监护用脉搏式血氧饱和度测试方法的研究
作者：陈亚明 谭小丹 邓亲恺
单位：第一军医大学 (510515)
关键词：Lambert-Beer定律；血氧饱和度；光电传感器
提要 根据红光和红外光透过动脉血管后的相对最大光强和光强最大变化量之比来计算血氧饱和度 提要 根据红光和红外光透过动脉血管后的相对最大光强和光强最大变化量之比来计算血氧饱和度(SO2)的一般原理和推导出的实用算法，针对临床长期监护的特殊要求，设计了单片机反馈控制的自动基线调节电路，自动增益调节的可控积分电路及相应算法，有效地克服了因测量信号的漂移，特别是人体生理差异造成使系统工作恶化的影响，从而使本系统满足了临床生理监护的需要。
Study on Measuring Method of Pulse
, 百拇医药 Oxygen Saturation in Clinical Monitor
Chen Yaming Tan Xiaodan Deng Qinkai
The First Military Medical University
ABSTRACT In this paper, a measuring system of pulse oxygen saturation is presented, which is based on the Lambert-beer Principle, using the relative intensities at two wavelengths in the red and infrared ranges. In order to meet the special demand of continuoue clinical physiological monitoring, two circuits and appropriate algorithms are designed, one circuit, a feedback circuit controlled by micro-controller, automatically regulates the base line of signal, another circuit is a controlled integral circuit which automatically regulates the amplitude of waveforms. As the result, the drift of base line in this system, especially the effects caused by the physiological differences of human bodies, which will deteriorate the system, have been reduced. The system is satisfactory to clinical monitoring.
, 百拇医药
KEY WORDS Lambert-Beer Principle Oxygen Saturation Photo Sensor
血氧饱和度是血液中，被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，是呼吸循环的重要生理参数。许多呼吸系统的疾病会引起人体血液中血氧浓度的减少，严重的会威胁人的生命，因此在临床救护中，对危重病人的血氧浓度监测是不可缺少的。传统的血氧饱和度测量方法是对人体采血，再利用血气分析仪进行电化学分析，测出氧分压，计算血氧饱和度。这种方法不但麻烦，且不能进行连续的监测。为了实现血氧饱和度测量的自动化，作者研制了脉搏式血氧饱和度仪。
1. 测量原理
血液中的氧分子与红细胞中的血红蛋白的结合是可逆的，与氧结合的血红蛋白称为氧合血红蛋白HbO2，放出氧的血红蛋白称为还原血红蛋白HbR。设波长为λ光强为I0的单色光垂直照射透过人体手指末端组织，按照Lambert-Beer定律，通过组织透射光的强度为：
, http://www.100md.com
I=I0F*10-(E1C1+E2C2)L=I′010-(E1C1+E2C2)L(1)
其中，E1，C1分别是动脉血液中HbO2的吸光系数和浓度，E2，C2分别是HbR的吸光系数和浓度，L是动脉血液的光路长度，F是皮肤、肌肉、指角和静脉血液等其它组织的吸光率，由(1)式得动脉血液的吸光度为：
(2)
