CN103519826B - 反射式血氧饱和度测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动脉血氧饱和度的测量，特别涉及反射式血氧饱和度测量仪，所述测量仪包括固定件、固定在所述固定件的反射式血氧饱和度测量探头，所述探头包括一个发光源和至少一个光接收器，所述测量仪用于非末梢部位血氧饱和度的测量，所述发光源和光接收器位于待测组织的同一侧。本发明的血氧测量仪可用于非末梢组织部位的测量，适用于长时间连续动态监测，且不受末梢血液灌注状态的影响。本发明还涉及一种用于非诊断目的的血氧饱和度的测量方法。

Description

反射式血氧饱和度测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及动脉血氧饱和度的测量，特别涉及反射式血氧饱和度测量仪及其测量方法。

背景技术

现有的动脉血氧饱和度（SaO2）是动脉血液中被氧结合的氧合血红蛋白(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。目前国内外SaO2测量普遍采用脉搏式血氧计，测量装置基本结构包括血氧探头和信号处理装置。血氧探头是一个采用发光二极管和光敏元件组成的传感器。发光二极管提供两种或两种以上波长的光。光敏元件的作用是把通过组织末端的带有血氧饱和度信息的光信号转换成电信号，经信号处理电路后将信号数字化。信号处理装置是通过软件系统扫描AD转换器采集到的红光和红外光强度信号，分别取得两路信号的直流偏置电压和脉搏信号的交流幅度电压，根据朗伯-比尔定律的时域测量方法算出红光信号的交流幅度与直流幅度之比和红外光信号交流幅度与直流幅度之比，再计算出这两者的比值，该比值与血氧饱和度值有相关性，然后通过查表法定出血氧饱和度值，再根据脉搏波的脉搏间期即可计算出当前的脉率值。

现有SaO2测量技术多采用指端指套式测量方式，通过测量人体上充血的末梢组织如手指部位对不同波长的红光和红外光的吸光度变化率之比来推算出末梢组织的动脉血氧饱和度。目前也有采用对耳垂部位进行测量的耳夹式血氧仪，无论是指夹式血氧仪还是耳夹式血氧仪均采用透射式传感器，这种方式的优点是技术简单、信号稳定性好、测量结果信噪比高。但是，指夹式血氧仪使用过程中存在明显的缺点：由于其戴在指端，测量时，不能作业或活动，若对正在作业的人员或运动的人员进行血氧饱和度测量，故不适合长时间作业环境下连续动态测量；若需非运动状态下长时间测量，长时间佩戴指端容易产生挤压不适，故不适合夜间休息长时间连续动态测量；无论指夹式血氧仪还是耳夹式血氧仪均易受末梢血液灌注状态的影响，故在温度较低或其他影响微循环状态的条件存在时，测量结果误差较大。

发明内容

本发明为克服现有技术的上述缺陷，提出一种利用反射式传感器的原理来测量血氧饱和度的仪器及其方法。本发明的一个方面，提供一种反射式血氧饱和度测量仪，其通过如下方案实现：

一种反射式血氧饱和度测量仪，包括固定件、固定在所述固定件上的反射式光电血氧饱和度测量探头，所述探头包括一个发光源和至少一个光接收器，其特征在于，所述测量仪用于非末梢部位血氧饱和度的测量，所述发光源和光接收器位于待测组织的同一侧。

