血氧探头的工作原理

血氧饱和度探头是测定人体血液中的氧浓度即血氧饱和度的一种仪器，传感器由两只发光管和一只光电管组成，在外科手术或危重病人的监护中可及时了解血液中氧含量。

随着现代医疗技术和相关学科的不断发展， 医用监护仪器已成为医用电子仪器不可缺少的一大类仪器， 在医院中起着越来越重要的作用。监护仪器的使用， 不仅减轻了医务人员的劳动， 提高了护理工作的效率， 更重要的是使医生能随时了解病情，当出现危急情况时可及时进行处理，提高了护理质量。在监护的生理参数中，除了心电、血压等之外，人体血液中的氧浓度即血氧饱和度的测定在临床上也有十分重要的意义。在外科手术或危重病人的监护中， 避免病人缺氧， 及时了解血液中氧含量是十分必要的。

不管哪种血氧探头， 它的传感器都由两只发光管和一只光电管组成。其中一只发光管发出波长为660nm 的可见红光，另一只发光管发出波长为920～950nm 之间的不可见红外光， 各类探头元器件上的差异不是很大， 只是接法上略有不同。它的内部结构一般可分为3 种类型， 笔者用自己的语言将其分为交流型、共阳型、共阴型，结构示意分别为图2、图3、图4。极性接法不同，发的光类不同，信号接收及输出就不同。现用血氧探头内部结构大致如此， 有一部分在接头处装置有不同阻值的电阻，作为探头接与未接的检测。

血氧探头的工作原理

血氧探头定义

血氧探头，全称为血氧饱和度探头（英文SpO2 Sensor/SpO2 Probe），是指将探头指套固定在病人指端，利用手指作为盛装血红蛋白的透明容器，使用波长660 nm的红光和940 nm的近红外光作为射入光源，测定通过组织床的光传导强度，来计算血红蛋白浓度及血氧饱和度。通过SpO2监护，可以得到SpO2、脉率、脉搏波。应用于各种病人的血氧监护，通常另一端是接心电监护仪。

血氧饱和度定义

血氧饱和度是指血液中氧气的最大溶解度，血液中氧气结合主要是靠血红蛋白。一般情况下不会发生什么改变，但是如果在一氧化碳含量较高的环境下就会发生变化，造成一氧化碳中毒，也就是煤气中毒，因为一氧化碳与血红蛋白的亲和性很高，会优先与一氧化碳结合，从而造成血液中氧气含量降低发生危险。正常人体动脉血的血氧饱和度为98% 、静脉血为75%。

一般认为SpO2正常应不低于94%，在94%以下为供氧不足。有学者将SpO2《90%定为低氧血症的标准，并认为当SpO2高于70%时准确性可达±2%，SpO2低于70%时则可有误差。临床上曾对数例病人的SpO2数值，与动脉血氧饱和度数值进行对照，认为SpO2读数可反映病人的呼吸功能，并在一定程度上*脉血氧的变化。胸外科术后病人除个别病例临床症状与数值不符需作血气分析外，常规应用脉搏血氧饱和度监测，可为临床观察病情变化提供有意义的指标，避免了病人反复采血，也减少护士的工作量，值得推广。

血氧探头工作原理

1、功能与原理

脉搏血氧饱和度SpO2指的是血氧含量与血氧容量的百分比值。SpO2作为一种无创的、反应快速的、安全的、可靠的连续监测指标，已经得到公认。 目前在麻醉、手术以及PACU和ICU中得以广泛使用。根据氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）在红光和红外光区域的光谱特性，可知在红光区（600～700nm）HbO2和Hb的吸收差别很大，血液的光吸收程度和光散射程度极大地依赖于血氧饱和度；而在红外光谱区（800～1000nm），则吸收差别较大，血液的光吸收程度和光散射程度主要与血红蛋白含量有关，所以，HbO2和Hb的含量不同吸收光谱也不同，因此血氧饱和度仪血液导管中的血无论是动脉血还是静脉血饱和度仪均能根据HbO2和Hb的含量准确地反映出血氧饱和度。

