血氧探頭的工作原理

血氧飽和度探頭是測定人體血液中的氧濃度即血氧飽和度的一種儀器，傳感器由兩只發(fā)光管和一只光電管組成，在外科手術或危重病人的監(jiān)護中可及時了解血液中氧含量。

隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術和相關學科的不斷發(fā)展， 醫(yī)用監(jiān)護儀器已成為醫(yī)用電子儀器不可缺少的一大類儀器， 在醫(yī)院中起著越來越重要的作用。監(jiān)護儀器的使用， 不僅減輕了醫(yī)務人員的勞動， 提高了護理工作的效率， 更重要的是使醫(yī)生能隨時了解病情，當出現(xiàn)危急情況時可及時進行處理，提高了護理質(zhì)量。在監(jiān)護的生理參數(shù)中，除了心電、血壓等之外，人體血液中的氧濃度即血氧飽和度的測定在臨床上也有十分重要的意義。在外科手術或危重病人的監(jiān)護中， 避免病人缺氧， 及時了解血液中氧含量是十分必要的。

不管哪種血氧探頭， 它的傳感器都由兩只發(fā)光管和一只光電管組成。其中一只發(fā)光管發(fā)出波長為660nm 的可見紅光，另一只發(fā)光管發(fā)出波長為920～950nm 之間的不可見紅外光， 各類探頭元器件上的差異不是很大， 只是接法上略有不同。它的內(nèi)部結構一般可分為3 種類型， 筆者用自己的語言將其分為交流型、共陽型、共陰型，結構示意分別為圖2、圖3、圖4。極性接法不同，發(fā)的光類不同，信號接收及輸出就不同?，F(xiàn)用血氧探頭內(nèi)部結構大致如此， 有一部分在接頭處裝置有不同阻值的電阻，作為探頭接與未接的檢測。

血氧探頭的工作原理

血氧探頭定義

血氧探頭，全稱為血氧飽和度探頭（英文SpO2 Sensor/SpO2 Probe），是指將探頭指套固定在病人指端，利用手指作為盛裝血紅蛋白的透明容器，使用波長660 nm的紅光和940 nm的近紅外光作為射入光源，測定通過組織床的光傳導強度，來計算血紅蛋白濃度及血氧飽和度。通過SpO2監(jiān)護，可以得到SpO2、脈率、脈搏波。應用于各種病人的血氧監(jiān)護，通常另一端是接心電監(jiān)護儀。

血氧飽和度定義

血氧飽和度是指血液中氧氣的最大溶解度，血液中氧氣結合主要是靠血紅蛋白。一般情況下不會發(fā)生什么改變，但是如果在一氧化碳含量較高的環(huán)境下就會發(fā)生變化，造成一氧化碳中毒，也就是煤氣中毒，因為一氧化碳與血紅蛋白的親和性很高，會優(yōu)先與一氧化碳結合，從而造成血液中氧氣含量降低發(fā)生危險。正常人體動脈血的血氧飽和度為98% 、靜脈血為75%。

一般認為SpO2正常應不低于94%，在94%以下為供氧不足。有學者將SpO2《90%定為低氧血癥的標準，并認為當SpO2高于70%時準確性可達±2%，SpO2低于70%時則可有誤差。臨床上曾對數(shù)例病人的SpO2數(shù)值，與動脈血氧飽和度數(shù)值進行對照，認為SpO2讀數(shù)可反映病人的呼吸功能，并在一定程度上*脈血氧的變化。胸外科術后病人除個別病例臨床癥狀與數(shù)值不符需作血氣分析外，常規(guī)應用脈搏血氧飽和度監(jiān)測，可為臨床觀察病情變化提供有意義的指標，避免了病人反復采血，也減少護士的工作量，值得推廣。

