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)的疾病會引起人體血液中血氧濃度的減少,，嚴(yán)重的會威脅人的生命,，因此在臨床救護(hù)中，對危重病人的血氧濃度監(jiān)測是不可缺少的,。傳統(tǒng)的血氧飽和度測量方法是對人體采血,，再利用血?dú)夥治鰞x進(jìn)行電化學(xué)分析，測出氧分壓,，計算血氧飽和度,。這種方法不但麻煩，且不能進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測,。為了實(shí)現(xiàn)血氧飽和度測量的自動化,，作者研制了脈搏式血氧飽和度儀。
1. 測量原理
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是動脈血液的光路長度,，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)式得動脈血液的吸光度為：
(2)
當(dāng)手指動脈搏動時，動脈血液光路長度發(fā)生變化,，而其它組織的吸光率F不變,，即I′0=FI0不變，由此引起動脈血液吸光度變化為：
(3)
由(3)式可求動脈血液中的血氧飽和度：
(4)
(4)式中的SO2與(C1+C2)和ΔL有關(guān),，為了消除這兩個參數(shù),，采用另一路波長為λ′的單色光對手指組織同時進(jìn)行透射和測量，可得類似的(5)式：
(5)
其中E′1,，E′2分別是動脈血液中HbO2和HbR對λ′的吸光系數(shù),。聯(lián)立(4)，(5)式,，得：
當(dāng)波長λ=805nm時,，E2=E1=E，(6)式簡化為：
(7)
當(dāng)動脈血管撥動時，透射光強(qiáng)由最大值Imax減少到Imax-ΔImax,，由此而引起動脈血對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：
只要測定兩路透射光最大光強(qiáng)Imax和I′max以及由于脈搏搏動而引起透射光強(qiáng)最大變化量ΔImax和ΔI′max,，代入上式就可計算出動脈血液的血氧飽和度,。為了增大檢測靈敏度，要求B盡可能小,，可選λ′=650nm,，此時E′1，E′2的差值最大,。
2. 電路設(shè)計原理
脈搏式SO2檢測儀原理結(jié)構(gòu)圖如圖所示,。整機(jī)由單片機(jī)、光源驅(qū)動電路,、光電傳感器,、差動放大器、基線自動調(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量信號源,。
②通過串行D／A控制基線自動調(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間,。
?、芸刂颇M開關(guān)，使積分后信號和差動放大器輸出的脈沖信號分時進(jìn)入放大器放大,。
?、菘刂艫／D轉(zhuǎn)換，對差動放大器輸出的脈沖信號和積分器輸出的脈動信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,。
⑥對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，計算血氧值并送顯示器顯示測量結(jié)果,。
2.2 光源驅(qū)動電路和光電傳感器
從單片機(jī)發(fā)出的測量信號經(jīng)光源驅(qū)動電路進(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,。測量時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)手指動脈搏動時,，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。為了延長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量信號,，由于紅處和紅光脈沖是分時發(fā)射，所以這兩種測量信號可以共用同一通道進(jìn)行放大和采樣,，而不會產(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 差動放大器和自動基線調(diào)節(jié)電路
由光電傳感器所送出的電脈沖信號微弱,，并易受外界雜散光的干擾,，采用高共模抑制比的差動放大器對它進(jìn)行放大，以提高測量信號的信噪比,。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隨它在傳感器中位置而變化，所以由傳感器獲得的測量脈沖如幅度過大會使測量信號經(jīng)放大而飽和,，如過小又會得不到足夠放大而影響測量的精度,，為了能將幅度不同的測量信號放大到同一幅度水平，在差動放大器后面接有自動基線調(diào)節(jié)電路,，這是一個受單片機(jī)控制的增益可編程放大器,，其輸入信號經(jīng)模擬開關(guān)被后級放大器放大后送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,，使得不同幅度的測量脈沖經(jīng)放大后幅度均相同,。由手指脈搏而引起測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)定脈動信號平均值—基線,，對脈動起伏不會產(chǎn)生影響,，適當(dāng)選擇基線位置，可以使脈動有較大的線性動態(tài)范圍,。
2.4 積分器
由于人體手指組織對紅外和紅光的吸光度不同,，所以從自動基線調(diào)節(jié)輸出的紅外脈動起伏要比紅光脈動起伏大得多，為了在同一通道中能對這兩路信號進(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,，由于兩路測量信號是分時送入積分器進(jìn)行積分放大,，只要適當(dāng)選取積分時間，就可以使它們得到均衡放大。
2.5放大器和A／D轉(zhuǎn)換
積分器輸出測量信號的平均值雖很大,，但它隨脈搏產(chǎn)生的脈動起伏卻仍很小,。如直接再進(jìn)行放大，將使信號達(dá)到飽和而削頂,，為此取信號頂端脈動起伏部分進(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),，得到每個脈搏周期內(nèi)透過手指組織紅外和紅光脈動幅度隨時間變化的曲線,，從中測出最大幅度和最大脈動起伏幅度，代入(8)式可計算出動脈血液的血氧飽和度,，并送顯示器顯示測量結(jié)果,。
2.6 定標(biāo)
(8)式中系數(shù)A和B理論上可通過動脈血中的HbO2和HbR對紅外和紅光的吸光系數(shù)來計算，但考慮到光電傳感器特性的離散性,，一般要通過實(shí)驗定標(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)血氧信號從指套式傳感器輸入,，通過單片機(jī)測得比值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。測量時只要將手指插入指套式光電傳感器中,， 液晶就會直接顯示所測血氧飽和度值,。臨床應(yīng)用實(shí)驗表明在血氧飽和度值0.7到0.99的范圍內(nèi)，測量誤差不大于±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。
