數(shù)，然后既可算出心率值
假設(shè)連續(xù)采樣5秒的時(shí)間，在5s內(nèi)的波峰個(gè)數(shù)為N，那么心率就是N*12 （這個(gè)相信大家都懂，就跟把脈一樣~）
頻域分析：
上面分析過(guò)，我們把血液流動(dòng)對(duì)光吸收轉(zhuǎn)變成了AC信號(hào)，如果對(duì)于進(jìn)行FFT變換，那么就能看到頻域的特點(diǎn)。如下圖就是對(duì)PPG信號(hào)的FFT轉(zhuǎn)變
? ? ? ? 上圖中的頻域圖，0Hz的信號(hào)很強(qiáng)，這部分是骨骼、肌肉等組織的DC信號(hào)，在1Hz附近有個(gè)相對(duì)比較突出的信號(hào)就是血液流動(dòng)轉(zhuǎn)變的AC信號(hào)。假設(shè)測(cè)得到的頻率f = 1.2Hz
那么心率HeartRate ?HR = f x60 = 1.2 x 60 = 72
最后再簡(jiǎn)單提一下血氧的測(cè)量，相比心率血氧測(cè)量難度較大而且精度不算太高。測(cè)量血氧的原理圖下圖所示
? ? ? 由于血液中含有的氧合血紅蛋白HbO2和血紅蛋白Hb存在一定的比例，簡(jiǎn)單說(shuō)也就是含氧量吧。上面的圖表示了氧合血紅蛋白HbO2和血紅蛋白Hb對(duì)波長(zhǎng)600~1000nm的光吸收特性，從圖中可以看出上600~800nm間Hb的吸收系數(shù)更高，800~1000之間HbO2的吸收系數(shù)更高。所以可以利用紅光（600~800nm）和接近IR（800~1000nm）的光分別檢測(cè)HbO2和Hb的PPG信號(hào)，然后通過(guò)程序處理算出相應(yīng)的比值，這樣就得到了血氧值。
但是由于光源不同，直接利用紅光和接近IR的光進(jìn)行信號(hào)對(duì)比是不可靠的，因?yàn)榧t光和IR透過(guò)皮膚組織也會(huì)產(chǎn)生不同的吸收。下圖是紅光和IR透過(guò)皮膚的原始信號(hào)示意圖
? ? ? ?上面分析說(shuō)過(guò)，DC部分是光透過(guò)皮膚組織轉(zhuǎn)換成的直流信號(hào)，AC是血液流動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換成的交流信號(hào)。由于皮膚組織對(duì)紅光和IR的吸收程度不同，DC部分自然也就不一樣。為了能共“公平對(duì)待”兩種光源的PPG信號(hào)，所以需要對(duì)原始信號(hào)處理一下。下圖示意了處理后的信號(hào)（DC部分相等）
通過(guò)一定的比例計(jì)算，公平對(duì)待Red和IR的PPG信號(hào)。這樣計(jì)算出來(lái)的Hb和HbO2比例才可靠。
本人水平有限，如有錯(cuò)誤歡迎大家指出錯(cuò)誤，相互學(xué)習(xí)！！
本文章參考文獻(xiàn)：
1. Dae-Geun Jang, Sangjun Park, and Minsoo Hahn ? ?A Real-Time Pulse Peak Detection Algorithm for?the Photoplethysmogram?
2. Development of a Signal Processing Library for?Extraction of SpO 2 , HR, HRV, and RR from?Photoplethysmographic Waveforms?
3. S. ?K. ?Mitra, ?Digital ?Signal ?Processing: ?A ?Computer-based Approach, 3rd ed., New York, USA: McGraw-Hill
4. Y. K. Qawqzeh, M. B. I. Reaz, M. A. M. Ali ? The analysis of PPG contour in the assessment of atherosclerosis for erectile dysfunction subjects?