血氧探頭工作原理

1、功能與原理

脈搏血氧飽和度SpO2指的是血氧含量與血氧容量的百分比值。SpO2作為一種無創(chuàng)的、反應快速的、安全的、可靠的連續(xù)監(jiān)測指標，已經(jīng)得到公認。 目前在麻醉、手術以及PACU和ICU中得以廣泛使用。根據(jù)氧合血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白（Hb）在紅光和紅外光區(qū)域的光譜特性，可知在紅光區(qū)（600～700nm）HbO2和Hb的吸收差別很大，血液的光吸收程度和光散射程度極大地依賴于血氧飽和度；而在紅外光譜區(qū)（800～1000nm），則吸收差別較大，血液的光吸收程度和光散射程度主要與血紅蛋白含量有關，所以，HbO2和Hb的含量不同吸收光譜也不同，因此血氧飽和度儀血液導管中的血無論是動脈血還是靜脈血飽和度儀均能根據(jù)HbO2和Hb的含量準確地反映出血氧飽和度。

血液在波長660nm附近和900nm附近反射之比（ρ660/900）最敏感地反映出血氧飽和度的變化，臨床一般血氧飽和度儀（如泰嘉電子Taijia飽和度儀、脈搏血氧儀）也采用該比值作為變量。在光傳導的途徑上，除動脈血血紅蛋白吸收光外，其他組織（如皮膚、軟組織、靜脈血和毛細血管血液）也可吸收光。但入射光經(jīng)過手指或耳垂時，光可被搏動性血液和其他組織同時吸收，但兩者吸收的光強度是不同的，搏動性動脈血吸收的光強度（AC）隨著動脈壓力波的變化而改變。而其他組織吸收的光強度（DC）不隨搏動和時間而改變，由此，就可計算出在兩個波長中的光吸收比率R。R=（AC660/DC660）/（AC940/DC940）。R與SpO2呈負相關，根據(jù)R值，由標準曲線可得出相應的SpO2值。

2、探頭的特點與優(yōu)勢

SpO2儀包括探頭、功能模塊和顯示部分三個主要部件。對于市場上大部分的監(jiān)護儀來說，檢測SpO2的技術都已經(jīng)很成熟。一臺監(jiān)護儀所檢測得到的SpO2值準確與否，很大程度上與探頭有關，其中影響探頭檢測的因素很多，探頭所用的檢測器件、醫(yī)用導線、連接工藝等都會影響檢測結果。

（1）檢測器件：檢測信號的發(fā)光二極管和光電探測器件是探頭的核心部件。也是決定檢測數(shù)值準確與否的關鍵所在。理論上的紅光波長為660nm，紅外光為940nm時檢測得到的數(shù)值比較理想，但由于制造器件的工藝的復雜，所生產(chǎn)出來的紅光，紅外光的波長總有偏差。光波長的偏差的大小將影響所檢測的數(shù)值。所以發(fā)光二極管和光電檢測器件的制造工藝就顯得很重要了。R-RUI采用的是福路科的檢測設備，無論是在精度上，還是在可靠性上都很有優(yōu)勢。

（2）醫(yī)用導線：除了材料使用進口的外（在高彈力強度、抗腐蝕性都很可靠），還設計采用了雙層屏蔽，較單層或全無屏蔽更能抑制噪聲干擾，保持信號完整。 （3）軟墊：R-RUI生產(chǎn)的探頭采用的是一種特殊設計的軟墊（指墊），這種軟墊舒適、可靠，接觸皮膚無過敏性，可適用于不同體形的病人。并且采用的是全裹式設計，可避免因手指動作漏光而導致干擾。

