血氧飽和度是血液中,，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,，是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。許多呼吸系統(tǒng)的疾病會(huì)引起人體血液中血氧濃度的減少,，嚴(yán)重的會(huì)威脅人的生命,，因此在臨床救護(hù)中，對(duì)危重病人的血氧濃度監(jiān)測(cè)是不可缺少的,。傳統(tǒng)的血氧飽和度測(cè)量方法是對(duì)人體采血,，再利用血?dú)夥治鰞x進(jìn)行電化學(xué)分析，測(cè)出氧分壓,，計(jì)算血氧飽和度,。這種方法不但麻煩，且不能進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè),。為了實(shí)現(xiàn)血氧飽和度測(cè)量的自動(dòng)化,，作者研制了脈搏式血氧飽和度儀。
1. 測(cè)量原理
血液中的氧分子與紅細(xì)胞中的血紅蛋白的結(jié)合是可逆的,，與氧結(jié)合的血紅蛋白稱為氧合血紅蛋白HbO2,，放出氧的血紅蛋白稱為還原血紅蛋白HbR。設(shè)波長(zhǎng)為λ光強(qiáng)為I0的單色光垂直照射透過人體手指末端組織,，按照Lambert-Beer定律,，通過組織透射光的強(qiáng)度為：
I=I0F*10-(E1C1+E2C2)L=I′010-(E1C1+E2C2)L(1)
其中，E1,，C1分別是動(dòng)脈血液中HbO2的吸光系數(shù)和濃度,，E2，C2分別是HbR的吸光系數(shù)和濃度,，L是動(dòng)脈血液的光路長(zhǎng)度,，F(xiàn)是皮膚、肌肉,、指角和靜脈血液等其它組織的吸光率,，由(1)式得動(dòng)脈血液的吸光度為：
(2)
當(dāng)手指動(dòng)脈搏動(dòng)時(shí)，動(dòng)脈血液光路長(zhǎng)度發(fā)生變化,，而其它組織的吸光率F不變,，即I′0=FI0不變，由此引起動(dòng)脈血液吸光度變化為：
(3)
由(3)式可求動(dòng)脈血液中的血氧飽和度：
(4)
(4)式中的SO2與(C1+C2)和ΔL有關(guān),，為了消除這兩個(gè)參數(shù),，采用另一路波長(zhǎng)為λ′的單色光對(duì)手指組織同時(shí)進(jìn)行透射和測(cè)量，可得類似的(5)式：
(5)
其中E′1,，E′2分別是動(dòng)脈血液中HbO2和HbR對(duì)λ′的吸光系數(shù),。聯(lián)立(4)，(5)式,，得：
當(dāng)波長(zhǎng)λ=805nm時(shí),，E2=E1=E,，(6)式簡(jiǎn)化為：
(7)
當(dāng)動(dòng)脈血管撥動(dòng)時(shí)，透射光強(qiáng)由最大值Imax減少到Imax-ΔImax,，由此而引起動(dòng)脈血對(duì)λ和λ′兩束光吸光度的變化量分別為：
將上兩式代入(7)式,，并考慮ΔImax／Imax和ΔI′max／I′max遠(yuǎn)小于1，得：
只要測(cè)定兩路透射光最大光強(qiáng)Imax和I′max以及由于脈搏搏動(dòng)而引起透射光強(qiáng)最大變化量ΔImax和ΔI′max,，代入上式就可計(jì)算出動(dòng)脈血液的血氧飽和度,。為了增大檢測(cè)靈敏度，要求B盡可能小,，可選λ′=650nm,，此時(shí)E′1，E′2的差值最大,。
2. 電路設(shè)計(jì)原理
脈搏式SO2檢測(cè)儀原理結(jié)構(gòu)圖如圖所示,。整機(jī)由單片機(jī)、光源驅(qū)動(dòng)電路,、光電傳感器,、差動(dòng)放大器、基線自動(dòng)調(diào)整電路,、積分器,、放大器、A／D轉(zhuǎn)換和顯示器組成,，其工作原理如下：
血氧飽和度檢測(cè)方框圖
2.1 單片機(jī)
本儀器采用80C552作為控制和數(shù)據(jù)處理中心,。其功能為：
①周期性地輸出兩路脈沖,，作為紅光和紅外的測(cè)量信號(hào)源,。
②通過串行D／A控制基線自動(dòng)調(diào)整電路,，使其輸出的紅光和紅外脈沖的基線電平恒定,。
③通過模擬開關(guān)控制積分器的積分時(shí)間,。
?、芸刂颇M開關(guān)，使積分后信號(hào)和差動(dòng)放大器輸出的脈沖信號(hào)分時(shí)進(jìn)入放大器放大,。
?、菘刂艫／D轉(zhuǎn)換，對(duì)差動(dòng)放大器輸出的脈沖信號(hào)和積分器輸出的脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,。
?、迣?duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算血氧值并送顯示器顯示測(cè)量結(jié)果。
2.2 光源驅(qū)動(dòng)電路和光電傳感器
