反射式脈搏血氧模擬器設(shè)計與應(yīng)用

中國食品藥品檢定研究院 光機電室，北京 102629

引言

脈搏血氧儀是臨床常用的醫(yī)療器械，預(yù)期用于測量血氧飽和度，能夠為生命體征和健康狀態(tài)監(jiān)測提供重要信息[1-2]。傳統(tǒng)的脈搏血氧儀以透射式光路設(shè)計[3]為主，使用紅光和近紅外光（常見660、940 nm）兩個波長的脈沖光照射手指、耳垂等組織，根據(jù)直流分量、交流分量推算氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白的比例，從而計算血氧飽和度[4]。

近年來，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，聲稱可用于脈搏血氧測量的可穿戴產(chǎn)品越來越多，其形態(tài)包括手環(huán)、手表、頭帶等[5-10]，有些屬于醫(yī)療器械范疇，有些屬于一般健康產(chǎn)品。由于反射式脈搏血氧儀目前沒有專門的國家標準和行業(yè)標準，產(chǎn)品的性能檢測還處于探索階段。由于光路與佩戴方式差異較大，傳統(tǒng)透射式脈搏血氧儀所使用的模擬器[11]無法用于反射式脈搏血氧儀的質(zhì)控。目前，業(yè)內(nèi)已研制出能夠主動發(fā)光的反射式脈搏血氧模擬器[12]，由程序驅(qū)動光源產(chǎn)生光信號，模擬脈搏血氧儀收到的信號。這類反射式血氧模擬器存在一定的局限性，波長基本固定在660、940 nm附近，難以適配綠光、多光譜[13]等新型反射式脈搏血氧儀。

本文設(shè)計了一種基于液體流動的反射式脈搏血氧模擬器和測量裝置，以不同的方式產(chǎn)生脈搏血氧信號，用于產(chǎn)品的檢測。本文對該模擬器的技術(shù)參數(shù)進行了測量，在實際的產(chǎn)品檢測中進行了應(yīng)用，有助于加強反射式脈搏血氧儀產(chǎn)品的質(zhì)量評價工作。

1 裝置設(shè)計

1.1 工作原理

反射式脈搏血氧模擬器的工作原理是周期性地模擬光在介質(zhì)中的衰減，作為給脈搏血氧儀產(chǎn)品的輸入。血氧飽和度的測量在物理上主要依據(jù)朗伯-比爾定律。單色光通過均一、無散射介質(zhì)層時，入射光強和出射光強之間滿足基本公式(1)所示的基本數(shù)學(xué)表述。

其中I為出射光強，I0為入射光強；ε為分子消光系數(shù)，由波長和介質(zhì)自身決定；c為介質(zhì)濃度，d為光在介質(zhì)中傳播的路徑長度。分子消光系數(shù)和介質(zhì)濃度之積也稱為吸收系數(shù)，用μa來表示。

把介質(zhì)層整體看作黑盒子，則它對光的衰減可用吸光度OD來定義，見公式(2)。

該公式的前提是單色光照射介質(zhì)，吸收過程中不同物質(zhì)之間無相互作用，光與介質(zhì)之間沒有散射。當多種吸光物質(zhì)共存且無相互作用時，吸收系數(shù)表述如公式(3)所示。

當不同波長的光照射混合均勻介質(zhì)時，吸收系數(shù)和分子消光系數(shù)構(gòu)成如下方程組（假設(shè)有n種成分，已知每個成分在n種波長下的分子消光系數(shù)，且不考慮散射、熒光、成分之間相互作用），見公式(4)。

根據(jù)方程組(4)可以求解各個成分的濃度。該方程組描述了在不考慮散射的前提下，測量混合溶液各成分比例的基本原理。在實際組織中測量血氧飽和度時，散射不可忽略，公式(4)不能直接使用，需要根據(jù)實際情況進行修正。

對于透射式光路，假設(shè)組織對光的散射系數(shù)不隨脈搏發(fā)生變化，那么透射光的吸光度變化主要由動脈血的灌注量變化（等同于血流直徑變化Δd）引起，見公式(5)。

動脈血對可見光（400～700 nm）和近紅外（700～1000 nm）的吸收主要取決于脫氧血紅蛋白和氧合血紅蛋白[14-15]。如果用三種波長或更多個波長測量吸光度的變化，那么根據(jù)公式(5)可以求解兩種血紅蛋白的濃度和血流直徑的變化；如果用兩種波長測量吸光度的變化，那么根據(jù)公式(5)只能求解兩種血紅蛋白的相對濃度，不能得到Δd，但可以計算血氧飽和度。

