光電脈搏儀在血氧飽和度測量中的應用

尹 聰,李文秀

(山東電子職業技術學院 電子與通信工程系,山東 濟南 250200)

0 引言

新型冠狀病毒屬于急性感染肺炎,病原體是以前從未發現的一種病毒,人在感染了這種病毒之后,會出現發熱、咳嗽和呼吸困難等癥狀。 而呼吸困難引起攝入的氧氣量不足,肺部感染影響氣體交換,導致血氧不足,人體血氧飽和度降低。 因此,血氧飽和度是新型冠狀病毒肺炎重要的診斷指標之一。 普及采用脈搏血氧儀可以給新冠肺炎的相關疾病問題提供防范預警。

1 光電式傳感器脈搏儀測量依據

1.1 脈搏波形成

脈搏波是一種能量的傳遞,它是一種類似聲波的能量波,沿著血管壁飛速前進,因此監護儀監護到的脈搏波,就和血流有關了。 血氧探頭由一個發光端和一個不發光端組成,這兩個端子便是脈搏儀的核心—光電式傳感器。 首先發光端發出光束,當夾到生物體特定位置時,皮膚、肌肉、骨骼、脂肪、血管壁等都會吸收光束,同一位置,這些吸收的光強度是恒定不變的,血液是流動的,它對光的吸收量就在發生變化。 當光電傳感器開始工作時,它接收的光就是被組織吸收剩下的,由于血液容積隨心臟的擴張與收縮周期性改變,心臟舒張時,血液容積量最小,血液對光的吸收作用弱,傳感器檢測到的光強度最大;心臟收縮時,容積量最大,傳感器檢測到的光強最小,呈現出了周期性。因此,變化著的光強度,產生了變化著的電信號,再通過中央處理器的分析,最終形成了血流容積圖(見圖1)。

圖1 血流容積

1.2 血氧飽和度

血液中被氧結合的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比,即血液中血氧的濃度。 其不僅是呼吸循環的重要生理參數,也是人體機能正常運作的重要指標。 其正常值在95%～99%,當低于90%時,多表明可能體內存在缺氧,低于80%屬于嚴重缺氧。

傳統的血氧飽和度測量法首先第一步是進行人體采血,然后使用電氣分析儀器對血液進行電化學分析,測量出血液的血氧飽和度。 但這種方法較為復雜,無法對人體進行連續持續的監測。

在測量時使用指套式光電傳感器,僅需要將傳感器套在人的手指上,手指錯位盛放血紅蛋白的容器,再利用紅外光作為光源,進而測定光傳導強并計算出血紅蛋白濃度和血氧飽和度,這也為臨床提供出了一種新的可持續監測的血氧測量儀器。

2 光電式傳感器在血氧飽和度和心率測量中的應用分析

光電傳感器,是利用光電器件把光信號轉換成電信號(電壓、電流、電阻等)的一種傳感器。 當光電式脈搏儀工作時,首先將血流量信號轉換成光量的變化,其次通過光電器件把光量的變化轉換成相應電量的變化,從而實現對血流量的測量。 由此可見,光電式脈搏儀的基本組成包括光路和電路兩大部分。

2.1 光電式脈搏儀的光譜分析

光是一種電磁波,按照波長或頻率次序排列的電磁波序列稱為光譜。 光的波長越短,對應的頻率就越高。 圖2 為可見光光譜范圍示意圖,對應的光譜范圍為380～780 nm。

生物組織光學中把波段在600 ～1 300 nm 光譜區間內稱作為生物體光譜之窗,這個波段里的光對于一些疾病的診斷具有獨特的意義。 在紅外線領域之外,水成了生物組織體內主導者,為了更好地獲取目標物質對光的吸取情況,波長應當規避水的吸收高峰。 因此在紅外光譜600～950 nm 范圍內,吸光能力主要成分包含了血液中的水、HbO2(氧合血紅蛋白)、RHb(還原血紅蛋白)以及外周的皮膚黑色素等組織。

在波長為660 nm 的紅光處,還原血紅蛋白對光的吸收比氧合血紅蛋白強十倍以上,而在波長為940 nm的紅外光處,還原血紅蛋白對光的吸收比氧合血紅蛋白弱得多,血液吸收特性如圖2 所示。

