脈搏血氧飽和度測量原理及常見血氧探頭

高新軍，劉新穎

解放軍第306醫院 醫學工程科，北京100101

脈搏血氧飽和度測量原理及常見血氧探頭

高新軍，劉新穎

解放軍第306醫院 醫學工程科，北京100101

概述脈搏血氧飽和度的定義及測量原理和探頭產品實現方法，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，供醫學工程人員參考。

血氧飽和度測量儀；脈搏血氧飽和度；血氧探頭

1 脈搏血氧飽和度測量原理

血氧飽和度(SaO2)是反應血液中氧合血紅蛋白含量的一個參數，是氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比，它是呼吸循環的重要生理參數。臨床上通過監測動脈血氧飽和度(SaO2)對肺的氧合和血紅蛋白攜氧能力進行估計。

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

血氧濃度的測量通常分為電化學法和光學法兩類[1]。電化學分析法需行人體采血，再用血氣分析儀測出血氧分壓PO2從而計算出血氧飽和度，這是一種有創測量方法，且不能進行連續的監測。而光學測量法是采用光電傳感器的無創方法，它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，故將這種測量結果稱做脈搏(pluse)血氧飽和度(SpO2)。基礎研究表明，氧合血紅蛋白和去氧合血紅蛋白對不同波長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光的吸收是恒定不變的。當用兩種特定波長的光線照射組織時，運用Lambert-Bear定律并根據血氧飽和度的定義可推出動脈血氧飽和度的近似公式為：

圖 2 紅光與紅外光吸收比/血氧飽和度定標曲線

式中：R為兩種波長光線吸收率之比，a、b為常數，與儀器傳感器結構、測量條件有關。實際應用中因為生物組織是一個各向異性、強散射、弱吸收的復雜光學介質，無法單純以一個簡單公式直接獲取血氧飽和度，一般是通過測量雙光束吸收率之比R，然后通過經驗吸收比/定標曲線最終獲取氧飽和度，見圖2。而在選擇雙光束波長時，一般選擇入射光波長為660nm和940nm[1]。

2 血氧探頭傳感器結構

在產品結構實現上分為兩部分：血氧飽和度探頭和測量模塊。血氧飽和度探頭傳感器部由雙發射管(紅光和紅外光)和光敏二極管組成，見圖3。測量模塊驅動兩個發射管分別產生兩種波長的光線，經過人體組織——通常是透光好的肢端——傳遞到接收管，接收管把光信號轉變為電信號傳遞回測量模塊，經測量模塊處理，得到實時的血氧飽和度。測量模塊可單獨成機，成為血氧飽和度測量儀(計)，也可置入其它設備，如多參數床旁監護儀、麻醉監護儀。隨著技術的發展，光電法測量因其使用方便、可實時連續監測，已經從重癥監護病房、手術室的應用區域擴展到所有病房中。血氧傳感器(探頭)是無創法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。因數量多、使用率高，血氧探頭成為醫院維修率和更新率相當高的醫療器械，醫學工程科的技術人員應該掌握其技術原理和實際產品檢測方法，為新品驗收、報修品檢修、淘汰提供技術支持。

圖 3 指夾式探頭

血氧探頭傳感器端的內部結構基本上由上面說到的三個半導體器件組成，產品外形以指夾或指套或一次性粘貼封裝，兩個發射管多數為反向并聯，與光敏二極管正對，探頭另一端以接頭與血氧計相連。以指夾式探頭為例，手指伸到指夾內，發射管在指背側，光電管在指腹側，見圖3[3]。因不同批次的發射管甚至相同批次的發射管，發射光譜有差異，如果采用單一的吸收比血氧飽和度定標曲線將導致測量結果偏差，為了提高器件使用率，降低生產成本，探頭內增加了一個器件：特征電阻，在測量模塊內增加相應的定標曲線，測量模塊通過識別這個電阻來選取相應的飽和度定標曲線，做到硬件和軟件的匹配[2]。這種器件結構從20世紀80年代投入應用至今，基本上沒有變化，但探頭和血氧計或監護儀的連接接頭的形式上就五花八門了，可以說一個品牌一個樣子。下面是在維修中積累的我院血氧計、多參數監護儀使用的、也是醫院比較常見的幾個品牌血氧探頭接頭的外形和插針與探頭傳感器內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分別為紅色發光二極管、紅外發光二極管、光敏二極管。工程師可以依此用萬用表的二極管測試檔和電阻檔快速地進行檢測，萬用表(FLUKE17)二極管檔位下，正向壓降典型值：紅外發光管的是1.0V，紅色發光管是1.5V，光敏二極管是0.58V。

3.1 NELLCOR DURASENSOR (型號DS-100A)的探頭

NELLCOR DURASENSOR (型號DS-100A)的探頭是目前使用最廣泛的一種探頭，可直接插在監護儀主機上(如菲康LIFEPAK12監護儀)，也可通過轉接電纜接到主機上(如邁瑞PM8000、PM9000，GE DASH4000等監護儀)，RID=7.4kΩ，RID埋封在接頭內，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 探頭可直接插監護儀上(如Philips MP30監護儀)，也可通過轉接電纜接到主機上，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 監護儀使用的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監護儀上也得到了應用，我院使用的是國產兼容一體探頭，直接連接主機，RID=12.7kΩ，RID與發光二極管并聯，埋封在指夾或指套內，見圖6。

3.4 DATEX-OMEDHA OXYTIP+探頭

DATEX-OMEDHA OXYTIP+探頭通過延長電纜接到主機上，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，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 結束語

有了這些電氣連接圖，我們可以快速地對新品和報修品進行測量，縮小故障范圍，提高工作效率。對配備了福祿克(FLUKE)脈搏血氧模擬器(SPO2Simulator，型號Index 2XL)的單位，可以參考制作轉接頭，擴展探頭快速電氣測試的應用范圍。

[1] 柯子力,等.血氧飽和度檢測介紹[J].中國醫療器械信息,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.多參數監護儀放氣閥、手指按著故障與維修[J].中國醫療設備,2009(1):106.

[5] 謝正洋.無創血氧飽和度的測量及無線監測系統的研制[D].蘇州:蘇州大學,2009.

[6] 范靜輝.無創脈搏血氧飽和度監測系統的研究[D].南昌:南昌大學,2005.

[7] 姜遠海,等.臨床醫學工程技術[M].北京:科學出版社,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