医用氧气浓度监测与校准方法

叶继伦 李明月 王磊 但果 宋学东

1 深圳大学生物医学工程学院 （广东 深圳 518000）

2 深圳市惟拓力医疗电子有限公司 （广东 深圳 518000）

3 中科院深圳先进技术研究院 （广东 深圳 518000）

内容提要： 医用氧气是医院麻醉、重症监护、急诊等科室的常用气体，对医用氧气浓度进行准确的实时监测是保证临床用氧安全的必要手段。目前，针对不同的预期应用，常用的氧气监测方法有电化学法、顺磁法以及利用超声技术实现氧气浓度监测的方法。重点介绍上述几种方法的工作原理，并针对临床氧气监测需要进行定期校零与校准的实际情况，提出一种医用氧气浓度的校准方法，对深圳惟拓力医疗电子公司研发的顺磁氧监测模块按该方法进行测试，结果表明其具有良好的校零与校准效果。该方法学可为相关产品校准提供一定参考。

医用气体系统作为生命支持系统是保证医疗安全性的必要条件之一，也是医疗工程系统的一个重要组成部分。医用气体包含医用空气、二氧化碳、氧气、氮气以及笑气等气体，这些气体主要用于治疗、麻醉、驱动医疗设备或者胚胎的培养等。其中，医用氧气在临床上常用于一些心脑血管系统疾病、呼吸系统疾病以及缺氧性疾病的治疗，如因溺水、亚硝酸、一氧化碳等因素所致的休克治疗。同时，氧气作为一种直接参与人体呼吸、促进人体新陈代谢所必需的气体，其浓度变化直接反映着人体的代谢、通气以及循环的状态。然而，医用氧气在维护危重症患者生命、促进患者康复中发挥着不可或缺作用的同时，也由于其助燃的特殊性质而在使用方面存在一定的风险性[1]。因此，建立安全可靠的医用氧气保障系统一直是人们研究和关注的焦点之一[2]。尤其是在近两年受新型冠状病毒感染的影响，医用氧气市场需求攀升，用氧安全问题也受到了广泛的关注。

在临床应用上，影响患者用氧安全及效果的因素中氧气浓度最为关键，氧气浓度的准确监测对医用氧气的安全使用来说至关重要，尤其是在医学仪器中的应用，如多参数监护仪、呼吸机、麻醉机等都需要氧气浓度的监测功能[3]。在临床手术过程中，对氧气的浓度进行持续监测能够帮助医生对患者的生理状况和呼吸机等医疗设备的通气故障及时进行初步的判断，从而指导医生操作治疗，有效地提高了手术的安全性，同时可减少医疗事故的发生，对医疗卫生产业意义重大[4]。

一般对于使用中的氧气浓度及持续时间等是需要量化的。目前已经有多种方法可用于氧气浓度监测，通过不同原理的氧传感器实现，其中，主流方法有电化学法、顺磁法和超声法等。针对不同的预期应用所选择的氧气监测方法不同，如在麻醉机、保育箱中常选用电化学氧传感器，在多参数监护仪中常采用顺磁氧传感器，而制氧机中使用超声氧传感器较多，这些传感器测量原理不同，预期应用也不同。本文将重点介绍几种主流氧传感器的工作原理及其利弊性，并提出一种用于氧气监测设备校零与校准的方法，其方法学可为相关产品的校准提供参考。

1.医用氧气浓度监测原理

1.1 电化学法

电化学氧传感器采用的是氧气与隔膜材料发生电化学反应后产生稳定电动势的方法，这个电势与输入氧浓度成正比，典型是由深圳安维森公司提供的电化学氧传感器产品OOM102-1，该传感器通过电化学反应将氧气浓度转化为一个稳定的模拟电压信号输出，因其功耗低、测量气体的种类范围广和灵敏度高等优点被广泛使用[5-7]。但是这类传感器由于其隔膜材料会参与到氧化反应中，从而使该类氧传感器有一定的使用期限，当所有可利用的材料被完全氧化，传感器就会停止工作。由于其线性输出的优异特性，深圳惟拓力医疗电子公司也开发了基于这类传感器的掌式氧气监测仪，如图1所示。