圖2 血液吸收特性

光電式脈搏儀是基于動脈搏動期間光吸收量的變化來進行計算。 采用發光二極管,分別位于可見紅光光譜和紅外光譜的兩個光源膠體照射被測試區,微處理器計算動脈血所吸收的這兩種光譜的比率,并將結果與指癢儀存儲器的飽和度數值進行比較,從而得出血氧飽和度。

2.2 光電式脈搏儀中的光電轉換器件

光電式脈搏傳感器由于采用不同的光敏元件有著多種實現方法,其中光敏元件主要有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管。

光敏電阻是由半導體材料制成的對光強敏感的一種光電器件。 無光照時,光敏電阻值很大,電路中電流很小。 當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時,它的阻值急劇減少,電路中電流迅速增大。 光敏二極管是利用PN 結的光生伏特效應,即光照在PN 結上時,PN結吸收光能,產生電動勢,在不受光照射時,處于截止狀態,受光照射時,處于導通狀態。 光敏三極管和普通三極管的結構相似,也有兩個PN 結。 不同之處在于光敏三極管有一個對光敏感的PN 結作為感光面,一般用集電結作為受光結。 由于光敏三極管將光信號轉換成電信號的同時,又將電流進行了放大,因此,光敏三極管比光敏二極管有更高的靈敏度[1]。

根據3 種光電元件均對可見光和紅外光的光譜特性敏感,因此在光電式脈搏儀的光電元件選擇中可以選擇3 種之一作為其光電接收元件。 應用時,將發光二極管(LED)和光敏器件組裝在一起,封裝在一個外殼內,通過光線實現耦合構成電—光和光—電轉換器件。

2.3 光電式脈搏儀的光路傳輸形式

根據光電式脈搏儀所使用的采集方式的不同,傳感器可分為透射式和反射式兩種類型。

其中透射式的發射光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置,接收的是透射光,這種方法可較好地反映出心律的時間關系,但不能精確測量出血液容積量的變化;反射式的發射光源和光敏器件位于同一側,接收的是血液漫反射回來的光,此信號可以精確地測得血管內容積變化[2]。

2.4 透射式脈搏血氧儀在心率測量中的方案分析

心率在臨床上是一種基礎而重要的生理參數,手指指尖有豐富的毛細血管網,這些毛細血管網里的血液體積不是恒定的,當心臟收縮時,血液流向全身血管,此時毛細血管里的血液體積增大,而當心臟舒張時,血液由靜脈回流到心臟。 此時,毛細血管里的血液體積減小,如果把手指指尖接近光源,在指甲上會發現手指指尖通紅,這說明皮膚并不是完全不透明的,雖然它吸收光線,但總有一些光線能透過手指到達另一端。 光線穿過手指指尖時,其中毛細血管中的血液體積隨著心臟跳動在規律地變化著,穿越手指的光線強度也隨著毛細血管中的血液體積的變化而變化。基于這個思想,可以設計一個指尖脈搏的測量方法,在指甲的一側放置發光二極管作為光源,在另一側放置一個光敏電阻,發光二極管和光敏電阻做到一個指套中,當穿過指尖的光線被毛細血管的血液體積變化影響時,光敏電阻的輸出信號會產生一個微小的對應變化,只要用放大器放大,就能看到指尖脈搏波了。給指尖脈搏波設一個閾值,高于這個閾值時輸出高電平,低于這個閾值時輸出低電平,就得到了對應脈搏的脈沖波,只要計算脈沖波的周期T,就可以得到心跳的周期,從而計算心率[3]。 心率測量方案如圖3所示。

圖3 心率測量方案

3 結語

本文通過分析人體脈搏波的形成過程和血氧飽和度的產生機制,設計了基于光電式傳感器的脈搏分析儀,以實現對血氧飽和度和心率兩種生理信號的檢測。通過進行人體光譜分析,選擇具有內光電效應的光電元件,以及透射式或反射式的光路傳輸形式,來采集血氧信號,實現了血氧飽和度的無創測量。