血液在波长660nm附近和900nm附近反射之比（ρ660/900）最敏感地反映出血氧饱和度的变化，临床一般血氧饱和度仪（如泰嘉电子Taijia饱和度仪、脉搏血氧仪）也采用该比值作为变量。在光传导的途径上，除动脉血血红蛋白吸收光外，其他组织（如皮肤、软组织、静脉血和毛细血管血液）也可吸收光。但入射光经过手指或耳垂时，光可被搏动性血液和其他组织同时吸收，但两者吸收的光强度是不同的，搏动性动脉血吸收的光强度（AC）随着动脉压力波的变化而改变。而其他组织吸收的光强度（DC）不随搏动和时间而改变，由此，就可计算出在两个波长中的光吸收比率R。R=（AC660/DC660）/（AC940/DC940）。R与SpO2呈负相关，根据R值，由标准曲线可得出相应的SpO2值。

2、探头的特点与优势

SpO2仪包括探头、功能模块和显示部分三个主要部件。对于市场上大部分的监护仪来说，检测SpO2的技术都已经很成熟。一台监护仪所检测得到的SpO2值准确与否，很大程度上与探头有关，其中影响探头检测的因素很多，探头所用的检测器件、医用导线、连接工艺等都会影响检测结果。

（1）检测器件：检测信号的发光二极管和光电探测器件是探头的核心部件。也是决定检测数值准确与否的关键所在。理论上的红光波长为660nm，红外光为940nm时检测得到的数值比较理想，但由于制造器件的工艺的复杂，所生产出来的红光，红外光的波长总有偏差。光波长的偏差的大小将影响所检测的数值。所以发光二极管和光电检测器件的制造工艺就显得很重要了。R-RUI采用的是福路科的检测设备，无论是在精度上，还是在可靠性上都很有优势。

（2）医用导线：除了材料使用进口的外（在高弹力强度、抗腐蚀性都很可靠），还设计采用了双层屏蔽，较单层或全无屏蔽更能抑制噪声干扰，保持信号完整。 （3）软垫：R-RUI生产的探头采用的是一种特殊设计的软垫（指垫），这种软垫舒适、可靠，接触皮肤无过敏性，可适用于不同体形的病人。并且采用的是全裹式设计，可避免因手指动作漏光而导致干扰。

（4）指夹：本体指夹采用防火级无毒ABS的材料，坚固不易损坏。在指夹上还设计采用了遮光板，可以更好地屏蔽外围光源。

（5）一般SpO2损坏的主要原因之一是由于弹簧松脱，弹力不足以至夹力不足，R-RUI采用高张力电镀碳钢弹簧，可靠耐用。

（6）端子：为了确保探头的可靠连接耐用，考虑信号传递过程中的衰减在与监护仪的连接端子上，采用特殊工艺镀金端子。

（7）连接工艺：探头的连接工艺对于检测结果来说也很重要，软垫所放的位置均经过校正测试，以确保检测器件发射器与接收器的位置正确。

（8）在精度上，确保在SpO2值为70%——100%时，误差不超过正负2%，精度要更高，从而使得检测结果更可靠。

3、血氧探头的种类

（1）可重复使用脉搏血氧饱和探头

可重复成人指夹式血氧探头

可重复儿童指夹式血氧探头

可重复成人硅胶指套式血氧探头

可重复儿童硅胶指套式血氧探头

可重复婴儿硅胶包裹带血氧探头

可重复成人耳夹式血氧探头

可重复动物指夹式血氧探头

（2）一次性使用脉搏血氧饱和探头

一次性医用无纺布血氧探头

一次性医用泡沫胶血氧探头

一次性成人指夹式血氧探头

一次性儿童指夹式血氧探头

一次性成人硅胶指套式血氧探头

一次性儿童硅胶指套式血氧探头

一次性婴儿硅胶包裹带血氧探头

一次性成人耳夹式血氧探头

一次性动物指夹式血氧探头

血氧饱和度检测的基本原理

氧是维系人类生命的基础，心脏的收缩和舒张使得人体的血液脉动地流过肺部，一定量的还原血红蛋白（HbR）与肺部中摄取的氧气结合成氧和血红蛋白（HbO2），另有约2％的氧溶解在血浆里。这些血液通过动脉一直输送到毛细血管，然后在毛细血管中将氧释放，以维持组织细胞的新陈代谢。血氧饱和度（SpO2）是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，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。而功能性氧饱和度为HbO2浓度与HbO2 Hb浓度之比，有别于氧合血红蛋白所占百分数。因此，监测动脉血氧饱和度（SaO2）可以对肺的氧合和血红蛋白携氧能力进行估计。