图1 .OOM102-1 电化学氧传感器及监测设备

1.2 顺磁法

顺磁氧传感器利用的是被测气体的磁场敏感特性而实现的氧浓度测量方法。大多数气体以抗磁方式运行，而氧分子则表现出强烈的顺磁效应，即当外界存在磁场时，氧气就会被吸入到磁场中，这一特性能将氧气从大多数气体中区别出来[8,9]。其原理是在测量空间建立一个微型磁场，可以是静磁场或者交变电磁场，其中静磁场方式下的测量方法实现是在具有梯度的磁场中，建立两个充满氮气的球状体，固定在一个可以转动的同轴支架上，此组件被称为“哑铃”，并附加线圈构成扭矩秤。被测气体中的氧气一旦被吸入磁场，那么磁场强的区域氧分子密度就比较大，而磁场比较弱的区域氧分子密度就比较小，从而使磁场梯度的方向上存在一个正比于氧气含量的压差使球体受到一个推力，形成一个力矩，使哑铃发生偏转，力矩的大小或者哑铃偏转的程度与混合气体中氧气的含量呈线性关系[10-12]。哑铃的偏转位置又可通过一套由光源、反射镜以及感光元件组成的光学装置和一对光电池和放电器来测定，从而构成对通入气体中氧气浓度的绝对测量，原理示意图如图2所示。典型的产品如Servomex公司的氧气分析仪，即采用顺磁性传感装置来实现氧气百分比的测量，产品如图3所示。

图2 .静磁场下的顺磁式氧传感器原理示意图

图3 .基于顺磁原理的氧监测仪

而交变电磁场方式下的氧浓度测量方法是在具有100～200Hz的交变频率（调制频率）的磁场中，建立参考气体和待测氧气双路输入，并具有气压平衡控制的单一混合输入的气路架构，二路气路在交变磁场的作用下会产生气压差，该气压差可被检测为一组持续波动的交流信号，波动信号的强度与待测气体中的氧气浓度成正比。标定得到该比例关系后，即可通过输出的交流信号强度计算出待测气体中的氧气浓度值，从而构成一个以输入参考气体中的氧气浓度作为参比的相对氧气浓度测量系统，这里的参考气体常选取氧气浓度为21%的大气作为参考气体。典型的产品如深圳市惟拓力公司研发的M7型顺磁氧监测模块，如图4所示。

图4 .M7 型顺磁氧监测模块

基于电化学和顺磁氧传感器的氧气浓度监测方法所获得的电流/电压信号都与待测氧气浓度成正比，关系式见公式（1）。

注：式中CO2%,Cx代表被测气体的氧气浓度，ADCx表示CO2%,Cx氧气浓度下的系统采样值，K为比例系数。

为了实现氧气浓度的实时、准确测量，还需要进行校零、校准的标定工作。以输入100%浓度的N2作为零氧气值ADC0，100%浓度的O2作为最大氧气测量值ADC100，则给出以下的公式（2）。

将公式（2）式的计算结果K值代入公式（1）中即可给出待测气体中氧气浓度的测量值。

根据以上所述的氧气浓度测量方法可知，在测量中获取与氧气浓度成正比的电压或电流信号值是一种直接测量方法，而且无论是电化学方法还是顺磁法测量氧气浓度，在临床应用中受其他气体干扰的影响均可忽略不计。

1.3 超声法

超声氧传感器检测氧气浓度是利用超声波在一定长管道内的传播速度随管道内介质浓度变化而变化的这一特性。对于不同的氧气浓度见公式（3）[13]：

注：c为超声波在管道内的传播速度，T为气体温度，P为气体压力。

在实际测量中，气压P可被视为恒定不变的量，因此超声波在定长管道内的传播时间取决于管道内氧气的浓度和温度。

放置在定长、定直径管道两端的超声换能器用于发射单脉冲超声波和接收超声信号，气体从管道的一端流入，另一端流出[14-16]。超声波在管道内顺流方向传播时速度较大，逆流方向传播时速度较小，因此分别检测超声波在顺流和逆流情况下通过定长管道的传播时间可同时得到气体流速和超声波在管道内的传播速度。气体温度可通过在管道内放置一温度传感器测量获取。使用不同氧气浓度的气体分别在不同温度下进行标定，拟合出氧气浓度与超声波传播时间、气体温度之间的关系，氧气浓度关于该传播时间和温度的系数通过最小二乘曲面拟合的方法获得[13]。典型的超声氧传感器模块如图5所示。