對于反射式光路，由于散射系數(shù)隨脈搏恒定的假設(shè)依然適用，光子傳播路徑近似不變，位于探測器同側(cè)的出射光的強度變化仍然主要由脈搏引起。此時公式(5)中的Δd需要替換為被實際的光子傳播路徑，即平均光路長，與散射系數(shù)和組織形態(tài)有關(guān)，無法準確量化，只能估算。因此，本文研究的模擬器適用于模擬血氧飽和度本身，難以計算絕對的血流灌注等其他參數(shù)。

1.2 模擬器與測量裝置開發(fā)

為了模擬氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白的光譜形狀差異，尤其是紅光與近紅外光的對比度，本文選擇亞甲基藍、印度墨水作為模擬液的主要成分。圖1所示為0.000001 mol/L的亞甲基藍、1:10000稀釋后的印度墨水溶液在1 cm厚的石英比色皿中測到的吸收光譜，可見在波長為660 nm時，亞甲基藍的吸光度高于印度墨水，而波長為940 nm時，亞甲基藍的吸光度低于印度墨水。這種差異有助于模擬氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白的比率，從而模擬血氧飽和度。亞甲基藍的吸收光譜被進一步量化，縱坐標用摩爾消光系數(shù)顯示，結(jié)果如圖2所示，可見與血紅蛋白的摩爾消光系數(shù)處于同一數(shù)量級。

圖1 血液模擬液主要成分吸收譜

圖2 亞甲基藍吸收譜

在此基礎(chǔ)上，反射式血氧模擬器由模擬液、模擬血管、蠕動泵、阻尼組成，原理圖如圖3所示。

圖3 脈搏模擬器設(shè)計原理圖

模擬血管主要成分是硅膠，內(nèi)徑7.9 mm，外徑11.0 mm，厚度1.5 mm，模擬人體動脈血管的彈性，并模擬皮膚對光的衰減；蠕動泵的轉(zhuǎn)速可調(diào)，范圍是0～300轉(zhuǎn)/min。阻尼的作用是收緊模擬血管，產(chǎn)生阻力，與蠕動泵配合產(chǎn)生脈動流，采用固定的機械夾，使管路的直徑壓縮1/2。為了對模擬器產(chǎn)生的漫反射信號進行測量，搭建光譜測量裝置，選用鹵鎢燈作為光源（300～1000 nm），光纖光譜儀（300～1000 nm）作為探測器，其最小曝光時間為100 ms，能夠響應(yīng)400 ms以下的光譜動態(tài)變化。該測量裝置能夠直接測量皮膚漫反射光譜，顯示脈搏波的波形[16]。圖4所示為模擬器和探測器的實物。

2 脈搏模擬器的驗證與應(yīng)用

作為配合檢測設(shè)備，本文設(shè)計的脈搏模擬器在具體產(chǎn)品的檢驗檢測中進行了應(yīng)用。這些試驗涉及電磁兼容、性能等內(nèi)容，對模擬器的性能提供了驗證。

圖4 模擬器實物照片

2.1 電磁輻射發(fā)射試驗

為驗證模擬器自身的電磁輻射發(fā)射水平能否滿足配合電磁兼容試驗的需要，本文依據(jù)醫(yī)療器械電磁兼容試驗標準YY 0505-2012[17]的要求，在30 MHz～1 GHz范圍內(nèi)，使用10米法進行輻射發(fā)射測試。為模擬最不利條件，充分評估脈搏模擬器的電磁發(fā)射水平，將脈搏模擬器與某透射式血氧飽和度檢品配套連接，共同運行，連接圖如圖5所示。試驗中，轉(zhuǎn)速設(shè)置在60轉(zhuǎn)/min，檢品的透射式指夾固定在管路上。該檢品使用600～900 nm的寬譜光源進行照射，采集8個不同的波長，用于計算總血紅蛋白濃度。

圖5 樣品連接圖

在半電波暗室中，采用3米法對檢品和模擬器進行了電磁輻射發(fā)射水平的測試，得到的結(jié)果如圖6所示?？梢?，脈搏模擬器與檢品組合后的電磁輻射發(fā)射水平較低，考慮到檢品本身會產(chǎn)生輻射發(fā)射信號，脈搏模擬器實際的電磁輻射發(fā)射水平還會進一步下降，能夠滿足配合檢測的需求。

