手指脉搏血氧饱和度光电检测装置的研制

　　1　血氧饱和度定义

　　血氧饱和度是人体新陈代谢的重要体征指标之一,也是人体呼吸系统和循环系统疾病诊断的重要生理参数,很多疾病的临床表现都会引起人体相关组织和器官中的血氧饱和度变化,从而导致缺氧,甚至危及生命[1-4].所以,安全有效地检测血氧饱和度非常重要.目前,血氧饱和度检测多采用测量脉搏血氧饱和度SpO2是指动脉脉搏血液中已与氧结合的氧合血红蛋白HbO2(Oxyhemoglobin)的容量占全部可结合的血红蛋白(氧合血红蛋白+还原血红蛋白Hb(Hemoglobin))容量的百分率.

　　式中,CHbO2,CHb为脉搏血液中HbO2和Hb的容量.

　　本装置采用非损伤的光电体积描记技术(PPG)测量SpO2,因为不需要采血,可避免感染,所以是一种安全可靠的检测方法,并且检测结果能及时得到,还能实现实时监测[5].

　　2　血氧饱和度检测原理

　　人体血液中的氧合血红蛋白HbO2和没被氧合的还原血红蛋白对于不同波长光的吸收系数是不同的.在波长600~700 nm的红光R(red)范围内,Hb的吸收系数比HbO2的大,而在波长800~1 000nm的红外光IR(infra red)范围内,Hb的吸收系数比HbO2的小,在805 nm处两者相同,如图1所示[6],k为吸光系数,λ为波长.由图1可见,在红光660 nm和红外光940 nm处吸收系数差异较大,目前,均采用该波长附近的红光和红外光进行双谱定量分析检测.并且在红光660 nm和红外光940 nm附近,Hb和HbO2的吸收系数变化曲线都比较平坦,受二极管发光波长误差的影响也较小,所以,本装置采用R 660 nm和IR 940 nm两种光源进行血氧饱和度的检测.

　　血氧饱和度检测的理论依据是郎伯-比尔定律(Lambert-Beer Law),即一束单色光垂直穿过某均匀溶液时,透射光强I与入射光强I0之间的关系为

　　式中,k为溶液吸光系数;C为溶液中吸光物质的浓度;d为穿过溶液的光程.

　　当溶液中吸光物质的浓度发生变化(ΔC)时,透射光强也将相应发生变化(ΔI),其相对变化量为

　　式中,ΔI对应透射光强的交流分量,I近似对应透射光强的直流分量.

　　对于HbO2和Hb的混合液

　　式中,C为HbO2和Hb的浓度和,即Hb的浓度为C-CHbO2.

　　分别用红光R和红外光IR作为光源,血氧饱和度分别为

　　由式(5)和式(6)消去C和d,得

　　因红光和红外光对氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸光系数是常数,式(7)中所有的k均为定值,所以,血氧饱和度测量问题最终归结为测量交流信号和直流信号并计算其比值的问题,即先分别测量R和IR两种波长的脉动分量与直流分量,得到比值ΔIIR/IIR和ΔIR/IR,进行标准化,再求出红外光IR与红光R的相对透光强度的比值,由式(7)可计算出脉搏血氧饱和度SpO2的值.