脈搏血氧飽和度測(cè)量原理及常見血氧探頭

高新軍，劉新穎

解放軍第306醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，北京100101

脈搏血氧飽和度測(cè)量原理及常見血氧探頭

高新軍，劉新穎

解放軍第306醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，北京100101

概述脈搏血氧飽和度的定義及測(cè)量原理和探頭產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方法，并提供了幾種常見品牌血氧探頭傳感器與接頭插針的電氣連接圖，供醫(yī)學(xué)工程人員參考。

血氧飽和度測(cè)量?jī)x；脈搏血氧飽和度；血氧探頭

1 脈搏血氧飽和度測(cè)量原理

血氧飽和度(SaO2)是反應(yīng)血液中氧合血紅蛋白含量的一個(gè)參數(shù)，是氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比，它是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。臨床上通過監(jiān)測(cè)動(dòng)脈血氧飽和度(SaO2)對(duì)肺的氧合和血紅蛋白攜氧能力進(jìn)行估計(jì)。

圖 1 發(fā)光二極管的發(fā)光光譜及不同血氧濃度血液對(duì)光線的吸收率曲線，虛線是50%血氧濃度吸收率曲線

血氧濃度的測(cè)量通常分為電化學(xué)法和光學(xué)法兩類[1]。電化學(xué)分析法需行人體采血，再用血?dú)夥治鰞x測(cè)出血氧分壓PO2從而計(jì)算出血氧飽和度，這是一種有創(chuàng)測(cè)量方法，且不能進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)。而光學(xué)測(cè)量法是采用光電傳感器的無創(chuàng)方法，它是基于動(dòng)脈血液對(duì)光的吸收量隨動(dòng)脈搏動(dòng)而變化的原理來進(jìn)行測(cè)量的，故將這種測(cè)量結(jié)果稱做脈搏(pluse)血氧飽和度(SpO2)。基礎(chǔ)研究表明，氧合血紅蛋白和去氧合血紅蛋白對(duì)不同波長(zhǎng)入射光有著不同的吸收率，見圖1，而皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等其他組織對(duì)光的吸收是恒定不變的。當(dāng)用兩種特定波長(zhǎng)的光線照射組織時(shí)，運(yùn)用Lambert-Bear定律并根據(jù)血氧飽和度的定義可推出動(dòng)脈血氧飽和度的近似公式為：

圖 2 紅光與紅外光吸收比/血氧飽和度定標(biāo)曲線

式中：R為兩種波長(zhǎng)光線吸收率之比，a、b為常數(shù)，與儀器傳感器結(jié)構(gòu)、測(cè)量條件有關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)樯锝M織是一個(gè)各向異性、強(qiáng)散射、弱吸收的復(fù)雜光學(xué)介質(zhì)，無法單純以一個(gè)簡(jiǎn)單公式直接獲取血氧飽和度，一般是通過測(cè)量雙光束吸收率之比R，然后通過經(jīng)驗(yàn)吸收比/定標(biāo)曲線最終獲取氧飽和度，見圖2。而在選擇雙光束波長(zhǎng)時(shí)，一般選擇入射光波長(zhǎng)為660nm和940nm[1]。

2 血氧探頭傳感器結(jié)構(gòu)

在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上分為兩部分：血氧飽和度探頭和測(cè)量模塊。血氧飽和度探頭傳感器部由雙發(fā)射管(紅光和紅外光)和光敏二極管組成，見圖3。測(cè)量模塊驅(qū)動(dòng)兩個(gè)發(fā)射管分別產(chǎn)生兩種波長(zhǎng)的光線，經(jīng)過人體組織——通常是透光好的肢端——傳遞到接收管，接收管把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳遞回測(cè)量模塊，經(jīng)測(cè)量模塊處理，得到實(shí)時(shí)的血氧飽和度。測(cè)量模塊可單獨(dú)成機(jī)，成為血氧飽和度測(cè)量?jī)x(計(jì))，也可置入其它設(shè)備，如多參數(shù)床旁監(jiān)護(hù)儀、麻醉監(jiān)護(hù)儀。隨著技術(shù)的發(fā)展，光電法測(cè)量因其使用方便、可實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，已經(jīng)從重癥監(jiān)護(hù)病房、手術(shù)室的應(yīng)用區(qū)域擴(kuò)展到所有病房中。血氧傳感器(探頭)是無創(chuàng)法檢測(cè)血氧飽和度的重要部件，它的損壞會(huì)直接導(dǎo)致檢測(cè)不準(zhǔn)或整機(jī)癱瘓無法工作。因數(shù)量多、使用率高，血氧探頭成為醫(yī)院維修率和更新率相當(dāng)高的醫(yī)療器械，醫(yī)學(xué)工程科的技術(shù)人員應(yīng)該掌握其技術(shù)原理和實(shí)際產(chǎn)品檢測(cè)方法，為新品驗(yàn)收、報(bào)修品檢修、淘汰提供技術(shù)支持。