5. Telecommunications Institute, Military University of Technology
6. Kaliskiego 2, 00-908 Warsaw, Poland ISSN 2079-9292 Wearable Photoplethysmographic Sensors—Past and Present?
7. Military Institute of Aviation Medicine, Krasińskiego 54, 01-455 Warsaw, Poland
8. 基于光電容積脈搏波的亞臨床動(dòng)脈彈性功能研究
9. 基于PPG的心率和呼吸頻率的測(cè)量研究_馬俊領(lǐng)
血氧傳感器原理：血氧檢測(cè)原理
1
、血氧飽和度原理
（
1
）血氧飽和度的測(cè)定原理
LED
交替打開(kāi)或關(guān)閉，光電探測(cè)器
才能分辨出不同波長(zhǎng)的吸血氧飽和度測(cè)定原理包括分光光度測(cè)定和
血液容積描記兩部分。分光光度測(cè)定是采用波長(zhǎng)為
660nm
的紅光和
940nm
的紅外光，根據(jù)氧合血紅蛋白
(Hb()2)
對(duì)
660nm
紅光吸收量較
少。而對(duì)
940nm
紅外光吸收量較多；血紅蛋白
(Hb)
則反之，用分光
光度法測(cè)定紅外光吸收量與紅光吸收量之比值，
就能確定血紅蛋白的
氧合程度。探頭的一側(cè)安裝了兩個(gè)發(fā)光管，一個(gè)發(fā)出紅光，一個(gè)發(fā)出
紅外光，
另一側(cè)安裝有一個(gè)光電檢測(cè)器，
將檢測(cè)到的透過(guò)手指動(dòng)脈血
管的紅光和紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于皮膚、肌肉、脂肪、靜脈血、
色素和骨頭等對(duì)這兩種光的吸收系數(shù)是恒定的，只有動(dòng)脈血流中的
Hb02
和
Hb
濃度隨著血液的動(dòng)脈周期性的變化，從而引起光電檢測(cè)
器輸出的信號(hào)強(qiáng)度隨之周期性變化，
將這些周期性變化的信號(hào)進(jìn)行處
理，就可測(cè)出對(duì)應(yīng)的血氧飽和度，同時(shí)也計(jì)算出脈率。脈搏血氧飽和
度測(cè)定的另一個(gè)重要原理是必須要有血液搏動(dòng)。
用光束透照外周組織
時(shí)，
檢測(cè)透照光能的衰減程度與心動(dòng)周期有關(guān)。
//
。光吸收量的變化反映了血容量的變化。只有搏動(dòng)的血容
量才能變動(dòng)透照光能的強(qiáng)弱。
氧飽和度表達(dá)式為：
氧飽和度
%=
氧合血紅蛋白／
(
氧合血紅蛋白
+
去氧血紅蛋白
)Xl00%
。
在
SPO2
傳感器中，
其中一側(cè)有兩對(duì)發(fā)光二極
管
LED
，一對(duì)發(fā)射
660nm
的紅光，另一對(duì)發(fā)射
940nm
的紅外光；對(duì)
血氧傳感器原理：血氧飽和度檢測(cè)的基本原理與血氧傳感器
原標(biāo)題：血氧飽和度檢測(cè)的基本原理與血氧傳感器
氧是維系人類生命的基礎(chǔ)，心臟的收縮和舒張使得人體的血液脈動(dòng)地流過(guò)肺部，一定量的還原血紅蛋白(HbR)與肺部中攝取的氧氣結(jié)合成氧和血紅蛋白(HbO2)，另有約2％的氧溶解在血漿里。這些血液通過(guò)動(dòng)脈一直輸送到毛細(xì)血管，然后在毛細(xì)血管中將氧釋放，以維持組織細(xì)胞的新陳代謝。血氧飽和度(SO2)是血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的濃度，它是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。而功能性氧飽和度為HbO2濃度與HbO2 Hb濃度之比，有別于氧合血紅蛋白所占百分?jǐn)?shù)。因此，監(jiān)測(cè)動(dòng)脈血氧飽和度(SaO2)可以對(duì)肺的氧合和血紅蛋白攜氧能力進(jìn)行估計(jì)。
2.1 血氧飽和度檢測(cè)分類
血氧濃度的測(cè)量通常分為電化學(xué)法和光學(xué)法兩類。