圖6 實驗測得的電磁輻射發(fā)射波形

值得注意的是，在輻射發(fā)射試驗中，檢品所記錄的總血紅蛋白濃度與人體數(shù)據(jù)較為接近，均為16～18 g/dL之間，變異系數(shù)為0.3%，說明模擬液能夠在實驗過程中保持穩(wěn)定，模擬血液的衰減。

2.2 脈搏準確率驗證

為驗證脈搏模擬器的脈搏準確率，首先選用不同的脈搏預(yù)設(shè)值（60、90、120次/min），在脈搏模擬器單獨穩(wěn)定運行時由已上市的透射式脈搏血氧儀產(chǎn)品記錄其脈率。脈率預(yù)設(shè)值為60、90、120次/min，脈率誤差分別為0.50%、0.67%、0.25%。

為提高測試的復(fù)雜度，將脈搏模擬器與多參數(shù)監(jiān)護儀檢品聯(lián)用，進行綜合性能測試，實驗布置如圖7所示。該檢品包括反射式脈搏波探頭、血壓袖帶、超聲多普勒探頭等多個檢測模塊。實驗中，脈搏模擬器的管路固定在血壓袖帶與模擬手臂之間，反射式脈搏波探頭貼在管路表面，用于檢測脈率。該檢品使用白色LED作為光源，與傳統(tǒng)的660、940 nm波長不同，僅提取脈搏波波形，不計算血氧飽和度。脈率預(yù)設(shè)值為50、100、150次/min，脈率誤差分別為0.20%、0.30%、0.33%，說明能夠滿足測試需求。

圖7 綜合實驗測試布置圖

3 討論

本文提出了一種新的脈搏模擬器設(shè)計方案，使用蠕動泵產(chǎn)生脈動流，作為脈搏血氧儀產(chǎn)品的輸入。它通過管路中的液體容積變化來改變脈搏血氧儀的漫反射信號，更加貼近人體脈搏測量的實際場景，有助于滿足更多產(chǎn)品的檢測需求，比如中醫(yī)脈診儀。與常見的光電式血氧模擬器[18]相比，本文設(shè)計的模擬器不對脈搏血氧儀輸出的光信號進行感知、計算、調(diào)制，不主動產(chǎn)生光信號，對脈搏血氧儀產(chǎn)品光源和探測器的相對位置無特殊要求，也無需適配脈搏血氧儀各個發(fā)射的時序，操作更加簡便。

根據(jù)現(xiàn)有標準和法規(guī)對脈搏血氧儀產(chǎn)品的要求，脈搏血氧儀測量血氧飽和度的準確率由臨床試驗進行驗證，患者模擬器不應(yīng)被用來確認血氧飽和度的準確率[19-20]。因此，本文設(shè)計的模擬器與業(yè)內(nèi)其他模擬器的應(yīng)用場景類似，主要用于電磁兼容試驗中的基本性能驗證、脈搏準確率驗證等目的。根據(jù)本文的實驗結(jié)果，在實際的產(chǎn)品檢測中，該模擬器的電磁輻射發(fā)射水平較低，有利于配合脈搏血氧儀產(chǎn)品的電磁兼容測試。在性能方面，該模擬器所模擬的總血紅蛋白濃度、脈搏變異系數(shù)、脈搏準確率等參數(shù)也經(jīng)過了實際檢品的驗證，說明在產(chǎn)品檢測的應(yīng)用具備初步的可行性。

在血氧飽和度的準確率驗證方面，本文設(shè)計的模擬器需要建立模擬液成分與脈搏血氧儀產(chǎn)品顯示的血氧飽和度之間的映射關(guān)系，即定標曲線。定標曲線的建立需要產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)，例如比例系數(shù)、校正因子等[12]，然而目前難以獲取，下一步將與相關(guān)研發(fā)機構(gòu)進行合作，對血氧飽和度的準確性驗證和定標環(huán)節(jié)加強研究。

4 結(jié)論

本文設(shè)計并搭建了一套基于液體流動的血氧模擬器，能夠模擬人的脈搏，用于反射式、透射式脈搏血氧儀的檢測工作。該模擬器屬于被動式模擬器，液體成分、蠕動泵轉(zhuǎn)速可根據(jù)需求進行調(diào)節(jié)，能夠靈活適配采用各種光源的脈搏血氧儀，例如實驗樣品采用的白色LED、600～900 nm寬帶光源等，從而擴展應(yīng)用場合。未來的研究可收集更多數(shù)據(jù)，例如建立具體產(chǎn)品、具體型號的血氧飽和度定標曲線，以擴展對產(chǎn)品性能的驗證能力。