脉搏血氧仪的检测研究

脉搏血氧仪的检测研究

曲振宇江苏省中医院设备处

血氧饱和度是血液中，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，是呼吸循环的重要生理参数。

传统血氧饱和度测定仅靠血气分析仪。该仪器采用化学隔膜式，需作创伤性操作采取动脉血样，因之不能连续监测以同步反映实际情况。80年代初期出现了无创脉搏血氧测定仪。该仪器集半导体光电技术、微电子技术与微机智能化控制技术为一体。能连续动态地观察机体氧合情况，及时发现早期低氧血症，为临床抢救及护理提供依据，从而避免因多次采动脉血对病人造成的感染和痛苦。并因其体积小、灵敏可靠、使用方便和能无创连续测定血氧饱和度，所以很快得到了广泛使用。

自从脉搏血氧饱和度 ( SpO2 ) 理论建立以来，SpO2 值监测具有正确、安全、无创、有效、操作简单等优点以及功能完善，得到临床普遍欢迎和广泛应用，己是手术中、手术后及重症监护室的基本监测手段之一，在临床医疗上应用很广。但是，由于电子工程学和医学生理学各自的特性，以及各生产厂家应用的技术规范不一致，评价SpO2 值的安全性、准确性和可靠性等质量标准仍然是十分重要的课题。今天我们就对血氧饱和仪的测量做一些了解和探讨。

1血氧饱和度测定的生理学原理

生命的基本过程就是机体细胞摄入氧排出二氧化碳产生能量的过程。表示全身氧合状况的参数主要有两种，一为血氧饱和度，二为动脉氧分压。

血氧饱和度系指血液中氧合血红蛋白所占血液总血红蛋白的百分数，即SaO2 =HbO2/(HbO2 + Hb)×100 %

血氧饱和度与氧分压也有着非常紧密的联系。当氧分压在10 kPa 以下时，血氧饱和度可较灵敏地反映氧分压的变化。特别在缺氧情况下氧分压在8kPa以下时，血氧饱和度急剧下降，比氧分压的下降更为灵敏。因此监测血氧饱和度可更加迅速而准确地诊断低血氧症。

脉搏血氧饱和度仪是采用分光光度测定法：

还原血红蛋白(RHb)与氧气结合后变成氧合血红蛋白(HbO2)，还原血红蛋白

呈暗红色，氧合血红蛋白呈鲜红色，两者对红光和红外光的吸收不同。在波长为660nm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940nm的红外光处，还原血红蛋白对光的吸收则比氧合血红蛋白弱的多。由于心脏的收缩和舒张，引起动脉血管容积的脉动变化，这使得通过动脉血管的光传导路径相应变化，形成光吸收的脉动波。测量660nm的红光和940nm的红外光穿过动脉血管组织后的光强度及其变化，利用光吸收的比率系数R即可得到血氧饱和度值：当红光和近红外光通过脉动血管组织时，透射光分为二部分：一部分是非动脉部分或称直流成分(DC)；另一部分是脉动的或称交流成分(AC)。这2个波长的光吸收比率( R ) 公式为

R = (I AC/ I DC) R/ (I AC/ I DC) I R

式中：( I AC) R— 660nm时测得光强度的脉动分量;

( I DC) R— 660nm时测得光强度的直流分量;

( I AC) IR— 940nm时测得光强度的脉动分量;

( I DC) IR— 940nm时测得光强度的直流分量。

R与血氧饱和度 SpO2 呈负相关，在标准曲线上可得到相应的 SpO2 值。根据测量到的光强度脉动波形还可计算出瞬时脉搏和平均脉搏。

2脉搏血氧计校准

2.1脉搏血氧计校准操作一般规范

校准条件：

环境温度：( 10～40 ) ℃

环境相对湿度：10%～ 95%

标准设备：脉搏血氧模拟器

SpO2测量范围：70%～ 100%

测量误差(1s)：±( 2%～ 3% )