2.1 血氧饱和度检测分类

血氧浓度的测量通常分为电化学法和光学法两类。

传统的电化学法血氧饱和度测量要先进行人体采血（最常采用的是取动脉血），再利用血气分析仪进行电化学分析，在数分钟内测得动脉氧分压（PaO2），并计算出动脉血氧饱和度（SaO2）。由于这种方法需要动脉穿刺或者插管，给病人造成痛苦，且不能连续监测，因此当处于危险状况时，就不易使病人得到及时的治疗。电化学法的优点是测量结果精确可靠，缺点是比较麻烦，且不能进行连续的监测，是一种有损伤的血氧测定法。

光学法是一种克服了电化学法的缺点的新型光学测量方法，它是一种连续无损伤血氧测量方法，可用于急救病房、手术室、恢复室和睡眠研究中。目前采用最多的是脉搏血氧测定法（Pulse Oximetry/血氧仪），其原理是检测血液对光吸收量的变化，测量氧合血红蛋白（HbO2）占全部血红蛋白（Hb）的百分比，从而直接求得SpO2。该方法的优点是可以做到对人体连续无损伤测量，且仪器使用简单方便，所以它已得到越来越普遍的重视。缺点是测量精度比电化学法低，非凡是在血氧值较低时产生的误差较大。先后出现了耳式血氧计，多波长血氧计及新近问世的脉搏式血氧计。最新的脉搏式血氧计的测量误差已经可以控制在1％以内，达到临床使用的要求。尽管它们在某些方面还不尽如人意，但其所产生的临床效益已被广泛认同。

2.2 无损伤血氧饱和度检测原理

临床上多用功能氧饱和度来反映血液中氧含量的变化。无损伤血氧饱和度测量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。基础研究表明，氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白对不同波长入射光有着不同的吸收率。当单色光垂直照射人体，动脉血液对光的吸收量将随透光区域动脉血管搏动而变化，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恒定光λ1、λ2照射手指时，假如适当选择入射光波长λ1（HbO2、Hb在此处具有等吸收特性，即约805nm），运用Lambert-Bear定律并根据氧饱和度的定义可推出动脉血氧饱和度的近似公式为： SaO2=a bQ

式中：Q为两种波长（HbO2、Hb）的吸光度变化之比a、b为常数，与仪器传感器结构、测量条件有关。

注重到生物组织是一个各向异性、强散射、弱吸收的复杂光学介质，因此在实际测量中无法用一个严格的公式来描述，所以一般是通过测量双光束吸光度变化之比，然后通过经验定标曲线最终获取氧饱和度。而在选择双光束波长时，一般选择入射光波长为660nm和940nm。

2.3 无损伤血氧饱和度检测用光电传感器

血氧传感器是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。血氧传感器按外形主要可以分为指套型、耳垂型、包裹型和粘附型，按用途又可分为成人型和儿童型、婴儿型几种。不论外形和类型如何，血氧传感器的原理构成是一样的，它们均由发光器件和接收器件组成。发光器件是由波长为660nm（650nm）的红光和波长为940nm（910nm）的红外光发射管组成。光敏接收器件大都采用接收面积大，灵敏度高，暗电流小，噪声低的PIN型光敏二极管，由它将接收到的入射光信号转换成电信号。

最新开发的脉搏血氧计大多采用的是指套式传感器探头。使用时探头套在指尖上。指套上壁固定了两个并列放置的发光二极管，发光波长分别为660nm红光和940nm红外光。下壁是一个光敏接收器件，它将透射过手指的红光和红外光转换成电信号。血氧计运行时，分时驱动电路让两个发光二极管按一定的时间间隔并以较低的占空比分别发光，根据光二极管发光强度与光电管接收到的透射光的强弱比值可分别计算出全血吸收率a660和a940，然后结合实验标定的系数A和B，代入前述公式中，就可以算得血氧饱和度的数值了。

2.4 血氧仪系统框图

脉搏血氧仪一般由血氧饱和度检测模块、工控机或PC机、血氧检测探头（一般为指套式）等部分组成。也有些是直接研制成一体的或便携式的。假如采用的是已经研制好的血氧饱和度检测模块来搭建的系统，由于模块与工控机或PC机之间的电平电压不同，它们之间还要通过电平转换模块连接起来，这样才能够进行正确的通讯。