傳統(tǒng)的電化學(xué)法血氧飽和度測(cè)量要先進(jìn)行人體采血(最常采用的是取動(dòng)脈血)，再利用血?dú)夥治鰞x進(jìn)行電化學(xué)分析，在數(shù)分鐘內(nèi)測(cè)得動(dòng)脈氧分壓(PaO2)，并計(jì)算出動(dòng)脈血氧飽和度(SaO2)。由于這種方法需要?jiǎng)用}穿刺或者插管，給病人造成痛苦，且不能連續(xù)監(jiān)測(cè)，因此當(dāng)處于危險(xiǎn)狀況時(shí)，就不易使病人得到及時(shí)的治療。電化學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果精確可靠，缺點(diǎn)是比較麻煩，且不能進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)，是一種有損傷的血氧測(cè)定法。
光學(xué)法是一種克服了電化學(xué)法的缺點(diǎn)的新型光學(xué)測(cè)量方法，它是一種連續(xù)無(wú)損傷血氧測(cè)量方法，可用于急救病房、手術(shù)室、恢復(fù)室和睡眠研究中。目前采用最多的是脈搏血氧測(cè)定法(Pulse Oximetry)，其原理是檢測(cè)血液對(duì)光吸收量的變化，測(cè)量氧合血紅蛋白(Hb02)占全部血紅蛋白(Hb)的百分比，從而直接求得SO2。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以做到對(duì)人體連續(xù)無(wú)損傷測(cè)量，且儀器使用簡(jiǎn)單方便，所以它已得到越來(lái)越普遍的重視。缺點(diǎn)是測(cè)量精度比電化學(xué)法低，非凡是在血氧值較低時(shí)產(chǎn)生的誤差較大。先后出現(xiàn)了耳式血氧計(jì)，多波長(zhǎng)血氧計(jì)及新近問(wèn)世的脈搏式血氧計(jì)。最新的脈搏式血氧計(jì)的測(cè)量誤差已經(jīng)可以控制在1％以內(nèi)，達(dá)到臨床使用的要求。盡管它們?cè)谀承┓矫孢€不盡如人意，但其所產(chǎn)生的臨床效益已被廣泛認(rèn)同。
2.2 無(wú)損傷血氧飽和度檢測(cè)原理
臨床上多用功能氧飽和度來(lái)反映血液中氧含量的變化。無(wú)損傷血氧飽和度測(cè)量是基于動(dòng)脈血液對(duì)光的吸收量隨動(dòng)脈搏動(dòng)而變化的原理來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。基礎(chǔ)研究表明，氧合血紅蛋白和非氧合血紅蛋白對(duì)不同波長(zhǎng)入射光有著不同的吸收率。當(dāng)單色光垂直照射人體，動(dòng)脈血液對(duì)光的吸收量將隨透光區(qū)域動(dòng)脈血管搏動(dòng)而變化，而皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等其他組織對(duì)光的吸收是恒定不變的。當(dāng)用兩種特定波長(zhǎng)的恒定光λ1、λ2照射手指時(shí)，假如適當(dāng)選擇入射光波長(zhǎng)λ1(Hb02、Hb在此處具有等吸收特性，即約805nm)，運(yùn)用Lambert-Bear定律并根據(jù)氧飽和度的定義可推出動(dòng)脈血氧飽和度的近似公式為：Sa02=a bQ
式中：Q為兩種波長(zhǎng)(Hb02、Hb)的吸光度變化之比a、b為常數(shù)，與儀器傳感器結(jié)構(gòu)、測(cè)量條件有關(guān)。
注重到生物組織是一個(gè)各向異性、強(qiáng)散射、弱吸收的復(fù)雜光學(xué)介質(zhì)，因此在實(shí)際測(cè)量中無(wú)法用一個(gè)嚴(yán)格的公式來(lái)描述，所以一般是通過(guò)測(cè)量雙光束吸光度變化之比，然后通過(guò)經(jīng)驗(yàn)定標(biāo)曲線最終獲取氧飽和度。而在選擇雙光束波長(zhǎng)時(shí)，一般選擇入射光波長(zhǎng)為660nm和940nm。
2.3 無(wú)損傷血氧飽和度檢測(cè)用光電傳感器[2,3]
