无损伤血氧饱和度测量的原理和实用算法，以及算法

单位：第一军医学院生物医学安装工程系，浙江温州

关键词：血氧饱和度；光电发射接收继电器；光吸收系数

摘要：本文介绍无外伤血氧饱和度检测的原理和实用算法，以及心跳式血氧饱和度仪的设计。中图分类号：R318.04

[-hzh-]文献标志码：B

文章编号：1005-202X(1999)02-0103-02

Studyonof

TANXiao-dan,DENGQin-kai,CHENYa-ming

(TheFirst,,China)

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序言：人体的新陈代谢过程是生物氧化过程，而新陈代谢过程中所须要的氧，是通过喘气系统踏入人体尿液，与尿液红细胞中的血红蛋白(Hb)，结合成氧合血红蛋白(HbO2)，再输送到人体各部份组织细胞中去。在全部尿液中，被氧结合的HbO2容量占全部可结合容量的比率称为血氧饱和度SO2。许多临床病症会导致氧供给的缺少，这将直接影响细胞的正常新陈代谢，严重的都会恐吓人的生命，因此动脉血氧含量即SO2的实时检测在临床救护中特别重要。

传统的血氧饱和度检测方式是先进行人体采血，再借助血气剖析仪进行电物理剖析，测出血氧分压PO2，估算SO2。这些技巧比较麻烦，且不能进行连续的检测。应用现代光电技术，本文研发成心跳式血氧饱和度仪，该仪器选用指套式光电传感，检测时，只需将传感套在人手臂上，仪器即可显示人体血氧饱和度，为临床提供了一种连续无外伤血氧测定仪器。

1检测原理

无外伤血氧饱和度检测是基于动脉尿液对光的吸收量随动脉搏动而变化的原理。假定波速为λ光强为I0的单色光平行照射人体，当透光区域动脉神经搏动时，动脉尿液对光的吸收量将逐渐变化，而脸部、肌肉、骨骼和静脉血等其他组织对光的吸收是恒定不变的。假如忽视因为衍射、反射等诱因引起光的衰减，根据-BEER定理，通过人体透射光的硬度为：

I=I0F10-.10-(E1C1+E2C2)L=

I′010-(E1C1+E2C2)L，(I′0=F10-)(1)

其中，F是非尿液组织的吸光率，E0、C0、L0分别是静脉尿液的吸光系数、浓度和光路宽度，E1，C1分别是动脉尿液中HbO2的吸光系数和含量，E2、C2分别是动脉尿液中HbR的吸光系数和含量，L是动脉尿液的光路宽度，I′0是非尿液组织和静脉尿液的吸光量，为常量，可看作光在穿过非尿液组织及静脉尿液后，未穿过动脉尿液的光强。由(1)式得动脉尿液的吸色度为：

(2)

当动脉搏动神经舒张血氧饱和度测试仪原理，动脉尿液光路宽度由L提高△L，相应的透射光强由I提高△I，所造成动脉尿液吸色度W的变化量为：

(3)

假定神经收缩时最大透射光强Imax，神经收缩舒张过程中透射光强的最大变化量△Imax代入(3)式：

(4)

由(3)式可求动脉尿液中HbO2含量和全部Hb含量的比值即SO2；

(5)

(5)式中的SO2与(C1+C2)，△L有关，为了去除这两个参数，辅以另一路波速为λ′的单色光进行同时检测，可得类似的(6)式：

(6)

其中E′1、E′2分别是动脉尿液中HbO2和HbR对λ′的吸光系数。△W′是动脉搏动时动脉尿液对波速为λ′光的吸色度变化量。

联立(5)(6)式血氧饱和度测试仪原理，得：

(7)

当脉宽λ=805nm时，E2=E1=E，(7)式简化为：

(8)

将(4)式代入(8)式：

(9)

A、B是与动脉尿液中HbO2和HbR光吸收系数有关的常数，原则上可以由估算得到，但考虑到光源发光继电器的个体差异，通常依照试验检测来确定。为了减小测量灵敏度，要求B尽或许小，可选λ′=650nm，此刻E′1、E′2的残差最大。

2样机的研发

心跳式SO2测试仪原理结布光和硬件步骤如图1、2所示。整机由：单片机、光源驱动、指套式光电传感、放大器、高速A/D转化和显示器六大部份组成。具备丰富的计数器和I/O口资源且性能低，因此单片机采用，A/D转化采用以满足速率和精度上的要求，放大器采用LF353，为了便于检测，通常把人的舌头作为SO2检测的部位，因此采用指套式光电传感。

图1SO2测试仪原理结布光

图2硬件步骤图

本仪器选用脉冲式光源，周期性地分时送出两路电脉冲讯号，经光源驱动电路分别送到指套式光电传感的λ、λ′发光继电器，使其分时发射周期性脉冲光束。检测时，将人体手指插入指套，当中指动脉搏动时，透过指头放到λ、λ′接收继电器的光强也逐渐变化，并被转化成相应的电脉冲，经LF353放大，送取样，依据所采数据，估算出Ω，由(9)式可得SO2，送显示器显示。

A、B值选用INDEXSPO2定标仪测量。定标时，从指套式传感送入标准血氧饱和度讯号，单片机测得相应Ω值，再经线性回归得到A、B值，代入(9)式得：

SO2=118.-37.83509Ω(10)

由(10)式即可求SO2。

该仪器对λ、λ′的接收、放大和A/D采集均用同一通道，摆脱了多通道传输中因为通道特征不一致导致的偏差，减少了检测精度。因为λ、λ′脉冲讯号是分时传送，因此不会导致互相影响和干扰，讯号以脉冲方式发送还可减少λ、λ′发光继电器的性能，延长其使用寿命。

3结束语

心跳式血氧饱和度仪测定速率快、显示结果直观、体积小、功耗低、使用便捷，能连续检测血氧饱和度和心律值。该仪器现正打算临床应用，转换成产品。

参考文献

［1］M.,etal.ofPulseatandinaninvitromodel［J］，Med.&Biol.Eng.&.1993,(31):135-141.

［2］孙卫新，等.心跳血氧仪的定标与较验［J］.美国医学生物生物医学安装工程分册，1997，(2)：69-72.