, 百拇医药 当手指动脉搏动时，动脉血液光路长度发生变化，而其它组织的吸光率F不变，即I′0=FI0不变，由此引起动脉血液吸光度变化为：
(3)
由(3)式可求动脉血液中的血氧饱和度：
(4)
(4)式中的SO2与(C1+C2)和ΔL有关，为了消除这两个参数，采用另一路波长为λ′的单色光对手指组织同时进行透射和测量，可得类似的(5)式：
(5)
, 百拇医药
其中E′1，E′2分别是动脉血液中HbO2和HbR对λ′的吸光系数。联立(4)，(5)式，得：
当波长λ=805nm时，E2=E1=E，(6)式简化为：
(7)
当动脉血管拨动时，透射光强由最大值Imax减少到Imax-ΔImax，由此而引起动脉血对λ和λ′两束光吸光度的变化量分别为：
, http://www.100md.com
将上两式代入(7)式，并考虑ΔImax/Imax和ΔI′max/I′max远小于1，得：
只要测定两路透射光最大光强Imax和I′max以及由于脉搏搏动而引起透射光强最大变化量ΔImax和ΔI′max，代入上式就可计算出动脉血液的血氧饱和度。为了增大检测灵敏度，要求B尽可能小，可选λ′=650nm，此时E′1，E′2的差值最大。
2. 电路设计原理
脉搏式SO2检测仪原理结构图如图所示。整机由单片机、光源驱动电路、光电传感器、差动放大器、基线自动调整电路、积分器、放大器、A/D转换和显示器组成，其工作原理如下：
, http://www.100md.com
血氧饱和度检测方框图
2.1 单片机
本仪器采用80C552作为控制和数据处理中心。其功能为：
①周期性地输出两路脉冲，作为红光和红外的测量信号源。
②通过串行D/A控制基线自动调整电路，使其输出的红光和红外脉冲的基线电平恒定。
③通过模拟开关控制积分器的积分时间。
④控制模拟开关，使积分后信号和差动放大器输出的脉冲信号分时进入放大器放大。
⑤控制A/D转换，对差动放大器输出的脉冲信号和积分器输出的脉动信号进行数据采集。
⑥对采集的数据进行处理，计算血氧值并送显示器显示测量结果。
, http://www.100md.com
2.2 光源驱动电路和光电传感器
从单片机发出的测量信号经光源驱动电路进行功率放大后，送到指套式光电传感器的红光和红外发射二极管上，使它们发射光脉冲。测量时将人的中指夹在指套里，光脉冲透过手指被红光和红外接收二极管重新转换为电脉冲，当手指动脉搏动时，透过的光强随着变化，所转换的电脉冲的幅度也随着脉动。为了延长光电传感器的使用寿命，采用占空比很小的周期性脉冲作为测量信号，由于红处和红光脉冲是分时发射，所以这两种测量信号可以共用同一通道进行放大和采样，而不会产生相互干扰和影响，避免了多通道传输中由于通道特性不一致而造成的误差。
2.3 差动放大器和自动基线调节电路
由光电传感器所送出的电脉冲信号微弱，并易受外界杂散光的干扰，采用高共模抑制比的差动放大器对它进行放大，以提高测量信号的信噪比。由于不同人手指的吸光度不同，即使同一手指其吸光度也会随它在传感器中位置而变化，所以由传感器获得的测量脉冲如幅度过大会使测量信号经放大而饱和，如过小又会得不到足够放大而影响测量的精度，为了能将幅度不同的测量信号放大到同一幅度水平，在差动放大器后面接有自动基线调节电路，这是一个受单片机控制的增益可编程放大器，其输入信号经模拟开关被后级放大器放大后送A/D采样，单片机根据输入脉冲的平均值通过串行D/A调节放大器增益，使得不同幅度的测量脉冲经放大后幅度均相同。由手指脉搏而引起测量脉冲幅度的上下起伏是以它的平均值来控制的，其作用只能稳定脉动信号平均值—基线，对脉动起伏不会产生影响，适当选择基线位置，可以使脉动有较大的线性动态范围。
, 百拇医药
2.4 积分器
由于人体手指组织对红外和红光的吸光度不同，所以从自动基线调节输出的红外脉动起伏要比红光脉动起伏大得多，为了在同一通道中能对这两路信号进行较均衡的放大，采用了积分放大器，其输入和输出之间关系可用积分公式表示：
(考虑τ远小于Ui变化的脉搏周期)
积分时间τ决定了放大器增益，由单片机通过模拟开关来控制，由于两路测量信号是分时送入积分器进行积分放大，只要适当选取积分时间，就可以使它们得到均衡放大。
2.5放大器和A/D转换
, 百拇医药 积分器输出测量信号的平均值虽很大，但它随脉搏产生的脉动起伏却仍很小。如直接再进行放大，将使信号达到饱和而削顶，为此取信号顶端脉动起伏部分进行放大，为确保准确的截取量，需向放大器送入一个基准的截取电压。为了保证采样精度，采用AD7870高速12位A/D转换。单片机根据所采集的数据，得到每个脉搏周期内透过手指组织红外和红光脉动幅度随时间变化的曲线，从中测出最大幅度和最大脉动起伏幅度，代入(8)式可计算出动脉血液的血氧饱和度，并送显示器显示测量结果。