從單片機(jī)發(fā)出的測(cè)量信號(hào)經(jīng)光源驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大后,，送到指套式光電傳感器的紅光和紅外發(fā)射二極管上，使它們發(fā)射光脈沖,。測(cè)量時(shí)將人的中指夾在指套里,，光脈沖透過手指被紅光和紅外接收二極管重新轉(zhuǎn)換為電脈沖，當(dāng)手指動(dòng)脈搏動(dòng)時(shí),，透過的光強(qiáng)隨著變化,，所轉(zhuǎn)換的電脈沖的幅度也隨著脈動(dòng)。為了延長(zhǎng)光電傳感器的使用壽命,，采用占空比很小的周期性脈沖作為測(cè)量信號(hào),，由于紅處和紅光脈沖是分時(shí)發(fā)射，所以這兩種測(cè)量信號(hào)可以共用同一通道進(jìn)行放大和采樣,，而不會(huì)產(chǎn)生相互干擾和影響,，避免了多通道傳輸中由于通道特性不一致而造成的誤差。
2.3 差動(dòng)放大器和自動(dòng)基線調(diào)節(jié)電路
由光電傳感器所送出的電脈沖信號(hào)微弱,，并易受外界雜散光的干擾,，采用高共模抑制比的差動(dòng)放大器對(duì)它進(jìn)行放大，以提高測(cè)量信號(hào)的信噪比,。由于不同人手指的吸光度不同,，即使同一手指其吸光度也會(huì)隨它在傳感器中位置而變化，所以由傳感器獲得的測(cè)量脈沖如幅度過大會(huì)使測(cè)量信號(hào)經(jīng)放大而飽和,，如過小又會(huì)得不到足夠放大而影響測(cè)量的精度,，為了能將幅度不同的測(cè)量信號(hào)放大到同一幅度水平，在差動(dòng)放大器后面接有自動(dòng)基線調(diào)節(jié)電路,，這是一個(gè)受單片機(jī)控制的增益可編程放大器,，其輸入信號(hào)經(jīng)模擬開關(guān)被后級(jí)放大器放大后送A／D采樣，單片機(jī)根據(jù)輸入脈沖的平均值通過串行D／A調(diào)節(jié)放大器增益,，使得不同幅度的測(cè)量脈沖經(jīng)放大后幅度均相同,。由手指脈搏而引起測(cè)量脈沖幅度的上下起伏是以它的平均值來控制的，其作用只能穩(wěn)定脈動(dòng)信號(hào)平均值—基線,，對(duì)脈動(dòng)起伏不會(huì)產(chǎn)生影響,，適當(dāng)選擇基線位置，可以使脈動(dòng)有較大的線性動(dòng)態(tài)范圍,。
2.4 積分器
由于人體手指組織對(duì)紅外和紅光的吸光度不同,，所以從自動(dòng)基線調(diào)節(jié)輸出的紅外脈動(dòng)起伏要比紅光脈動(dòng)起伏大得多，為了在同一通道中能對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行較均衡的放大,，采用了積分放大器,，其輸入和輸出之間關(guān)系可用積分公式表示：
(考慮τ遠(yuǎn)小于Ui變化的脈搏周期)
積分時(shí)間τ決定了放大器增益，由單片機(jī)通過模擬開關(guān)來控制,，由于兩路測(cè)量信號(hào)是分時(shí)送入積分器進(jìn)行積分放大,，只要適當(dāng)選取積分時(shí)間,，就可以使它們得到均衡放大。
2.5放大器和A／D轉(zhuǎn)換
積分器輸出測(cè)量信號(hào)的平均值雖很大,，但它隨脈搏產(chǎn)生的脈動(dòng)起伏卻仍很小,。如直接再進(jìn)行放大，將使信號(hào)達(dá)到飽和而削頂,，為此取信號(hào)頂端脈動(dòng)起伏部分進(jìn)行放大,，為確保準(zhǔn)確的截取量，需向放大器送入一個(gè)基準(zhǔn)的截取電壓,。為了保證采樣精度,，采用AD7870高速12位A／D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)根據(jù)所采集的數(shù)據(jù),，得到每個(gè)脈搏周期內(nèi)透過手指組織紅外和紅光脈動(dòng)幅度隨時(shí)間變化的曲線,，從中測(cè)出最大幅度和最大脈動(dòng)起伏幅度，代入(8)式可計(jì)算出動(dòng)脈血液的血氧飽和度,，并送顯示器顯示測(cè)量結(jié)果,。
2.6 定標(biāo)
(8)式中系數(shù)A和B理論上可通過動(dòng)脈血中的HbO2和HbR對(duì)紅外和紅光的吸光系數(shù)來計(jì)算，但考慮到光電傳感器特性的離散性,，一般要通過實(shí)驗(yàn)定標(biāo)來確定,。本儀器采用INDEX SPO2定標(biāo)儀進(jìn)行定標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)血氧信號(hào)從指套式傳感器輸入,，通過單片機(jī)測(cè)得比值ΔImax／Imax和ΔI′max／I′max,，代入(8)式得A、B的一次方程再求解,，定標(biāo)范圍可以在血氧飽和度0.98到0.7之間取值,，如所取數(shù)據(jù)定出A、B值離散性較大,，可用非線性回歸進(jìn)行調(diào)整,。
3. 結(jié)論
本脈搏式血氧飽和度儀體積小，功耗低,，使用方便,，便于攜帶。測(cè)量時(shí)只要將手指插入指套式光電傳感器中,， 液晶就會(huì)直接顯示所測(cè)血氧飽和度值,。臨床應(yīng)用實(shí)驗(yàn)表明在血氧飽和度值0.7到0.99的范圍內(nèi)，測(cè)量誤差不大于±1%,，具有較高的準(zhǔn)確性和重復(fù)性,，它的研制成功為臨床救護(hù)提供一種新儀器。