血氧傳感器是檢測(cè)血氧飽和度的重要部件，它的損壞會(huì)直接導(dǎo)致檢測(cè)不準(zhǔn)或整機(jī)癱瘓無(wú)法工作。血氧傳感器按外形主要可以分為指套型、耳垂型、包裹型和粘附型，按用途又可分為成人型和兒童型、嬰兒型幾種。不論外形和類型如何，血氧傳感器的原理構(gòu)成是一樣的，它們均由發(fā)光器件和接收器件組成。發(fā)光器件是由波長(zhǎng)為660nm(650nm)的紅光和波長(zhǎng)為940nm(910nm)的紅外光發(fā)射管組成。光敏接收器件大都采用接收面積大，靈敏度高，暗電流小，噪聲低的PIN型光敏二極管，由它將接收到的入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
最新開(kāi)發(fā)的脈搏血氧計(jì)大多采用的是指套式傳感器探頭。使用時(shí)探頭套在指尖上。指套上壁固定了兩個(gè)并列放置的發(fā)光二極管，發(fā)光波長(zhǎng)分別為660nm紅光和940nm紅外光。下壁是一個(gè)光敏接收器件，它將透射過(guò)手指的紅光和紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。血氧計(jì)運(yùn)行時(shí)，分時(shí)驅(qū)動(dòng)電路讓兩個(gè)發(fā)光二極管按一定的時(shí)間間隔并以較低的占空比分別發(fā)光，根據(jù)光二極管發(fā)光強(qiáng)度與光電管接收到的透射光的強(qiáng)弱比值可分別計(jì)算出全血吸收率a660和a940，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的系數(shù)A和B，代入前述公式中，就可以算得血氧飽和度的數(shù)值了。
2.4 血氧儀系統(tǒng)框圖
脈搏血氧儀一般由血氧飽和度檢測(cè)模塊、工控機(jī)或PC機(jī)、血氧檢測(cè)探頭(一般為指套式)等部分組成。也有些是直接研制成一體的或便攜式的。假如采用的是已經(jīng)研制好的血氧飽和度檢測(cè)模塊來(lái)搭建的系統(tǒng)，由于模塊與工控機(jī)或PC機(jī)之間的電平電壓不同，它們之間還要通過(guò)電平轉(zhuǎn)換模塊連接起來(lái)，這樣才能夠進(jìn)行正確的通訊。
3 脈搏血氧計(jì)的操作使用
是否能夠正確操作使用血氧計(jì)，關(guān)系到檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。透射式脈搏血氧計(jì)多以手指、耳垂、腳趾等作為檢測(cè)部位，因?yàn)檫@些部位是光線最輕易透射過(guò)的部位。而對(duì)于采用指套式傳感探頭的脈搏血氧計(jì)，檢測(cè)前最好應(yīng)將手指非凡是指甲部位清洗干凈，否則假如臟物過(guò)多，會(huì)阻礙光線的透射，從而對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定的影響。測(cè)量時(shí)將中指夾在指套里，注重指甲應(yīng)正對(duì)上壁的發(fā)光管，夾好后還應(yīng)注重指套四面是否密閉嚴(yán)實(shí)，以避免環(huán)境光的干擾。指套夾好并開(kāi)機(jī)后，等待測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后就可以讀出血氧飽和度了，現(xiàn)在的血氧計(jì)一般還可以讀出脈率值和脈搏波形。返回搜狐，查看更多
責(zé)任編輯：
血氧傳感器原理：血氧飽和度檢測(cè)的基本原理和血氧傳感器
氧是維系人類生命的基礎(chǔ)，心臟的收縮和舒張使得人體的血液脈動(dòng)地流過(guò)肺部，一定量的還原血紅蛋白(HbR)與肺部中攝取的氧氣結(jié)合成氧和血紅蛋白 (HbO2)，另有約2％的氧溶解在血漿里。這些血液通過(guò)動(dòng)脈一直輸送到毛細(xì)血管，然后在毛細(xì)血管中將氧釋放，以維持組織細(xì)胞的新陳代謝。