2.6 定标
(8)式中系数A和B理论上可通过动脉血中的HbO2和HbR对红外和红光的吸光系数来计算，但考虑到光电传感器特性的离散性，一般要通过实验定标来确定。本仪器采用INDEX SPO2定标仪进行定标。标准血氧信号从指套式传感器输入，通过单片机测得比值ΔImax/Imax和ΔI′max/I′max，代入(8)式得A、B的一次方程再求解，定标范围可以在血氧饱和度0.98到0.7之间取值，如所取数据定出A、B值离散性较大，可用非线性回归进行调整。
, 百拇医药
3. 结论
本脉搏式血氧饱和度仪体积小，功耗低，使用方便，便于携带。测量时只要将手指插入指套式光电传感器中， 液晶就会直接显示所测血氧饱和度值。临床应用实验表明在血氧饱和度值0.7到0.99的范围内，测量误差不大于±1%，具有较高的准确性和重复性，它的研制成功为临床救护提供一种新仪器。
参 考 文 献
1. Vegfors M. et al. Accuracy of Pulse Oximetry at various hacmatocrits and haemolysis in an in vitro model Med. & Biol. Eng. & Comput. 1993;(31),135-141.
2. 孙卫新等. 脉搏血氧仪的定标与较验. 国外医学生物医学工程分册. 1997(2)：69～72
(1998年8月24日收稿), 百拇医药
单位：第一军医大学 (510515)
关键词：Lambert-Beer定律；血氧饱和度；光电传感器
提要 根据红光和红外光透过动脉血管后的相对最大光强和光强最大变化量之比来计算血氧饱和度 提要 根据红光和红外光透过动脉血管后的相对最大光强和光强最大变化量之比来计算血氧饱和度(SO2)的一般原理和推导出的实用算法，针对临床长期监护的特殊要求，设计了单片机反馈控制的自动基线调节电路，自动增益调节的可控积分电路及相应算法，有效地克服了因测量信号的漂移，特别是人体生理差异造成使系统工作恶化的影响，从而使本系统满足了临床生理监护的需要。
Study on Measuring Method of Pulse
, 百拇医药 Oxygen Saturation in Clinical Monitor
Chen Yaming Tan Xiaodan Deng Qinkai
The First Military Medical University
ABSTRACT In this paper, a measuring system of pulse oxygen saturation is presented, which is based on the Lambert-beer Principle, using the relative intensities at two wavelengths in the red and infrared ranges. In order to meet the special demand of continuoue clinical physiological monitoring, two circuits and appropriate algorithms are designed, one circuit, a feedback circuit controlled by micro-controller, automatically regulates the base line of signal, another circuit is a controlled integral circuit which automatically regulates the amplitude of waveforms. As the result, the drift of base line in this system, especially the effects caused by the physiological differences of human bodies, which will deteriorate the system, have been reduced. The system is satisfactory to clinical monitoring.