（4）指夾：本體指夾采用防火級無毒ABS的材料，堅固不易損壞。在指夾上還設計采用了遮光板，可以更好地屏蔽外圍光源。

（5）一般SpO2損壞的主要原因之一是由于彈簧松脫，彈力不足以至夾力不足，R-RUI采用高張力電鍍碳鋼彈簧，可靠耐用。

（6）端子：為了確保探頭的可靠連接耐用，考慮信號傳遞過程中的衰減在與監(jiān)護儀的連接端子上，采用特殊工藝鍍金端子。

（7）連接工藝：探頭的連接工藝對于檢測結果來說也很重要，軟墊所放的位置均經(jīng)過校正測試，以確保檢測器件發(fā)射器與接收器的位置正確。

（8）在精度上，確保在SpO2值為70%——100%時，誤差不超過正負2%，精度要更高，從而使得檢測結果更可靠。

3、血氧探頭的種類

（1）可重復使用脈搏血氧飽和探頭

可重復成人指夾式血氧探頭

可重復兒童指夾式血氧探頭

可重復成人硅膠指套式血氧探頭

可重復兒童硅膠指套式血氧探頭

可重復嬰兒硅膠包裹帶血氧探頭

可重復成人耳夾式血氧探頭

可重復動物指夾式血氧探頭

（2）一次性使用脈搏血氧飽和探頭

一次性醫(yī)用無紡布血氧探頭

一次性醫(yī)用泡沫膠血氧探頭

一次性成人指夾式血氧探頭

一次性兒童指夾式血氧探頭

一次性成人硅膠指套式血氧探頭

一次性兒童硅膠指套式血氧探頭

一次性嬰兒硅膠包裹帶血氧探頭

一次性成人耳夾式血氧探頭

一次性動物指夾式血氧探頭

血氧飽和度檢測的基本原理

氧是維系人類生命的基礎，心臟的收縮和舒張使得人體的血液脈動地流過肺部，一定量的還原血紅蛋白（HbR）與肺部中攝取的氧氣結合成氧和血紅蛋白（HbO2），另有約2％的氧溶解在血漿里。這些血液通過動脈一直輸送到毛細血管，然后在毛細血管中將氧釋放，以維持組織細胞的新陳代謝。血氧飽和度（SpO2）是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，它是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。而功能性氧飽和度為HbO2濃度與HbO2 Hb濃度之比，有別于氧合血紅蛋白所占百分數(shù)。因此，監(jiān)測動脈血氧飽和度（SaO2）可以對肺的氧合和血紅蛋白攜氧能力進行估計。

2.1 血氧飽和度檢測分類

血氧濃度的測量通常分為電化學法和光學法兩類。

傳統(tǒng)的電化學法血氧飽和度測量要先進行人體采血（最常采用的是取動脈血），再利用血氣分析儀進行電化學分析，在數(shù)分鐘內(nèi)測得動脈氧分壓（PaO2），并計算出動脈血氧飽和度（SaO2）。由于這種方法需要動脈穿刺或者插管，給病人造成痛苦，且不能連續(xù)監(jiān)測，因此當處于危險狀況時，就不易使病人得到及時的治療。電化學法的優(yōu)點是測量結果精確可靠，缺點是比較麻煩，且不能進行連續(xù)的監(jiān)測，是一種有損傷的血氧測定法。

光學法是一種克服了電化學法的缺點的新型光學測量方法，它是一種連續(xù)無損傷血氧測量方法，可用于急救病房、手術室、恢復室和睡眠研究中。目前采用最多的是脈搏血氧測定法（Pulse Oximetry/血氧儀），其原理是檢測血液對光吸收量的變化，測量氧合血紅蛋白（HbO2）占全部血紅蛋白（Hb）的百分比，從而直接求得SpO2。該方法的優(yōu)點是可以做到對人體連續(xù)無損傷測量，且儀器使用簡單方便，所以它已得到越來越普遍的重視。缺點是測量精度比電化學法低，非凡是在血氧值較低時產(chǎn)生的誤差較大。先后出現(xiàn)了耳式血氧計，多波長血氧計及新近問世的脈搏式血氧計。最新的脈搏式血氧計的測量誤差已經(jīng)可以控制在1％以內(nèi)，達到臨床使用的要求。盡管它們在某些方面還不盡如人意，但其所產(chǎn)生的臨床效益已被廣泛認同。

2.2 無損傷血氧飽和度檢測原理

臨床上多用功能氧飽和度來反映血液中氧含量的變化。無損傷血氧飽和度測量是基于動脈血液對光的吸收量隨動脈搏動而變化的原理來進行測量的?；A研究表明，氧合血紅蛋白和非氧合血紅蛋白對不同波長入射光有著不同的吸收率。當單色光垂直照射人體，動脈血液對光的吸收量將隨透光區(qū)域動脈血管搏動而變化，而皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等其他組織對光的吸收是恒定不變的。當用兩種特定波長的恒定光λ1、λ2照射手指時，假如適當選擇入射光波長λ1（HbO2、Hb在此處具有等吸收特性，即約805nm），運用Lambert-Bear定律并根據(jù)氧飽和度的定義可推出動脈血氧飽和度的近似公式為： SaO2=a bQ