进一步地，所述发光源包括至少一个LED灯。

优选地，所述光接收器为2个。

进一步地，所述光接收器为光电管。

进一步地，所述测量仪用于测量手掌小鱼际肌或前额部位的血氧饱和度，或互补测量血氧饱和度。

特别地，可任选两个位置互补测量血氧饱和度，所述位置处血容积变化信号中的交流成分足够大。

进一步地，当用于测量小鱼际肌部位时，手指不受固定件的约束在测量时可自如活动，测量时固定件包裹在手掌上，所述探头正好位于小鱼际肌部位。

进一步地，当用于测量前额部位时，所述固定件包括固定反射式光电血氧饱和度测量探头的头带，且长度可调整。

可选地，还包括无线发送模块。

本发明的另一方面，还提供一种用于非诊断目的的反射式血氧饱和度测量方法，其使用前述任意权利要求所述的反射式血氧饱和度测量仪，包括如下步骤：

（1）将双接收反射式光电血氧饱和度测量探头固定在固定件的相应部位；

（2）通过单片机控制反射式光电血氧饱和度测量探头的发光时序；

（3）将反射式光电血氧饱和度测量探头接收到的电流信号转换成电压信号；

（4）将转换后的电压信号放大；

（5）将放大后的电压信号通过单片机内置的A/D转换成数字信号；

（6）对于单片机根据所采数字信号分析计算出血氧值并可选择性地通过无线模块发送出去。

本发明通过上述技术方案，可实现反射式血氧饱和度的测量，重点在于长时间和作业或运动条件下对动脉血氧饱和度进行低负荷连续动态监测。本发明的反射式血氧饱和度的测量不受末梢血液灌注状态的影响，测量误差小。

附图说明

图1为现有技术透射式血氧饱和度测量原理示意图；

图2为本发明反射式血氧饱和度测量原理示意图；

图3为本发明血氧饱和度测量中的传感器结构示意图；

图4为本发明第一实施例血氧饱和度测量仪；

图5为本发明第一实施例血氧饱和度测量仪使用状态示意图；

图6为本发明第二实施例血氧饱和度测量仪；

图7为本发明第二实施例血氧饱和度测量仪使用状态示意图；

图8为本发明血氧饱和度测量仪硬件方框原理图。

具体实施方式

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定部件。本领域技术人员应可理解，产品制造商可能会用不同名词来称呼同一个部件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分部件的方式，而是以部件在功能上的差异来作为区分的准则。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本新型的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

附图1为现有技术血氧饱和度测量原理示意图，其中采用透射式测量方式，透射式脉搏血氧饱和度测量装置的传感器通常安置在人体充血的末梢组织，如人的手指、脚趾或耳垂部位，且发光源1（LED）和光感应装置2（PD）设置在待测组织相对的两端，其相向安置，如图1所示的测量手指3时的示意图。发光源1（LED）发出的光，其中部分光透过被测组织区域到达光感应装置2（PD），因而此种测量方法称为透射式血氧饱和度测量方法。此种测量方法为一个发射光源1，一个接收端2，本说明书中所指的一个发射光源1可以包括多个LED灯。

在图1中，光接收器2（PD）检测的是发光源1（LED）向前透视过手指3的出射光。很显然透射式脉搏血氧饱和度传感器在人体身体上的测量部位具有局限性，只能在人体边缘的部位进行测量，例如手指、耳垂或脚趾部位进行血氧饱和度的测量，虽也有用透射式测量方法测量婴儿的手掌和脚掌，但此透射式测量还是有其局限性，其不适于长时间作业状态下测量，且受末梢血液灌注状态的影响。

现有技术中的血氧饱和度测量通常是用于医院中对病人动脉血氧保护度参数进行监测，以了解病人呼吸循环生理指征，便于采取进一步的处理。该技术具有很多优点，例如技术简单、信号稳定性好、测量结果信噪比高等。但是现有技术的测量方法只适合医院中的病人，并不适合正常人的血氧饱和度监测。例如不适于测量长时间作业环境下或体育运动时的连续动态非医疗诊断目的的血氧饱和度测量，且测量结果易受末梢血液灌注状态的影响，故在温度较低或其他影响微循环状态的条件下，测量结果误差较大。

本发明为了解决上述缺陷，根据人体动脉分布情况，选取非末梢区域的手掌小鱼际或额头部区域进行动脉血氧饱和度测量，上述区域动脉血流动相对比较稳定，且不易受血液灌注状态的影响，适于作业或运动下长时间监测血氧值，经实际使用，测量结果精确。显而易见地，本发明的测量仪也可用于临床病人血氧值的监测，但本发明的测量方法仅用于非诊断目的的血氧饱和度的测量。

对于手掌小鱼际和额头部区域进行测量，显然现有的透射式测量方式不适用，本发明采用反射式测量方式，测量原理见附图2所示。

在图2中，反射式动脉血氧饱和度测量装置包括一个发射光源1（LED），其可包括至少1个LED灯，和多个光感应装置2（PD），优选包含2个光感应装置2（PD），接收反射的光，其中发射光源（LED）和光感应装置（PD）位于待测组织的同一侧。其中附图标记4为非末梢组织，附图标记5为骨组织,如果光遇到骨组织时，反射光信号会加强。