分辨力：1%

注：s为标准差,下同。

脉搏

测量范围：( 30～ 250 ) 次/min

测量误差：优于±3 次/min

分辨力：1 次/min

2.2校准项目和校准方法：

SpO2 的测量范围和测量误差：

首先要根据被校准脉搏血氧计的类型，选择脉搏血氧模拟器中相应的 R 模拟曲线，方可进行校准。

脉搏血氧仪的传感器与脉搏血氧模拟器的虚拟患者食指相连，开机且处于测试状态。

设定脉搏值为75次/min。在规定的测量范围内，设定测量点为100%、95%、90%、80%和 70%。上述每点需进行不少于5次的测量。然后根据一系列统计学公式和测量结果不确定度分析，对血氧仪进行测量分析。

3血氧仪测量仪器的使用

以FLUKE公司的Index-2血氧模拟仪为例，来说明血氧仪的测量使用中应该注意的一些问题。

我们可以把Index 2当作一个虚拟的患者食指，将Index 2设定为模拟现实中结合了各种血氧状况的患者。当被测脉搏血氧仪连结至Index 2后，对应于Index 2内置的患者预设的饱和度水平和脉搏状况，可测试被测仪器的反应，观察其测试结果是否和模拟的状况吻合，或是偏离的程度（%）。有关光电方面，Index 2可以检测探头二极管、导线的连续性、光电二极管及血氧仪的精度。

Index2主菜单的主要内容包括：

Main Menu 1

SIM LMTS PRBE CUST more

F1 F2 F3 F4 F5

上面一行显示的是菜单名称或设定数值，底下一行显示的是功能选择，按下各自对应的自定义键（即面板上的F1-F5按钮）即可进入相应的子菜单或是进行数值调整。

SIM（simulation）键：进入模拟菜单，设定血氧饱和度水平及心率（BPM）。LMTS（limits）键：进入报警极限菜单，进行以下测试：

z SpO2报警极限及响应时间

z心率报警极限及相应时间

z脉搏振幅限制

z运动干扰限制

PREB（probe）键：进入电子探头测试菜单，诊断血氧仪探头的整体性。测试包括LED电压，光电二极管接收及点对点阻抗。

CUST键：进入定制菜单，允许我们通过选择光能级技术和R-曲线建立特定类型，并可存储供以后使用。特定类型可用于被测脉搏血氧仪不存在于预置的工厂类型时使用。

more键：进入主菜单2，可选择脉搏血氧仪的类型，选择自动模式（允许建立及运行特定的测试程序），设置Index 2的RS-232串行口（设定波特率、数据位等），以及调整Index 2的LCD显示屏的对比度。

在任意子菜单中，按esc键可返回上层菜单，直至回到主菜单。

对脉搏血氧仪的测量首先必须知道其使用的光能级技术和R-曲线。Index 2存储不同类型脉搏血氧仪的定义，我们可以设定Index 2符合被测血氧仪的类型，也可以修改每种脉搏血氧仪的变量，以满足被测设备的要求。

Index 2作为SpO2模拟器的主要功能之一是测试在任意可能的患者状态下脉搏血氧仪的性能。Index 2允许我们设定任意组合的血氧水平，心率和脉搏振幅，以模拟一系列范围内的医学生理现象，以及设定周围环境的光照干扰。

通过Index 2设定这样的模拟因素，我们可以有效的对血氧仪进行测试并确定其弱点（即便需要的话）。Index 2会显示（也可打印）被测脉搏血氧仪性能中比较差的方面，或证明正确的性能指标。

在这里我们需要考虑光照干扰的问题，也就是在模拟环境光照干扰状况下测试血氧仪。可选择的模拟有：

光照类型 频率 说明

日光 无 Index 2通过控制一个LED的输出模拟日光照射，并

将此光照水平叠加于血氧模拟中。该光能及介于红光

和红外光脉冲之间。

人造光 50 Hz Hz（赫兹）是光每秒钟的周期。人造光在血压波形

上叠加50Hz的噪音，BPM固定为45。

人造光 60 Hz 人造光在血压波形上叠加60Hz的噪音，BPM固定为

45。

一般我们的测量环境是在50Hz的人造光条件下进行的。

脉搏血氧仪对危重病人的报警是非常重要的一项功能，所以对脉氧仪极限情况的测量，也是十分重要的。我们可设定被测脉搏血氧仪在达到预定的限定时发出报警声，以检测脉氧仪的极限报警情况。Index 2可模拟氧的状况、模拟脉搏率、模拟脉搏振幅、模拟心搏停止或无脉搏。