3 脉搏血氧计的操作使用

是否能够正确操作使用血氧计，关系到检测结果的准确性。透射式脉搏血氧计多以手指、耳垂、脚趾等作为检测部位，因为这些部位是光线最轻易透射过的部位。而对于采用指套式传感探头的脉搏血氧计，检测前最好应将手指、指甲部位清洗干净，否则假如脏物过多，会阻碍光线的透射，从而对测量结果造成一定的影响。测量时将中指夹在指套里，注重指甲应正对上壁的发光管，夹好后还应注重指套四面是否密闭严实，以避免环境光的干扰。指套夹好并开机后，等待测量数据稳定后就可以读出血氧饱和度了，现在的血氧计一般还可以读出脉率值和脉搏波形。

血氧探头的工作原理

1、功能与原理脉搏血氧饱和度SPO2指的是血氧含量与血氧容量的百分比值。SPO2作为一种无创的、反应快速的、安全的、可靠的连续监测指标，已经得到公认。目前在麻醉、手术以及PACU和ICU中得以广泛使用。根据氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）在红光和红外光区域的光谱特性，可知在红光区（600～700nm）HbO2和Hb的吸收差别很大，血液的光吸收程度和光散射程度极大地依赖于血氧饱和度；而在红外光谱区（800～1000nm），则吸收差别较大，血液的光吸收程度和光散射程度主要与血红蛋白含量有关，所以，HbO2和Hb的含量不同吸收光谱也不同，因此血氧饱和度仪血液导管中的血无论是动脉血还是静脉血饱和度仪均能根据HbO2和Hb的含量准确地反映出血氧饱和度。〕：血液在波长660nm附近和900nm附近反射之比（ρ660/900）最敏感地反映出血氧饱和度的变化，临床一般血氧饱和度仪（如Baxter饱和度仪）也采用该比值作为变量。在光传导的途径上，除动脉血血红蛋白吸收光外，其他组织（如皮肤、软组织、静脉血和毛细血管血液）也可吸收光。但入射光经过手指或耳垂时，光可被搏动性血液和其他组织同时吸收，但两者吸收的光强度是不同的，搏动性动脉血吸收的光强度（AC）随着动脉压力波的变化而改变。而其他组织吸收的光强度（DC）不随搏动和时间而改变，由此，就可计算出在两个波长中的光吸收比率R。R=（AC660/DC660）/（AC940/DC940）。R与SPO2呈负相关，根据R值，由标准曲线可得出相应的SPO2值。

2、探头的特点与优势：SPO2仪包括探头、功能模块和显示部分三个主要部件。对于市场上大部分的监护仪来说，检测SPO2的技术都已经很成熟。一台监护仪所检测得到的SPO2值准确与否，很大程度上与探头有关，其中影响探头检测的因素很多，探头所用的检测器件、医用导线、连接工艺等都会影响检测结果。1.检测器件：检测信号的发光二极管和光电探测器件是探头的核心部件。也是决定检测数值准确与否的关键所在。理论上的红光波长为660nm，红外光为940nm时检测得到的数值比较理想，但由于制造器件的工艺的复杂，所生产出来的红光，红外光的波长总有偏差。光波长的偏差的大小将影响所检测的数值。所以发光二极管和光电检测器件的制造工艺就显得很重要了。我们提供的血氧探头采用的是福路科的检测设备，无论是在精度上，还是在可靠性上都很有优势。2.医用导线：除了材料使用进口的外（在高弹力强度、抗腐蚀性都很可靠），还设计采用了双层屏蔽，较单层或全无屏蔽更能抑制噪声干扰，保持信号完整。3.软垫：我们提供的探头采用的是一种特殊设计的软垫（指垫），这种软垫舒适、可靠，接触皮肤无过敏性，可适用于不同体形的病人。并且采用的是全裹式设计，可避免因手指动作漏光而导致干扰。4.指夹：本体指夹采用防火级无毒ABS的材料，坚固不易损坏。在指夹上还设计采用了遮光板，可以更好地屏蔽外围光源。5.一般SPO2损坏的主要原因之一是由于弹簧松脱，弹力不足以至夹力不足，我们采用高张力电镀碳钢弹簧，可靠耐用。6.端子：为了确保探头的可靠连接耐用，考虑信号传递过程中的衰减在与监护仪的连接端子上，采用特殊工艺镀金端子。7.连接工艺：探头的连接工艺对于检测结果来说也很重要，软垫所放的位置均经过校正测试，以确保检测器件发射器与接收器的位置正确。8.在精度上，确保在SPO2值为70%~~100%时，误差不超过正负2%，精度要更高，从而使得检测结果更可靠。