, 百拇医药
KEY WORDS Lambert-Beer Principle Oxygen Saturation Photo Sensor
血氧饱和度是血液中，被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，是呼吸循环的重要生理参数。许多呼吸系统的疾病会引起人体血液中血氧浓度的减少，严重的会威胁人的生命，因此在临床救护中，对危重病人的血氧浓度监测是不可缺少的。传统的血氧饱和度测量方法是对人体采血，再利用血气分析仪进行电化学分析，测出氧分压，计算血氧饱和度。这种方法不但麻烦，且不能进行连续的监测。为了实现血氧饱和度测量的自动化，作者研制了脉搏式血氧饱和度仪。
1. 测量原理
血液中的氧分子与红细胞中的血红蛋白的结合是可逆的，与氧结合的血红蛋白称为氧合血红蛋白HbO2，放出氧的血红蛋白称为还原血红蛋白HbR。设波长为λ光强为I0的单色光垂直照射透过人体手指末端组织，按照Lambert-Beer定律，通过组织透射光的强度为：
, http://www.100md.com
I=I0F*10-(E1C1+E2C2)L=I′010-(E1C1+E2C2)L(1)
其中，E1，C1分别是动脉血液中HbO2的吸光系数和浓度，E2，C2分别是HbR的吸光系数和浓度，L是动脉血液的光路长度，F是皮肤、肌肉、指角和静脉血液等其它组织的吸光率，由(1)式得动脉血液的吸光度为：
(2), 百拇医药 当手指动脉搏动时，动脉血液光路长度发生变化，而其它组织的吸光率F不变，即I′0=FI0不变，由此引起动脉血液吸光度变化为：
(3)由(3)式可求动脉血液中的血氧饱和度：
(4)(4)式中的SO2与(C1+C2)和ΔL有关，为了消除这两个参数，采用另一路波长为λ′的单色光对手指组织同时进行透射和测量，可得类似的(5)式：
(5), 百拇医药
其中E′1，E′2分别是动脉血液中HbO2和HbR对λ′的吸光系数。联立(4)，(5)式，得：
当波长λ=805nm时，E2=E1=E，(6)式简化为：
(7)当动脉血管拨动时，透射光强由最大值Imax减少到Imax-ΔImax，由此而引起动脉血对λ和λ′两束光吸光度的变化量分别为：
, http://www.100md.com
将上两式代入(7)式，并考虑ΔImax/Imax和ΔI′max/I′max远小于1，得：
只要测定两路透射光最大光强Imax和I′max以及由于脉搏搏动而引起透射光强最大变化量ΔImax和ΔI′max，代入上式就可计算出动脉血液的血氧饱和度。为了增大检测灵敏度，要求B尽可能小，可选λ′=650nm，此时E′1，E′2的差值最大。
2. 电路设计原理
脉搏式SO2检测仪原理结构图如图所示。整机由单片机、光源驱动电路、光电传感器、差动放大器、基线自动调整电路、积分器、放大器、A/D转换和显示器组成，其工作原理如下：
, http://www.100md.com
血氧饱和度检测方框图
2.1 单片机
本仪器采用80C552作为控制和数据处理中心。其功能为：
①周期性地输出两路脉冲，作为红光和红外的测量信号源。
②通过串行D/A控制基线自动调整电路，使其输出的红光和红外脉冲的基线电平恒定。
③通过模拟开关控制积分器的积分时间。
④控制模拟开关，使积分后信号和差动放大器输出的脉冲信号分时进入放大器放大。
⑤控制A/D转换，对差动放大器输出的脉冲信号和积分器输出的脉动信号进行数据采集。
⑥对采集的数据进行处理，计算血氧值并送显示器显示测量结果。
, http://www.100md.com
2.2 光源驱动电路和光电传感器
