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尹 聪,李文秀
(山东电子职业技术学院 电子与通信工程系,山东 济南 250200)
新型冠状病毒属于急性感染肺炎,病原体是以前从未发现的一种病毒,人在感染了这种病毒之后,会出现发热、咳嗽和呼吸困难等症状。
而呼吸困难引起摄入的氧气量不足,肺部感染影响气体交换,导致血氧不足,人体血氧饱和度降低。
因此,血氧饱和度是新型冠状病毒肺炎重要的诊断指标之一。
普及采用脉搏血氧仪可以给新冠肺炎的相关疾病问题提供防范预警。
1.1 脉搏波形成
脉搏波是一种能量的传递,它是一种类似声波的能量波,沿着血管壁飞速前进,因此监护仪监护到的脉搏波,就和血流有关了。
血氧探头由一个发光端和一个不发光端组成,这两个端子便是脉搏仪的核心—光电式传感器。
首先发光端发出光束,当夹到生物体特定位置时,皮肤、肌肉、骨骼、脂肪、血管壁等都会吸收光束,同一位置,这些吸收的光强度是恒定不变的,血液是流动的,它对光的吸收量就在发生变化。
当光电传感器开始工作时,它接收的光就是被组织吸收剩下的,由于血液容积随心脏的扩张与收缩周期性改变,心脏舒张时,血液容积量最小,血液对光的吸收作用弱,传感器检测到的光强度最大;心脏收缩时,容积量最大,传感器检测到的光强最小,呈现出了周期性。因此,变化着的光强度,产生了变化着的电信号,再通过中央处理器的分析,最终形成了血流容积图(见图1)。
图1 血流容积
1.2 血氧饱和度
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。
其不仅是呼吸循环的重要生理参数,也是人体机能正常运作的重要指标。
其正常值在95%～99%,当低于90%时,多表明可能体内存在缺氧,低于80%属于严重缺氧。
传统的血氧饱和度测量法首先第一步是进行人体采血,然后使用电气分析仪器对血液进行电化学分析,测量出血液的血氧饱和度。
但这种方法较为复杂,无法对人体进行连续持续的监测。
在测量时使用指套式光电传感器,仅需要将传感器套在人的手指上,手指错位盛放血红蛋白的容器,再利用红外光作为光源,进而测定光传导强并计算出血红蛋白浓度和血氧饱和度,这也为临床提供出了一种新的可持续监测的血氧测量仪器。
光电传感器,是利用光电器件把光信号转换成电信号(电压、电流、电阻等)的一种传感器。
当光电式脉搏仪工作时,首先将血流量信号转换成光量的变化,其次通过光电器件把光量的变化转换成相应电量的变化,从而实现对血流量的测量。
由此可见,光电式脉搏仪的基本组成包括光路和电路两大部分。
2.1 光电式脉搏仪的光谱分析
光是一种电磁波,按照波长或频率次序排列的电磁波序列称为光谱。
光的波长越短,对应的频率就越高。
图2 为可见光光谱范围示意图,对应的光谱范围为380～780 nm。
生物组织光学中把波段在600 ～1 300 nm 光谱区间内称作为生物体光谱之窗,这个波段里的光对于一些疾病的诊断具有独特的意义。
在红外线领域之外,水成了生物组织体内主导者,为了更好地获取目标物质对光的吸取情况,波长应当规避水的吸收高峰。
因此在红外光谱600～950 nm 范围内,吸光能力主要成分包含了血液中的水、HbO2(氧合血红蛋白)、RHb(还原血红蛋白)以及外周的皮肤黑色素等组织。
在波长为660 nm 的红光处,还原血红蛋白对光的吸收比氧合血红蛋白强十倍以上,而在波长为940 nm的红外光处,还原血红蛋白对光的吸收比氧合血红蛋白弱得多,血液吸收特性如图2 所示。
图2 血液吸收特性
光电式脉搏仪是基于动脉搏动期间光吸收量的变化来进行计算。
采用发光二极管,分别位于可见红光光谱和红外光谱的两个光源胶体照射被测试区,微处理器计算动脉血所吸收的这两种光谱的比率,并将结果与指痒仪存储器的饱和度数值进行比较,从而得出血氧饱和度。
2.2 光电式脉搏仪中的光电转换器件
光电式脉搏传感器由于采用不同的光敏元件有着多种实现方法,其中光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。
光敏电阻是由半导体材料制成的对光强敏感的一种光电器件。
无光照时,光敏电阻值很大,电路中电流很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值急剧减少,电路中电流迅速增大。
光敏二极管是利用PN 结的光生伏特效应,即光照在PN 结上时,PN结吸收光能,产生电动势,在不受光照射时,处于截止状态,受光照射时,处于导通状态。
光敏三极管和普通三极管的结构相似,也有两个PN 结。
不同之处在于光敏三极管有一个对光敏感的PN 结作为感光面,一般用集电结作为受光结。
由于光敏三极管将光信号转换成电信号的同时,又将电流进行了放大,因此,光敏三极管比光敏二极管有更高的灵敏度[1]。
根据3 种光电元件均对可见光和红外光的光谱特性敏感,因此在光电式脉搏仪的光电元件选择中可以选择3 种之一作为其光电接收元件。
应用时,将发光二极管(LED)和光敏器件组装在一起,封装在一个外壳内,通过光线实现耦合构成电—光和光—电转换器件。
2.3 光电式脉搏仪的光路传输形式
根据光电式脉搏仪所使用的采集方式的不同,传感器可分为透射式和反射式两种类型。
其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置,接收的是透射光,这种方法可较好地反映出心律的时间关系,但不能精确测量出血液容积量的变化;反射式的发射光源和光敏器件位于同一侧,接收的是血液漫反射回来的光,此信号可以精确地测得血管内容积变化[2]。
2.4 透射式脉搏血氧仪在心率测量中的方案分析
心率在临床上是一种基础而重要的生理参数,手指指尖有丰富的毛细血管网,这些毛细血管网里的血液体积不是恒定的,当心脏收缩时,血液流向全身血管,此时毛细血管里的血液体积增大,而当心脏舒张时,血液由静脉回流到心脏。
此时,毛细血管里的血液体积减小,如果把手指指尖接近光源,在指甲上会发现手指指尖通红,这说明皮肤并不是完全不透明的,虽然它吸收光线,但总有一些光线能透过手指到达另一端。
光线穿过手指指尖时,其中毛细血管中的血液体积随着心脏跳动在规律地变化着,穿越手指的光线强度也随着毛细血管中的血液体积的变化而变化。基于这个思想,可以设计一个指尖脉搏的测量方法,在指甲的一侧放置发光二极管作为光源,在另一侧放置一个光敏电阻,发光二极管和光敏电阻做到一个指套中,当穿过指尖的光线被毛细血管的血液体积变化影响时,光敏电阻的输出信号会产生一个微小的对应变化,只要用放大器放大,就能看到指尖脉搏波了。给指尖脉搏波设一个阈值,高于这个阈值时输出高电平,低于这个阈值时输出低电平,就得到了对应脉搏的脉冲波,只要计算脉冲波的周期T,就可以得到心跳的周期,从而计算心率[3]。
心率测量方案如图3所示。
图3 心率测量方案
本文通过分析人体脉搏波的形成过程和血氧饱和度的产生机制,设计了基于光电式传感器的脉搏分析仪,以实现对血氧饱和度和心率两种生理信号的检测。通过进行人体光谱分析,选择具有内光电效应的光电元件,以及透射式或反射式的光路传输形式,来采集血氧信号,实现了血氧饱和度的无创测量。
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