图5 .超声波氧传感器

本文介绍的上述三种氧气监测方法，其优缺点对比见表1。其中电化学方法以消耗化学材料为基础，传感器中的材料在一定时间内会被完全氧化，因此这类传感器有寿命限制，但具有优异的线性输出和低功耗特性。顺磁式氧传感器利用的是氧气的顺磁特性，为纯物理测量原理，所以理论上无消耗，也就是无寿命限制，同时具备线性和重复性好、灵敏度高的特点。寿命限制是上述二种测量方法的最大区别，此外两者在响应时间上也存在一定的差异，通常顺磁法的响应时间要高于电化学方法，因此基于顺磁法的氧气浓度测量系统可以输出反映呼吸过程中的实时氧气浓度值，并形成呼吸波形。而超声波氧传感器利用的是超声波在不同气体浓度中的传播速度不同这一特性，同时要把温度的影响也考虑进去，因此相对于前两者来说，标定工作较为繁琐。

表1 .氧气测量方法优缺点对比

2.检查与校准方法

基于上述测量原理的氧气测量通常会设计成一个独立的氧气测量模块，并结合一个主控板及显示器等构成一个完整的氧气监测系统，如氧气浓度监测仪。同时，独立的氧气测量模块可以与多参数监护系统结合，形成具有氧气监测功能的多参数监护仪，还可以与麻醉机系统结合，形成有氧气监测功能的麻醉机，这些具有氧气监测功能的仪器除了出厂前需要进行校零、校准实现出厂氧气监测的品质控制外，在后续的实际临床应用中还需要定期进行氧气浓度测量准确性的检查和校验。为了确保在用户端的准确监测和安全使用，通常在仪器投放医院使用后每年都应该对该仪器的氧气测量功能进行检查和调校，针对监测系统获取的电压/电流信号与待测氧气浓度成线性关系的仪器，其氧气测量功能检查需要按以下检测方法进行：①常规检查，可先在气路输入端接入大气，观察氧气浓度是否是21%，主要是针对海平面附近的使用区域。②最大值范围检查，需要准备100%浓度的O2，接入气路输入端，观察氧气浓度是否是100%。如果上述二个步骤的检查都是正确的，并符合被检测仪器的测量准确性，记录结果，则本次检查结束。如果检查结果超出被检测仪器规定的测量准确性，则需要进行第三个步骤的校零、校准操作。③校零和校准，需要准备100%浓度的N2和100%浓度的O2，分别接入气路的输入端，先进行校零操作，完成后再进行校准操作，校零和校准工作都完成后再按照上述的第一、第二检查步骤进行确认检查，若符合仪器的测量准确性，记录结果，则本次检查、调校结束，如果检查结果还是超出被检测仪器规定的测量准确性，则记录结果，并停止该仪器的临床使用，报告厂家维护。

3.校准及结果

本文以深圳惟拓力公司研发的基于国产顺磁氧模块技术的氧气监测仪，即M7型顺磁氧监测模块为例进行了上述的方法检查和调较。首先，进行气路连接，接入大气，观察该监测仪的氧气监测结果，其次，接入100%浓度的氧气，观察监测结果。如监测结果超出该仪器声称的规格（如氧浓度为21%的大气，测量结果为24%），则再接入100%浓度的氮气进行校零操作，接着再接入浓度为100%的氧气进行校准操作，最后，再次接入氧浓度为21%的大气和浓度为100%的氧气进行检查。本次针对M7型顺磁氧监测模块检验的测量结果如表2所示。

表2 .M7型顺磁氧监测模块检验结果

由表格中数据可以看出，模块在进行校零和校准前的测量数据与实际值之间存在着较大误差，使用本文提出的方法对模块进行校零和校准后取得了良好的校准效果，大幅度提升了模块的测量准确性，使其能满足该监测设备声称的规格并继续使用。因此本文提出的校零和校准方法具有很好的应用价值。

4.讨论

本文主要介绍了主流的氧气传感器监测原理，主要包括电化学氧传感器、顺磁氧传感器及超声氧传感器，并对其利弊性进行了对比。同时，基于临床上使用的氧气监测设备需要进行定期校零与校准的实际情况，本文提出了针对性的医用氧气浓度检查与校准方法，并使用该方法对深圳惟拓力医疗公司研发的M型顺磁氧模块进行了测试，结果表明该方法取得了良好的校准效果，具有极高的应用价值，可为后续相关的在线产品检查与校准提供一定的参考，推动这类监测技术的应用可靠性发展。