血氧飽和度" title="血氧飽和度">血氧飽和度" title="血氧飽和度">血氧飽和度" title="血氧飽和度">血氧飽和度" title="血氧飽和度">血氧飽和度" title="血氧飽和度">血氧飽和度" title="血氧飽和度">血氧飽和度" title="血氧飽和度">血氧飽和度" title="血氧飽和度">血氧飽和度" title="血氧飽和度">血氧飽和度" title="血氧飽和度">血氧飽和度" title="血氧飽和度">血氧飽和度 (SO2)是血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的濃度，它是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。而功能性氧飽和度為HbO2濃度與HbO2 Hb濃度之比，有別于氧合血紅蛋白所占百分?jǐn)?shù)。因此，監(jiān)測(cè)動(dòng)脈血氧飽和度(SaO2)可以對(duì)肺的氧合和血紅蛋白攜氧能力進(jìn)行估計(jì)。
2.1 血氧飽和度檢測(cè)分類
血氧濃度的測(cè)量通常分為電化學(xué)法和光學(xué)法兩類。
傳統(tǒng)的電化學(xué)法血氧飽和度測(cè)量要先進(jìn)行人體采血(最常采用的是取動(dòng)脈血)，再利用血?dú)夥治鰞x進(jìn)行電化學(xué)分析，在數(shù)分鐘內(nèi)測(cè)得動(dòng)脈氧分壓 (PaO2)，并計(jì)算出動(dòng)脈血氧飽和度(SaO2)。由于這種方法需要?jiǎng)用}穿刺或者插管，給病人造成痛苦，且不能連續(xù)監(jiān)測(cè)，因此當(dāng)處于危險(xiǎn)狀況時(shí)，就不易使病人得到及時(shí)的治療。電化學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果精確可靠，缺點(diǎn)是比較麻煩，且不能進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)，是一種有損傷的血氧測(cè)定法。
光學(xué)法是一種克服了電化學(xué)法的缺點(diǎn)的新型光學(xué)測(cè)量方法，它是一種連續(xù)無(wú)損傷血氧測(cè)量方法，可用于急救病房、手術(shù)室、恢復(fù)室和睡眠研究中。目前采用最多的是脈搏血氧測(cè)定法(Pulse Oximetry)，其原理是檢測(cè)血液對(duì)光吸收量的變化，測(cè)量氧合血紅蛋白(Hb02)占全部血紅蛋白(Hb)的百分比，從而直接求得SO2。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以做到對(duì)人體連續(xù)無(wú)損傷測(cè)量，且儀器使用簡(jiǎn)單方便，所以它已得到越來(lái)越普遍的重視。缺點(diǎn)是測(cè)量精度比電化學(xué)法低，非凡是在血氧值較低時(shí)產(chǎn)生的誤差較大。先后出現(xiàn)了耳式血氧計(jì)，多波長(zhǎng)血氧計(jì)及新近問(wèn)世的脈搏式血氧計(jì)。最新的脈搏式血氧計(jì)的測(cè)量誤差已經(jīng)可以控制在1％以內(nèi)，達(dá)到臨床使用的要求。盡管它們?cè)谀承┓矫孢€不盡如人意，但其所產(chǎn)生的臨床效益已被廣泛認(rèn)同。
2.2 無(wú)損傷血氧飽和度檢測(cè)原理
臨床上多用功能氧飽和度來(lái)反映血液中氧含量的變化。無(wú)損傷血氧飽和度測(cè)量是基于動(dòng)脈血液對(duì)光的吸收量隨動(dòng)脈搏動(dòng)而變化的原理來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。基礎(chǔ)研究表明，氧合血紅蛋白和非氧合血紅蛋白對(duì)不同波長(zhǎng)入射光有著不同的吸收率。當(dāng)單色光垂直照射人體，動(dòng)脈血液對(duì)光的吸收量將隨透光區(qū)域動(dòng)脈血管搏動(dòng)而變化，而皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等其他組織對(duì)光的吸收是恒定不變的。當(dāng)用兩種特定波長(zhǎng)的恒定光λ1、λ2照射手指時(shí)，假如適當(dāng)選擇入射光波長(zhǎng) λ1(Hb02、Hb在此處具有等吸收特性，即約805nm)，運(yùn)用Lambert-Bear定律并根據(jù)氧飽和度的定義可推出動(dòng)脈血氧飽和度的近似公式為：Sa02=a bQ