从单片机发出的测量信号经光源驱动电路进行功率放大后，送到指套式光电传感器的红光和红外发射二极管上，使它们发射光脉冲。测量时将人的中指夹在指套里，光脉冲透过手指被红光和红外接收二极管重新转换为电脉冲，当手指动脉搏动时，透过的光强随着变化，所转换的电脉冲的幅度也随着脉动。为了延长光电传感器的使用寿命，采用占空比很小的周期性脉冲作为测量信号，由于红处和红光脉冲是分时发射，所以这两种测量信号可以共用同一通道进行放大和采样，而不会产生相互干扰和影响，避免了多通道传输中由于通道特性不一致而造成的误差。
2.3 差动放大器和自动基线调节电路
由光电传感器所送出的电脉冲信号微弱，并易受外界杂散光的干扰，采用高共模抑制比的差动放大器对它进行放大，以提高测量信号的信噪比。由于不同人手指的吸光度不同，即使同一手指其吸光度也会随它在传感器中位置而变化，所以由传感器获得的测量脉冲如幅度过大会使测量信号经放大而饱和，如过小又会得不到足够放大而影响测量的精度，为了能将幅度不同的测量信号放大到同一幅度水平，在差动放大器后面接有自动基线调节电路，这是一个受单片机控制的增益可编程放大器，其输入信号经模拟开关被后级放大器放大后送A/D采样，单片机根据输入脉冲的平均值通过串行D/A调节放大器增益，使得不同幅度的测量脉冲经放大后幅度均相同。由手指脉搏而引起测量脉冲幅度的上下起伏是以它的平均值来控制的，其作用只能稳定脉动信号平均值—基线，对脉动起伏不会产生影响，适当选择基线位置，可以使脉动有较大的线性动态范围。
, 百拇医药
2.4 积分器
由于人体手指组织对红外和红光的吸光度不同，所以从自动基线调节输出的红外脉动起伏要比红光脉动起伏大得多，为了在同一通道中能对这两路信号进行较均衡的放大，采用了积分放大器，其输入和输出之间关系可用积分公式表示：
(考虑τ远小于Ui变化的脉搏周期)
积分时间τ决定了放大器增益，由单片机通过模拟开关来控制，由于两路测量信号是分时送入积分器进行积分放大，只要适当选取积分时间，就可以使它们得到均衡放大。
2.5放大器和A/D转换
, 百拇医药 积分器输出测量信号的平均值虽很大，但它随脉搏产生的脉动起伏却仍很小。如直接再进行放大，将使信号达到饱和而削顶，为此取信号顶端脉动起伏部分进行放大，为确保准确的截取量，需向放大器送入一个基准的截取电压。为了保证采样精度，采用AD7870高速12位A/D转换。单片机根据所采集的数据，得到每个脉搏周期内透过手指组织红外和红光脉动幅度随时间变化的曲线，从中测出最大幅度和最大脉动起伏幅度，代入(8)式可计算出动脉血液的血氧饱和度，并送显示器显示测量结果。
2.6 定标
(8)式中系数A和B理论上可通过动脉血中的HbO2和HbR对红外和红光的吸光系数来计算，但考虑到光电传感器特性的离散性，一般要通过实验定标来确定。本仪器采用INDEX SPO2定标仪进行定标。标准血氧信号从指套式传感器输入，通过单片机测得比值ΔImax/Imax和ΔI′max/I′max，代入(8)式得A、B的一次方程再求解，定标范围可以在血氧饱和度0.98到0.7之间取值，如所取数据定出A、B值离散性较大，可用非线性回归进行调整。
, 百拇医药
3. 结论
本脉搏式血氧饱和度仪体积小，功耗低，使用方便，便于携带。测量时只要将手指插入指套式光电传感器中， 液晶就会直接显示所测血氧饱和度值。临床应用实验表明在血氧饱和度值0.7到0.99的范围内，测量误差不大于±1%，具有较高的准确性和重复性，它的研制成功为临床救护提供一种新仪器。
参 考 文 献
1. Vegfors M. et al. Accuracy of Pulse Oximetry at various hacmatocrits and haemolysis in an in vitro model Med. & Biol. Eng. & Comput. 1993;(31),135-141.
2. 孙卫新等. 脉搏血氧仪的定标与较验. 国外医学生物医学工程分册. 1997(2)：69～72
(1998年8月24日收稿), 百拇医药