式中：Q為兩種波長（HbO2、Hb）的吸光度變化之比a、b為常數(shù)，與儀器傳感器結構、測量條件有關。

注重到生物組織是一個各向異性、強散射、弱吸收的復雜光學介質(zhì)，因此在實際測量中無法用一個嚴格的公式來描述，所以一般是通過測量雙光束吸光度變化之比，然后通過經(jīng)驗定標曲線最終獲取氧飽和度。而在選擇雙光束波長時，一般選擇入射光波長為660nm和940nm。

2.3 無損傷血氧飽和度檢測用光電傳感器

血氧傳感器是檢測血氧飽和度的重要部件，它的損壞會直接導致檢測不準或整機癱瘓無法工作。血氧傳感器按外形主要可以分為指套型、耳垂型、包裹型和粘附型，按用途又可分為成人型和兒童型、嬰兒型幾種。不論外形和類型如何，血氧傳感器的原理構成是一樣的，它們均由發(fā)光器件和接收器件組成。發(fā)光器件是由波長為660nm（650nm）的紅光和波長為940nm（910nm）的紅外光發(fā)射管組成。光敏接收器件大都采用接收面積大，靈敏度高，暗電流小，噪聲低的PIN型光敏二極管，由它將接收到的入射光信號轉(zhuǎn)換成電信號。

最新開發(fā)的脈搏血氧計大多采用的是指套式傳感器探頭。使用時探頭套在指尖上。指套上壁固定了兩個并列放置的發(fā)光二極管，發(fā)光波長分別為660nm紅光和940nm紅外光。下壁是一個光敏接收器件，它將透射過手指的紅光和紅外光轉(zhuǎn)換成電信號。血氧計運行時，分時驅(qū)動電路讓兩個發(fā)光二極管按一定的時間間隔并以較低的占空比分別發(fā)光，根據(jù)光二極管發(fā)光強度與光電管接收到的透射光的強弱比值可分別計算出全血吸收率a660和a940，然后結合實驗標定的系數(shù)A和B，代入前述公式中，就可以算得血氧飽和度的數(shù)值了。

2.4 血氧儀系統(tǒng)框圖

脈搏血氧儀一般由血氧飽和度檢測模塊、工控機或PC機、血氧檢測探頭（一般為指套式）等部分組成。也有些是直接研制成一體的或便攜式的。假如采用的是已經(jīng)研制好的血氧飽和度檢測模塊來搭建的系統(tǒng)，由于模塊與工控機或PC機之間的電平電壓不同，它們之間還要通過電平轉(zhuǎn)換模塊連接起來，這樣才能夠進行正確的通訊。

3 脈搏血氧計的操作使用

是否能夠正確操作使用血氧計，關系到檢測結果的準確性。透射式脈搏血氧計多以手指、耳垂、腳趾等作為檢測部位，因為這些部位是光線最輕易透射過的部位。而對于采用指套式傳感探頭的脈搏血氧計，檢測前最好應將手指、指甲部位清洗干凈，否則假如臟物過多，會阻礙光線的透射，從而對測量結果造成一定的影響。測量時將中指夾在指套里，注重指甲應正對上壁的發(fā)光管，夾好后還應注重指套四面是否密閉嚴實，以避免環(huán)境光的干擾。指套夾好并開機后，等待測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后就可以讀出血氧飽和度了，現(xiàn)在的血氧計一般還可以讀出脈率值和脈搏波形。

