一种单片便携式脉搏血氧饱和度测量仪的研制

　　人体组织细胞维持正常新陈代谢的氧是通过血液循环系统输送的,血氧饱和度[1](SpO2, blood oxygensaturation)是反映血液中氧含量的主要参数。通过连续或间断地监测血氧饱和度可以对人体携带氧的能力进行估计,同时,其又是判断人体呼吸系统、循环系统是否出现障碍或者周围环境是否缺氧的重要指标,在手术麻醉、监护室急救病房、病人运动和睡眠研究、以及慢性呼吸循环系统疾病患者的监控上都有着重要的作用[2]。

　　国外开展无创血氧饱和度检测技术较早。从20世纪50年代Wood和Coworker描述了一种无创伤检测血氧饱和度的方法,到20世纪80年代Nellor研制出一种应用于临床的脉搏血氧饱和度仪N-100,用红外光谱法进行无创血氧饱和度测量已经取得较大的成功,脉搏血氧仪正处于大范围普及和应用阶段,如Nel-lor、Masimo、Philips等公司已开发出相对成熟的产品并应用于临床。但是,由于工程学和生理学存在一定的局限性,评价SpO2值的正确性和可靠性仍然是重要的研究课题。近年来SpO2检测的研究主要集中在血氧探头结构的优化设计[3]和信号萃取技术的创新性改进[4]等方面,此外,在医疗保健社区化的趋势下,便携式的脉搏血氧仪越来越得到人们的重视。

　　目前,国内临床上血氧饱和度的监测都是通过生命体征参数监测仪来完成的。这种监测仪重量和体积稍大,不便携带,而且多为有线数据传输,给医生和患者的使用带来了很大的不便。笔者设计了一种可以捆绑在手腕上进行测量的便携式无线脉搏血氧仪,相对于传统的指端测量而言,它可以像手表一样,在手腕上连续佩戴几小时甚至几天,随时监控人体的血氧指标。该血氧仪可以对人体的心率和血氧值进行计算,并实时显示脉搏波波形,测量的相关数据可以通过无线收发模块发送到个人计算机进行存储或在必要时通过互联网发送到远端的医院工作站。无创脉搏血氧饱和度测量是以朗伯-比尔定律[5]和血液中还原血红蛋白(Hb)和氧合血红蛋白(HbO2)对光的吸收特性不同为基础的。通过两种不同波长的红光600~700 nm和红外光800~1000 nm分别照射组织经反射后再由光电接收器转换成电信号。组织中的其他成分吸收光信号是恒定的,经过光电接收器后得到直流分量DC,而动脉血中的HbO2和Hb对光信号的吸收是随着脉搏搏动作周期性变化,经过光电接收器后得到交流分量AC,由于HbO2和Hb对同一种光线的吸收率各不相同,通过测量红光和红外光的光吸收比率便可以计算出两种血红蛋白含量的百分比。血氧饱和度的计算公式如下

　　为两个波长的光吸收比率[6-7 ],其中,VREDAC为红光的交流分量;VREDDC为红光的直流分量;VIREDAC为红外光的交流分量;VIREDDC为红外光的直流分量。设计中选用940 nm红外光和660 nm红光,在该波长处,氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收差别较大。