同时Index 2支持使用预先确定的测试程序自动进行测试，完成原先需要手动进行设定的测试工作。自动测试可节省我们的时间，免去重复对每台脉搏血氧仪设定测试参数的麻烦。只需在自动菜单（AUTO）中，确定一系列的参数，即可完成。

在Index 2中建立一个特定测试程序的方法是简单而直观的。只需进入自动序列菜单，输入或选择一个程序名称，确定程序的参数（输入测试水平等等），然后保存程序。保存后的程序可随时运行。因为程序是保存在Index 2的固化存储器里的，所以即使关闭电源程序依旧存在。只有一种途径可以使程序改变，就是我们进行修改或是恢复至默认（出厂时）状态。而这些功能大部分实在主菜单2（more）中完成。

可使用Index 2测试对若干种已通过FLUKE测定检验型号的血氧仪的探头进行功能测试，使用Index 2测试探头的步骤如下：

使用合适的适配器电缆将探头连接至Index 2的背面，打开Index 2的电源开关，在主菜单1中，按PRBE键,进入探头测试菜单，可进行以下三项测试：

z检验Index 2内是否安装了探头测试板；

z检查探头适配器电缆和探头接口是否连接；

z执行所有的测量，包括LED、光电探测器及阻抗测试。

我们可选择特定的探头测试，并可显示结果：

z LED及光电二极管电气测试；

z光电二极管探测器光学测试；

z引脚-对-引脚阻抗测试。

在探头测试菜单中，按LED键。屏幕显示如下：

R = 1.5 IR = 1.5 PHTO = .6

LEDS PHTO RES REDO esc

Index 2提供1.0mA电流的交流信号给红光及红外光二极管，每个二极管的测

试是独立进行的（电路上），以检测其功能是否可靠。每个元件的电压降被测量并显示出来（屏幕的第一行）。数值的范围是从0.0到2.0：

z0.0伏= LED短路；

z 1.4 +/- 伏= LED正常；

z 2.0或大于它的数值相当于开路；

光电二极管同时也被测试并显示，如果电气方面正常的话，约0.6伏。

我们可记录被测探头的电压读数，找出基准数据以供测试有问题的探头时作比较。

脉搏血氧仪的探头在被测试时，红色LED发光，使得光敏二极管输出测量的结果。然后LED停止工作，测量所得的结果在屏幕上显示出来。结果说明了在1mA 激励电流下的响应量的不同。红外光LED的测试也是如此。该过程重复数次，得出平均周围光照。结果显示为一对数值，一个是红光的，一个是红外光的，以固定的比例说明光敏二极管对于每个颜色的响应。数值越高，响应越大。数值的范围可从0-2000或更多，这只是正常值。该项测试把探头当作功能实体，接近于零的数字可诊断为探头失效。需要注意的是：因为显示的数值会由于探头的状况和两个LED和光敏二极管之间的距离和角度而变化，所以检查探头时要注意保持二极管的对齐。重复使用的SpO2传感器内置弹簧夹子，可保持LED和光敏二极管的排列一致，以获得较好的重复性；一次性使用的胶带固定式的SpO2传感器在使用时，要注意将LED和光敏二极管对齐，以获得准确的测试结果。

Index 2还可测量所有导线间的阻抗（每个引线相对于其他引线，除非两引线间连接的是LCD，这是单独测试的）。如果存在任意的低于150,000欧姆的阻抗，该数值将被显示。按MORE键，所有引线组合的阻抗都将显示出来。因为有的探头内有电阻，有的没有，因此测试结果必须对照探头的线路图进行分析。如果没有阻抗，则说明探头可能已损坏。

总体来说，Index 2基本可以满足我们对脉搏血氧仪测量的各种要求，通过对各种型号脉氧仪的检测，可以及早发现问题，保证临床工作的正常开展。在实际的使用过程中，还有各种各样的现实问题，需要我们在实践中不断摸索，不断进步。