圖 3 指夾式探頭

血氧探頭傳感器端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本上由上面說到的三個(gè)半導(dǎo)體器件組成，產(chǎn)品外形以指夾或指套或一次性粘貼封裝，兩個(gè)發(fā)射管多數(shù)為反向并聯(lián)，與光敏二極管正對(duì)，探頭另一端以接頭與血氧計(jì)相連。以指夾式探頭為例，手指伸到指夾內(nèi)，發(fā)射管在指背側(cè)，光電管在指腹側(cè)，見圖3[3]。因不同批次的發(fā)射管甚至相同批次的發(fā)射管，發(fā)射光譜有差異，如果采用單一的吸收比血氧飽和度定標(biāo)曲線將導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差，為了提高器件使用率，降低生產(chǎn)成本，探頭內(nèi)增加了一個(gè)器件：特征電阻，在測(cè)量模塊內(nèi)增加相應(yīng)的定標(biāo)曲線，測(cè)量模塊通過識(shí)別這個(gè)電阻來選取相應(yīng)的飽和度定標(biāo)曲線，做到硬件和軟件的匹配[2]。這種器件結(jié)構(gòu)從20世紀(jì)80年代投入應(yīng)用至今，基本上沒有變化，但探頭和血氧計(jì)或監(jiān)護(hù)儀的連接接頭的形式上就五花八門了，可以說一個(gè)品牌一個(gè)樣子。下面是在維修中積累的我院血氧計(jì)、多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀使用的、也是醫(yī)院比較常見的幾個(gè)品牌血氧探頭接頭的外形和插針與探頭傳感器內(nèi)部器件的電氣連接圖。

3 常見血氧探頭

圖4~圖7是比較常見的幾種血氧探頭電氣連接圖，其中RID為特征電阻，R、IR、PD分別為紅色發(fā)光二極管、紅外發(fā)光二極管、光敏二極管。工程師可以依此用萬用表的二極管測(cè)試檔和電阻檔快速地進(jìn)行檢測(cè)，萬用表(FLUKE17)二極管檔位下，正向壓降典型值：紅外發(fā)光管的是1.0V，紅色發(fā)光管是1.5V，光敏二極管是0.58V。

3.1 NELLCOR DURASENSOR (型號(hào)DS-100A)的探頭

NELLCOR DURASENSOR (型號(hào)DS-100A)的探頭是目前使用最廣泛的一種探頭，可直接插在監(jiān)護(hù)儀主機(jī)上(如菲康LIFEPAK12監(jiān)護(hù)儀)，也可通過轉(zhuǎn)接電纜接到主機(jī)上(如邁瑞PM8000、PM9000，GE DASH4000等監(jiān)護(hù)儀)，RID=7.4kΩ，RID埋封在接頭內(nèi)，見圖4。

圖 4 NELLCOR DS-100A血氧探頭傳感器與接頭的電氣連接

3.2 Philips M1191A 探頭

Philips M1191A 探頭可直接插監(jiān)護(hù)儀上(如Philips MP30監(jiān)護(hù)儀)，也可通過轉(zhuǎn)接電纜接到主機(jī)上，RID=2.0kΩ，見圖5。

圖 5 Philips M1191A血氧探頭傳感器與接頭插針的電氣連接

3.3 MASIMO SET 探頭

圖 6 GE DASH4000 監(jiān)護(hù)儀使用的Masimo SET血氧探頭

傳感器與接頭插針的電氣連接

MASIMO SET 探頭在GE DASH4000監(jiān)護(hù)儀上也得到了應(yīng)用，我院使用的是國(guó)產(chǎn)兼容一體探頭，直接連接主機(jī)，RID=12.7kΩ，RID與發(fā)光二極管并聯(lián)，埋封在指夾或指套內(nèi)，見圖6。

3.4 DATEX-OMEDHA OXYTIP+探頭

DATEX-OMEDHA OXYTIP+探頭通過延長(zhǎng)電纜接到主機(jī)上，RID=90.9kΩ，也有特征電阻為82.0 kΩ的探頭，RID埋封在血氧探頭接頭內(nèi)，見圖7。此接頭比較容易拆解，常見故障是壓線接觸不好和RID虛焊。

圖 7 DATEX-OMEDHA OXYTIP+血氧探頭傳感器與接頭插針的電氣連接

5 結(jié)束語(yǔ)

有了這些電氣連接圖，我們可以快速地對(duì)新品和報(bào)修品進(jìn)行測(cè)量，縮小故障范圍，提高工作效率。對(duì)配備了福祿克(FLUKE)脈搏血氧模擬器(SPO2Simulator，型號(hào)Index 2XL)的單位，可以參考制作轉(zhuǎn)接頭，擴(kuò)展探頭快速電氣測(cè)試的應(yīng)用范圍。

[1] 柯子力,等.血氧飽和度檢測(cè)介紹[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息,2004,10(2):34-35.

[2] Nellcor technical stuff.A technology overview of the Nellcor Oximax pulse oximetry system[R/OL].[2009-10-01]. http://www.nellcor.com/_Catalog/PDF/Product/OxiMaxTechNote.pdf.

[3] Nellcor technical stuff.Pulse Oximetry[EB/OL].[2009-10-01].http://respiratorysolutions.covidien.com/PatientMonitoring/OxiMaxPulseOximetry/Monitors/OxiMaxN600xPulseOximeter/tabid/73/Default.aspx.

[4] 于彥,等.多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀放氣閥、手指按著故障與維修[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2009(1):106.

[5] 謝正洋.無創(chuàng)血氧飽和度的測(cè)量及無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制[D].蘇州:蘇州大學(xué),2009.

[6] 范靜輝.無創(chuàng)脈搏血氧飽和度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].南昌:南昌大學(xué),2005.

[7] 姜遠(yuǎn)海,等.臨床醫(yī)學(xué)工程技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2002

Principle of Pulse Oxygen Saturation Testing and Common Probe Connectors' Circuits

GAO Xin-jun,LIU Xin-ying
Medical Engineering Department,306th Hospital of PLA, Beijing 100101,China

TH776

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.06.020

1674-1633(2010)06-0057-03

2009-10-11

作者郵箱：gxj0111@yahoo.com.cn

Abstract: This paper introduces the definition,fundamental principle of the pulse oxygen saturation and achievement of probe production.Furthermore, probe electrocircuits between sensor and connector of some famous brands are provided.

Key words: oxygen saturation tester;pulse oxygen saturation; oxygen saturation probe