脉搏血氧饱和度测量原理及常见血氧探头

高新军，刘新颖

解放军第306医院 医学工程科，北京100101

脉搏血氧饱和度测量原理及常见血氧探头

高新军，刘新颖

解放军第306医院 医学工程科，北京100101

概述脉搏血氧饱和度的定义及测量原理和探头产品实现方法，并提供了几种常见品牌血氧探头传感器与接头插针的电气连接图，供医学工程人员参考。

血氧饱和度测量仪；脉搏血氧饱和度；血氧探头

1 脉搏血氧饱和度测量原理

血氧饱和度(SaO2)是反应血液中氧合血红蛋白含量的一个参数，是氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，它是呼吸循环的重要生理参数。临床上通过监测动脉血氧饱和度(SaO2)对肺的氧合和血红蛋白携氧能力进行估计。

图 1 发光二极管的发光光谱及不同血氧浓度血液对光线的吸收率曲线，虚线是50%血氧浓度吸收率曲线

血氧浓度的测量通常分为电化学法和光学法两类[1]。电化学分析法需行人体采血，再用血气分析仪测出血氧分压PO2从而计算出血氧饱和度，这是一种有创测量方法，且不能进行连续的监测。而光学测量法是采用光电传感器的无创方法，它是基于动脉血液对光的吸收量随动脉搏动而变化的原理来进行测量的，故将这种测量结果称做脉搏(pluse)血氧饱和度(SpO2)。基础研究表明，氧合血红蛋白和去氧合血红蛋白对不同波长入射光有着不同的吸收率，见图1，而皮肤、肌肉、骨骼和静脉血等其他组织对光的吸收是恒定不变的。当用两种特定波长的光线照射组织时，运用Lambert-Bear定律并根据血氧饱和度的定义可推出动脉血氧饱和度的近似公式为：

图 2 红光与红外光吸收比/血氧饱和度定标曲线

式中：R为两种波长光线吸收率之比，a、b为常数，与仪器传感器结构、测量条件有关。实际应用中因为生物组织是一个各向异性、强散射、弱吸收的复杂光学介质，无法单纯以一个简单公式直接获取血氧饱和度，一般是通过测量双光束吸收率之比R，然后通过经验吸收比/定标曲线最终获取氧饱和度，见图2。而在选择双光束波长时，一般选择入射光波长为660nm和940nm[1]。

2 血氧探头传感器结构

在产品结构实现上分为两部分：血氧饱和度探头和测量模块。血氧饱和度探头传感器部由双发射管(红光和红外光)和光敏二极管组成，见图3。测量模块驱动两个发射管分别产生两种波长的光线，经过人体组织——通常是透光好的肢端——传递到接收管，接收管把光信号转变为电信号传递回测量模块，经测量模块处理，得到实时的血氧饱和度。测量模块可单独成机，成为血氧饱和度测量仪(计)，也可置入其它设备，如多参数床旁监护仪、麻醉监护仪。随着技术的发展，光电法测量因其使用方便、可实时连续监测，已经从重症监护病房、手术室的应用区域扩展到所有病房中。血氧传感器(探头)是无创法检测血氧饱和度的重要部件，它的损坏会直接导致检测不准或整机瘫痪无法工作。因数量多、使用率高，血氧探头成为医院维修率和更新率相当高的医疗器械，医学工程科的技术人员应该掌握其技术原理和实际产品检测方法，为新品验收、报修品检修、淘汰提供技术支持。

图 3 指夹式探头

血氧探头传感器端的内部结构基本上由上面说到的三个半导体器件组成，产品外形以指夹或指套或一次性粘贴封装，两个发射管多数为反向并联，与光敏二极管正对，探头另一端以接头与血氧计相连。以指夹式探头为例，手指伸到指夹内，发射管在指背侧，光电管在指腹侧，见图3[3]。因不同批次的发射管甚至相同批次的发射管，发射光谱有差异，如果采用单一的吸收比血氧饱和度定标曲线将导致测量结果偏差，为了提高器件使用率，降低生产成本，探头内增加了一个器件：特征电阻，在测量模块内增加相应的定标曲线，测量模块通过识别这个电阻来选取相应的饱和度定标曲线，做到硬件和软件的匹配[2]。这种器件结构从20世纪80年代投入应用至今，基本上没有变化，但探头和血氧计或监护仪的连接接头的形式上就五花八门了，可以说一个品牌一个样子。下面是在维修中积累的我院血氧计、多参数监护仪使用的、也是医院比较常见的几个品牌血氧探头接头的外形和插针与探头传感器内部器件的电气连接图。

3 常见血氧探头

图4~图7是比较常见的几种血氧探头电气连接图，其中RID为特征电阻，R、IR、PD分别为红色发光二极管、红外发光二极管、光敏二极管。工程师可以依此用万用表的二极管测试档和电阻档快速地进行检测，万用表(FLUKE17)二极管档位下，正向压降典型值：红外发光管的是1.0V，红色发光管是1.5V，光敏二极管是0.58V。

3.1 NELLCOR DURASENSOR (型号DS-100A)的探头

NELLCOR DURASENSOR (型号DS-100A)的探头是目前使用最广泛的一种探头，可直接插在监护仪主机上(如菲康LIFEPAK12监护仪)，也可通过转接电缆接到主机上(如迈瑞PM8000、PM9000，GE DASH4000等监护仪)，RID=7.4kΩ，RID埋封在接头内，见图4。

图 4 NELLCOR DS-100A血氧探头传感器与接头的电气连接

3.2 Philips M1191A 探头

Philips M1191A 探头可直接插监护仪上(如Philips MP30监护仪)，也可通过转接电缆接到主机上，RID=2.0kΩ，见图5。

图 5 Philips M1191A血氧探头传感器与接头插针的电气连接

3.3 MASIMO SET 探头

图 6 GE DASH4000 监护仪使用的Masimo SET血氧探头

传感器与接头插针的电气连接

MASIMO SET 探头在GE DASH4000监护仪上也得到了应用，我院使用的是国产兼容一体探头，直接连接主机，RID=12.7kΩ，RID与发光二极管并联，埋封在指夹或指套内，见图6。

3.4 DATEX-OMEDHA OXYTIP+探头

DATEX-OMEDHA OXYTIP+探头通过延长电缆接到主机上，RID=90.9kΩ，也有特征电阻为82.0 kΩ的探头，RID埋封在血氧探头接头内，见图7。此接头比较容易拆解，常见故障是压线接触不好和RID虚焊。

图 7 DATEX-OMEDHA OXYTIP+血氧探头传感器与接头插针的电气连接

5 结束语

有了这些电气连接图，我们可以快速地对新品和报修品进行测量，缩小故障范围，提高工作效率。对配备了福禄克(FLUKE)脉搏血氧模拟器(SPO2Simulator，型号Index 2XL)的单位，可以参考制作转接头，扩展探头快速电气测试的应用范围。

[1] 柯子力,等.血氧饱和度检测介绍[J].中国医疗器械信息,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] 于彦,等.多参数监护仪放气阀、手指按着故障与维修[J].中国医疗设备,2009(1):106.

[5] 谢正洋.无创血氧饱和度的测量及无线监测系统的研制[D].苏州:苏州大学,2009.

[6] 范静辉.无创脉搏血氧饱和度监测系统的研究[D].南昌:南昌大学,2005.

[7] 姜远海,等.临床医学工程技术[M].北京:科学出版社,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

作者邮箱：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