在这种方式中光感应器也即光电管2（PD）检测发光源1（LED）的反射光或者散射光。理论上，采用这种方式可以在人体的很多部位安置传感器，弥补了透射方式传感器安置部位的限制。通常传感器可以安置在额头、下巴、手腕或手掌等处。

透射式血氧饱和度测量中采用一个发射源和一个光接收端，由于光的漫反射，单个光电管（PD）接收到的光信号只占总入射光信号的很小一部分。为了提高信噪比，反射式血氧饱和度测量可以考虑多光电管（PD）接收，优选2个光电管，如图2所示即为一个发射两个接收的情形。附图3示出了两种传感器的结构示意图，其中（a）为单发射单接收情形；（b）为单发射六个接收情形。

光感应装置-光电管（PD）光电管就是光子电探测器，用于血氧饱和度测量的光子电探测器一般是以光导模式工作的PIN光电管。光电管所生成的光电流I与入射光功率P的关系为：

I=αP

其中，α为光电转换因子，光电转换因子和量子效率，入射光频率有关。其中量子效率的主要影响因素包括光敏面大小及表面反射特性、材料内部的非本征吸收和光生载流子的复合损耗。采用多光电管接收的目的就是为了加大光敏面以提高量子效率。

但是光电管自身会产生噪声电压Vn，这在小信号测量中是不可忽略的因素。噪声电压和光电管光敏面面积A的平方根成正比。Vn∝A^1/2。当入射光所产生的输出电压的均方根等于光电管本身的噪声电压的均方根时，此时所对应的辐射功率叫噪声等效功率NEP。

一方面为了提高光电转换效率需要加大光敏面积，另一方面为了抑制噪声电压需要减小光敏面积。通过实验发现采用双光电管接收是解决这个矛盾的最好方法。实验发现：再增加一个光电管虽然可以加强信号强度，但信号中的直流成分也随之提高。信号中直流成分过大限制了初级电路的增益（产生信号饱和）。所以在有限电源电压（3V）的情况下，适当增加接收光电管是提高反射式脉搏血氧饱和度信噪比的方法。

事实上，透射式的主要优点是PD接收光强度大。由于穿透人体组织的透射光强远大于反射或散射光强，所以信号质量一般都优于反射方式，前提是发光源以足够的光强照射测量部位并保证穿透能力。透射式的主要缺点是传感器在人体上的可安置部位有限。而反射式血氧饱和度测量方式从理论上讲只要血容积变化信号（PPG）中的交流（AC）成分足够大就可以在人体的任何部位进行测量。人体很多部位都有PPG信号，尤其以手指、手掌、额头和下巴部位的信号比较强。手指是透射式测量血氧饱和度的最佳部位，而手掌和额头的皮下具有较丰富的毛细动脉血管，是反射式测量血氧饱和度的最佳部位。虽然常用的指夹式或耳夹式透射式血氧饱和度测量方式可以提供高质量的PPG信号，但是不可能用于作业人员的生命特征监测。一方面是指夹传感器占用手指，影响正常作业。另一方面耳垂或手指部位的血管受环境温度影响比较大，温度低时呈现低灌注状态。还有手指部位的血红蛋白对主动脉血液缺氧的响应比较慢（大约1分钟）。而反射式血氧饱和度测量具有传感器安置方便（可以安置在帽子或手套里），对主动脉血液缺氧的响应比较快等优点，所以可以实现在运动和作业中的血氧饱和度测量。

因此，本发明针对现有指端SaO2测量技术不适合长时间和作业环境下的测量，本发明要解决的技术问题是提供一种具有以上条件下动脉血氧饱和度多部位互补的低负荷测量技术。

实施方式1：在手掌小鱼肌部位测量血氧饱和度。如图4所示，该测量仪包括一个固定反射式传感器的固定件，具体为适于佩戴在手掌处的固定套6，该固定套6的一侧具有某种结构，具体为两个翼61和62，拇指从两个翼之间的空隙中穿过，测量时，拇指可随意活动；靠近固定套6另一侧的一端处用于固定有反射式血氧探头7，在另一端固定设有延伸部63，延伸部可为任何的形式，主要起连接作用，在延伸部63及翼部上可设有连接装置，可以是尼龙搭扣，也可以是其他形式的连接装置，用于将固定套6固定在人的手掌处，其反射式血氧探头7正好对应人手掌小鱼际肌部位。图5为图4所示的测量仪在实际测量时的佩戴示意图。可选择地设置反射式血氧饱和度测量模块无线发射模块8。