血氧探頭的工作原理

1、功能與原理脈搏血氧飽和度SPO2指的是血氧含量與血氧容量的百分比值。SPO2作為一種無創(chuàng)的、反應快速的、安全的、可靠的連續(xù)監(jiān)測指標，已經(jīng)得到公認。目前在麻醉、手術以及PACU和ICU中得以廣泛使用。根據(jù)氧合血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白（Hb）在紅光和紅外光區(qū)域的光譜特性，可知在紅光區(qū)（600～700nm）HbO2和Hb的吸收差別很大，血液的光吸收程度和光散射程度極大地依賴于血氧飽和度；而在紅外光譜區(qū)（800～1000nm），則吸收差別較大，血液的光吸收程度和光散射程度主要與血紅蛋白含量有關，所以，HbO2和Hb的含量不同吸收光譜也不同，因此血氧飽和度儀血液導管中的血無論是動脈血還是靜脈血飽和度儀均能根據(jù)HbO2和Hb的含量準確地反映出血氧飽和度?！常貉涸诓ㄩL660nm附近和900nm附近反射之比（ρ660/900）最敏感地反映出血氧飽和度的變化，臨床一般血氧飽和度儀（如Baxter飽和度儀）也采用該比值作為變量。在光傳導的途徑上，除動脈血血紅蛋白吸收光外，其他組織（如皮膚、軟組織、靜脈血和毛細血管血液）也可吸收光。但入射光經(jīng)過手指或耳垂時，光可被搏動性血液和其他組織同時吸收，但兩者吸收的光強度是不同的，搏動性動脈血吸收的光強度（AC）隨著動脈壓力波的變化而改變。而其他組織吸收的光強度（DC）不隨搏動和時間而改變，由此，就可計算出在兩個波長中的光吸收比率R。R=（AC660/DC660）/（AC940/DC940）。R與SPO2呈負相關，根據(jù)R值，由標準曲線可得出相應的SPO2值。

2、探頭的特點與優(yōu)勢：SPO2儀包括探頭、功能模塊和顯示部分三個主要部件。對于市場上大部分的監(jiān)護儀來說，檢測SPO2的技術都已經(jīng)很成熟。一臺監(jiān)護儀所檢測得到的SPO2值準確與否，很大程度上與探頭有關，其中影響探頭檢測的因素很多，探頭所用的檢測器件、醫(yī)用導線、連接工藝等都會影響檢測結果。1.檢測器件：檢測信號的發(fā)光二極管和光電探測器件是探頭的核心部件。也是決定檢測數(shù)值準確與否的關鍵所在。理論上的紅光波長為660nm，紅外光為940nm時檢測得到的數(shù)值比較理想，但由于制造器件的工藝的復雜，所生產(chǎn)出來的紅光，紅外光的波長總有偏差。光波長的偏差的大小將影響所檢測的數(shù)值。所以發(fā)光二極管和光電檢測器件的制造工藝就顯得很重要了。我們提供的血氧探頭采用的是福路科的檢測設備，無論是在精度上，還是在可靠性上都很有優(yōu)勢。2.醫(yī)用導線：除了材料使用進口的外（在高彈力強度、抗腐蝕性都很可靠），還設計采用了雙層屏蔽，較單層或全無屏蔽更能抑制噪聲干擾，保持信號完整。3.軟墊：我們提供的探頭采用的是一種特殊設計的軟墊（指墊），這種軟墊舒適、可靠，接觸皮膚無過敏性，可適用于不同體形的病人。并且采用的是全裹式設計，可避免因手指動作漏光而導致干擾。4.指夾：本體指夾采用防火級無毒ABS的材料，堅固不易損壞。在指夾上還設計采用了遮光板，可以更好地屏蔽外圍光源。5.一般SPO2損壞的主要原因之一是由于彈簧松脫，彈力不足以至夾力不足，我們采用高張力電鍍碳鋼彈簧，可靠耐用。6.端子：為了確保探頭的可靠連接耐用，考慮信號傳遞過程中的衰減在與監(jiān)護儀的連接端子上，采用特殊工藝鍍金端子。7.連接工藝：探頭的連接工藝對于檢測結果來說也很重要，軟墊所放的位置均經(jīng)過校正測試，以確保檢測器件發(fā)射器與接收器的位置正確。8.在精度上，確保在SPO2值為70%~~100%時，誤差不超過正負2%，精度要更高，從而使得檢測結果更可靠。