式中：Q為兩種波長(zhǎng)(Hb02、Hb)的吸光度變化之比a、b為常數(shù)，與儀器傳感器結(jié)構(gòu)、測(cè)量條件有關(guān)。
注重到生物組織是一個(gè)各向異性、強(qiáng)散射、弱吸收的復(fù)雜光學(xué)介質(zhì)，因此在實(shí)際測(cè)量中無(wú)法用一個(gè)嚴(yán)格的公式來(lái)描述，所以一般是通過(guò)測(cè)量雙光束吸光度變化之比，然后通過(guò)經(jīng)驗(yàn)定標(biāo)曲線最終獲取氧飽和度。而在選擇雙光束波長(zhǎng)時(shí)，一般選擇入射光波長(zhǎng)為660nm和940nm。
2.3 無(wú)損傷血氧飽和度檢測(cè)用光電傳感器[2,3]
血氧傳感器是檢測(cè)血氧飽和度的重要部件，它的損壞會(huì)直接導(dǎo)致檢測(cè)不準(zhǔn)或整機(jī)癱瘓無(wú)法工作。血氧傳感器按外形主要可以分為指套型、耳垂型、包裹型和粘附型，按用途又可分為成人型和兒童型、嬰兒型幾種。不論外形和類型如何，血氧傳感器的原理構(gòu)成是一樣的，它們均由發(fā)光器件和接收器件組成。發(fā)光器件是由波長(zhǎng)為660nm(650nm)的紅光和波長(zhǎng)為940nm(910nm)的紅外光發(fā)射管組成。光敏接收器件大都采用接收面積大，靈敏度高，暗電流小，噪聲低的PIN型光敏二極管，由它將接收到的入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
最新開(kāi)發(fā)的脈搏血氧計(jì)大多采用的是指套式傳感器探頭。使用時(shí)探頭套在指尖上。指套上壁固定了兩個(gè)并列放置的發(fā)光二極管，發(fā)光波長(zhǎng)分別為 660nm紅光和940nm紅外光。下壁是一個(gè)光敏接收器件，它將透射過(guò)手指的紅光和紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。血氧計(jì)運(yùn)行時(shí)，分時(shí)驅(qū)動(dòng)電路讓兩個(gè)發(fā)光二極管按一定的時(shí)間間隔并以較低的占空比分別發(fā)光，根據(jù)光二極管發(fā)光強(qiáng)度與光電管接收到的透射光的強(qiáng)弱比值可分別計(jì)算出全血吸收率a660和a940，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的系數(shù)A和B，代入前述公式中，就可以算得血氧飽和度的數(shù)值了。
2.4 血氧儀系統(tǒng)框圖
脈搏血氧儀一般由血氧飽和度檢測(cè)模塊、工控機(jī)或PC機(jī)、血氧檢測(cè)探頭(一般為指套式)等部分組成。也有些是直接研制成一體的或便攜式的。假如采用的是已經(jīng)研制好的血氧飽和度檢測(cè)模塊來(lái)搭建的系統(tǒng)，由于模塊與工控機(jī)或PC機(jī)之間的電平電壓不同，它們之間還要通過(guò)電平轉(zhuǎn)換模塊連接起來(lái)，這樣才能夠進(jìn)行正確的通訊。
3 脈搏血氧計(jì)的操作使用
是否能夠正確操作使用血氧計(jì)，關(guān)系到檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。透射式脈搏血氧計(jì)多以手指、耳垂、腳趾等作為檢測(cè)部位，因?yàn)檫@些部位是光線最輕易透射過(guò)的部位。而對(duì)于采用指套式傳感探頭的脈搏血氧計(jì)，檢測(cè)前最好應(yīng)將手指非凡是指甲部位清洗干凈，否則假如臟物過(guò)多，會(huì)阻礙光線的透射，從而對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定的影響。測(cè)量時(shí)將中指夾在指套里，注重指甲應(yīng)正對(duì)上壁的發(fā)光管，夾好后還應(yīng)注重指套四面是否密閉嚴(yán)實(shí)，以避免環(huán)境光的干擾。指套夾好并開(kāi)機(jī)后，等待測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后就可以讀出血氧飽和度了，現(xiàn)在的血氧計(jì)一般還可以讀出脈率值和脈搏波形。