实施方式2：在额头部位测量血氧饱和度。如图6所示，该测量仪包括固定反射式血氧探头7的固定件6，具体为固定带，固定带包括固定在前额的带65，其环绕头部并固定于头部；还包括头带66，其用于固定在头顶部位，带65和66均设置为长度可调。图7为图6所示的测量仪在实际测量时的佩戴示意图。此测量仪也可设置无线发射模块。

实施方式3：采用手掌小鱼际肌与前额头部为互补测量血氧饱和度。为了获得更为准确的测量结果，可以同时在手掌小鱼际肌和前额部位测量血氧保护度，选取信号稳定的部位测量的血氧饱和度值作为最终的测量值。也可以选取其他适合测量的部位进行互补测量血氧饱和度。

上述测量部位均不影响正常活动和作业，测量负荷低，可以在睡眠检测中使用，且体积小、低功耗连续测量应用范围广。

如图8所示，本发明测量方法的具体操作步骤为：

1、将双接收反射式光电传感器固定在固定件的相应部位；

2、通过单片机控制反射式光电传感器的发光时序；

3、将反射式光电传感器接收到的电流信号转换成电压信号；

4、将转换后的电压信号放大；

5、将放大后的电压信号通过单片机内置的A/D转换成数字信号；

6、对于单片机根据所采数字信号分析计算出血氧值并可选择性地通过无线模块发送出去。

本发明采用的技术方案创新之处在于：

为同时满足低负荷和不干扰作业要求提出在额头部和手掌小鱼际肌部位互补测量方案，额头部测量主要用于白天作业条件下，而手掌小鱼际肌部位测量主要用于夜间卧床休息时，可进一步降低佩戴负荷。

为了实现额头部及手掌小鱼际肌部位监测技术，运用了反射式SaO2测量技术并提出了固定佩带方案。实践已经证明在额头部及小鱼际肌部分的反射式SaO2测量技术及其固定方案既可避免长时手指固定带的不适感，也减少了末梢微循环状态对测量结果的影响。

为了提高测量的信噪比，额头部和手掌小鱼际肌部位测量均采用双接收光电传感器。

为了提高测量信号的可靠性，手掌小鱼际肌部位测量采用双路反射式血氧探头，并专门设计算法，对双路信号质量进行判断，取质量好的信号计算血氧饱和度。

在传感器信号处理电路中采用了自动消除直流成份功能，在反射式血氧饱和度测量方法中直流成份过大限制了交流增益的提高，所以必须要有效消除直流成份。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种于手掌小鱼际肌部位采用双接收反射式测量血氧饱和度的测量仪，包括固定件、固定在所述固定件上的反射式光电血氧饱和度测量探头，所述探头包括一个发光源和光接收器，其特征在于，所述测量仪用于手掌小鱼际肌部位血氧饱和度的测量，所述发光源和光接收器位于待测组织的同一侧，所述光接收器为至少2个光电管，所述固定件包括两个翼部和延伸部，延伸部及翼部上设有连接装置，拇指从两个翼部之间的孔隙中穿过。

2.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于，所述发光源包括至少一个LED灯。

3.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于，所述光接收器为2个光电管。

4.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于，所述测量仪用于互补测量血氧饱和度。

5.根据权利要求4所述的测量仪，其特征在于，可任选包括手掌小鱼际肌在内的两个位置互补测量血氧饱和度，所述位置处血容积变化信号中的交流成分足够大。

6.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于，手指不受固定件的约束在测量时可自如活动，测量时固定件包裹在手掌上，所述探头正好位于小鱼际肌部位。

7.根据权利要求1至6任一项所述的测量仪，其特征在于，还包括无线发送模块。

8.一种用于非诊断目的的反射式血氧饱和度测量方法，其使用前述权利要求1-7中任一项所述的反射式血氧饱和度测量仪，包括如下步骤：

(1)将双接收反射式光电血氧饱和度测量探头固定在手掌小鱼际肌部位；

(2)通过单片机控制反射式光电血氧饱和度测量探头的发光时序；

(3)将反射式光电血氧饱和度测量探头接收到的电流信号转换成电压信号；

(4)将转换后的电压信号放大；

(5)将放大后的电压信号通过单片机内置的A/D转换成数字信号；

(6)对于单片机根据所采数字信号分析计算出血氧值并可选择性地通过无线模块发送出去。