反射式脈搏血氧模擬器設計與應用

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療器械，預期用于測量血氧飽和度，能夠為生命體征和健康狀態監測提供重要信息[1-2]。傳統的脈搏血氧儀以透射式光路設計[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，隨著傳感器技術的發展，聲稱可用于脈搏血氧測量的可穿戴產品越來越多，其形態包括手環、手表、頭帶等[5-10]，有些屬于醫療器械范疇，有些屬于一般健康產品。由于反射式脈搏血氧儀目前沒有專門的國家標準和行業標準，產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控。目前，業內已研制出能夠主動發光的反射式脈搏血氧模擬器[12]，由程序驅動光源產生光信號，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，以不同的方式產生脈搏血氧信號，用于產品的檢測。本文對該模擬器的技術參數進行了測量，在實際的產品檢測中進行了應用，有助于加強反射式脈搏血氧儀產品的質量評價工作。

1 裝置設計

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中的衰減，作為給脈搏血氧儀產品的輸入。血氧飽和度的測量在物理上主要依據朗伯-比爾定律。單色光通過均一、無散射介質層時，入射光強和出射光強之間滿足基本公式(1)所示的基本數學表述。

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

把介質層整體看作黑盒子，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，吸收過程中不同物質之間無相互作用，光與介質之間沒有散射。當多種吸光物質共存且無相互作用時，吸收系數表述如公式(3)所示。

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

根據方程組(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，需要根據實際情況進行修正。

對于透射式光路，假設組織對光的散射系數不隨脈搏發生變化，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，由于散射系數隨脈搏恒定的假設依然適用，光子傳播路徑近似不變，位于探測器同側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，與散射系數和組織形態有關，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。

1.2 模擬器與測量裝置開發

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顯示，結果如圖2所示，可見與血紅蛋白的摩爾消光系數處于同一數量級。

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 脈搏模擬器設計原理圖

模擬血管主要成分是硅膠，內徑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；蠕動泵的轉速可調，范圍是0～300轉/min。阻尼的作用是收緊模擬血管，產生阻力，與蠕動泵配合產生脈動流，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400 ms以下的光譜動態變化。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用

作為配合檢測設備，本文設計的脈搏模擬器在具體產品的檢驗檢測中進行了應用。這些試驗涉及電磁兼容、性能等內容，對模擬器的性能提供了驗證。

圖4 模擬器實物照片

2.1 電磁輻射發射試驗

為驗證模擬器自身的電磁輻射發射水平能否滿足配合電磁兼容試驗的需要，本文依據醫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，使用10米法進行輻射發射測試。為模擬最不利條件，充分評估脈搏模擬器的電磁發射水平，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，轉速設置在60轉/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射水平的測試，得到的結果如圖6所示?？梢?，脈搏模擬器與檢品組合后的電磁輻射發射水平較低，考慮到檢品本身會產生輻射發射信號，脈搏模擬器實際的電磁輻射發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射波形

值得注意的是，在輻射發射試驗中，檢品所記錄的總血紅蛋白濃度與人體數據較為接近，均為16～18 g/dL之間，變異系數為0.3%，說明模擬液能夠在實驗過程中保持穩定，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設值（60、90、120次/min），在脈搏模擬器單獨穩定運行時由已上市的透射式脈搏血氧儀產品記錄其脈率。脈率預設值為60、90、120次/min，脈率誤差分別為0.50%、0.67%、0.25%。

為提高測試的復雜度，將脈搏模擬器與多參數監護儀檢品聯用，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。脈率預設值為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計方案，使用蠕動泵產生脈動流，作為脈搏血氧儀產品的輸入。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，有助于滿足更多產品的檢測需求，比如中醫脈診儀。與常見的光電式血氧模擬器[18]相比，本文設計的模擬器不對脈搏血氧儀輸出的光信號進行感知、計算、調制，不主動產生光信號，對脈搏血氧儀產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射的時序，操作更加簡便。

根據現有標準和法規對脈搏血氧儀產品的要求，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，患者模擬器不應被用來確認血氧飽和度的準確率[19-20]。因此，本文設計的模擬器與業內其他模擬器的應用場景類似，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。根據本文的實驗結果，在實際的產品檢測中，該模擬器的電磁輻射發射水平較低，有利于配合脈搏血氧儀產品的電磁兼容測試。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、脈搏準確率等參數也經過了實際檢品的驗證，說明在產品檢測的應用具備初步的可行性。

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

4 結論

本文設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、蠕動泵轉速可根據需求進行調節，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，從而擴展應用場合。未來的研究可收集更多數據，例如建立具體產品、具體型號的血氧飽和度定標曲線，以擴展對產品性能的驗證能力。