郭軍平 西華師范大學 四川南充 637000

一、前言

隨著現代生活節(jié)奏的日益加快，人們越來越重視健康生活，近年來，肺心病已成為一種常見的、嚴重威脅中老年人身體健康的疾病。根據國內近些年的數據統計，肺心病平均患病率已達到0.41%～0.47%。肺心病導致人體的通換氣不順從而引起了缺氧，長時間缺氧會引起更大疾病的發(fā)生。在臨床上，可以通過血氧飽和度(SpO2)的變化這一顯著特征來表征人體血氧情況。因此，SpO2的檢測對于肺心病的預防有十分重要的意義。同時，在產房、手術室、急診室以及其他科室，SpO2也是一項監(jiān)護病人病情的重要生理參數。

另外肝儲備功能是評價肝臟維持正常生理活動的重要依據，在肝病診斷、肝移植、肝切除手術中，肝儲備功能的臨床監(jiān)測能有效輔助肝臟疾病術前、術后臨床給藥和病人的身體康復。動脈血氧飽和SpO2是無創(chuàng)肝儲備功能測量中重要的中間測量參數，長時間連續(xù)測量血氧飽和度對臨床肝儲備功能測量、分析具有重要意義。當前市場上血氧飽和度檢測系統主要采用透射式光電容積脈搏波理論實現血氧測量，雖然能夠簡單方便檢測血氧飽和度，但是不易于日常生活中長期測量，無法有效反映測量者 24 h 的血氧飽和度波動情況，對肝儲備功能測量不能提供可靠的測量評估。針對這些問題，本文將設計和實現了一種基于集成模擬前端的具有較高準確度和精度的無創(chuàng)血氧測量系統，減小系統體積以便個人使用及攜帶。

二、本課題的研究歷史與研究現狀

1932年，Nicolai和Kramer這兩位科學家研制接近于現今使用的脈搏血氧飽和度測量儀。1935年，Matthes研制了第一個雙波長的耳部血氧測量探頭。這種設備可以實現脈搏血氧飽和度的測量。但這種設備測量緩慢，需要頻繁地校準，需要大量的輔助設備，并且不能有效的區(qū)分動脈和靜脈血流。這種早期設備采用紅光和綠光作為光源，改進后改用紅光和紅外光，提高了該設備的測量精確度。采用紅光和紅外光作為光源是我們現在實現脈搏血氧飽和度的基礎b1。

1942年，Millikan使用一個加溫的耳部探頭的脈搏血氧飽和度測量儀對飛行員在飛機大過載情況下發(fā)生短時喪失知覺的現象進行研究。Millikan將脈搏血氧飽和度測量儀裝備在飛機上。1949年，Wood重新設計了脈搏血氧儀，給它加了一個峰值，進而計算出血氧飽和度的值。由于這種設備對光源穩(wěn)定性有較高要求，沒有應用于臨床實踐中。Wood采用的這種方法在20世紀50年代成為一種最佳的無損傷檢測血氧飽和度的方法。如Water01 100A型血氧計，血氧飽和度測量范圍60——100%時，精度超過±2.98%。這種方法采用兩種波長，對紅外光和紅光的吸收進行測量，要求滿足兩個條件：①“無血條件”，即施加約200 mmHg的壓力把血從耳垂部擠走；②正常的血流，即用透照光使耳垂動脈化。在第一個條件下，測量的信號是與組織有關的光吸收，如肌肉、骨骼、皮膚等，但不包括血液的光吸收；在第二個條件下，測量的信號是與組織和血液有關的光吸收。第二個條件下測量的透射光強，減去第一個條件下測量的透射光強，最后剩下與動脈血光吸收有關的透射光強信號，由此去除了組織本身光吸收的影響；通過測量兩個光波長的透射光強信號，利用公式算出血氧飽和度。然而Elam和Coworker在經過對受壓耳朵的透射光研究后指出，即使加上200 mmHg的壓力，在耳輪里仍然保留著一些血。另外，色素的消光系數在整體血里隨著血細胞數目變化而變化；在細胞數目較低的情況下，消光系數和濃度之間的關系曲線變?yōu)榉蔷€性，以致使用此方法產生的無血組織的光吸收量是不一樣的。也就是說，此法不能取消組織本身（如肌肉、骨骼、皮膚等）的影響。再者，由于每個人的組織成分不同，因此每次測量都需要繁瑣地調整。

1964年Shaw設計了一種八波長的自身調整的耳部血氧計。如hp47201A型耳部血氧計。他的優(yōu)點是避免了上述繁瑣的調整技術，從650nm到1050nm的八個波長的光波，提供了一些有關耳朵組織內大量吸收物質的一些數據。

1973年，日本人Tahuo Aoyagi對傳統的脈搏血氧飽和度的測量儀進行了重大的改進，他采用紅光和紅外光穿過測量部位中脈動的動脈血管，直接利用光吸收的曲線法計算出脈搏血氧飽和度而不需要繁瑣的校準。開創(chuàng)了無創(chuàng)血氧飽和度測量的先河；1974年第一臺無創(chuàng)式脈搏血儀問世；1982年Nellcor公司研制出一種性能更好的脈搏血氧飽和度儀N—100，并形成了一種標準模式，即采用發(fā)光二極管作為光源、硅管作為光傳感器、微型計算機進行信號處理。血氧飽和度的測量從此進去了一個新的時代。

近代脈搏血氧濃度的研究中研究者一直在不斷的創(chuàng)新和取得突破，在盡可能的提高測量的精度同時，在脈搏血氧儀的體積、性能，功能的多樣化、測量方式、是否滿足臨床的需要這些方面也進行了優(yōu)化，致使現代脈搏血氧儀的研究中出現了很多類型的產品。

在測量的方法上：主要是利用光電傳感器去測量人某些部位（如手指、耳朵），然后將采集到的信號轉化成PPG信號進行分析，光電二極管在采集PPG信號時優(yōu)主要采用透射式和反射式兩種測量的方式。在測量時光電二極管在采集信號時怎么去除環(huán)境光的干擾，降低誤差成為了研究者研究的重點，在這個過程中研究者主要是通過一定的算法、或者采用指套式的采集設備去除環(huán)境光的干擾；在信號處理的方式上也是多種多樣的，主要的有以下幾種方式：采用MSP430超低功耗單片機、基于stm32系列單片機、基于AFE44X系列的模擬前端等方式。在定義動脈血氧飽和度的方式上在眾多的文獻中都是采用血液中氧合血紅蛋白( HbO2) 占氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白(Hb)的百分比，如公式(1)所示:能反應人體血液的攜氧能力，臨床認為血氧飽和度與患者的血氧含量緊密相關.基于脈搏波的血氧飽和度檢測已經在臨床上得到廣泛應用，它實現了連續(xù)、無創(chuàng)、快速檢測人體血氧飽和度的功能。無創(chuàng)脈搏血氧飽和度的測量原理圍繞著血液的動脈分量本質上是脈動的（隨時間變化的）。 因此，當LED燈入射到人體（例如手指、耳朵）時，從組織，動脈和靜脈之類的各種組件衰減后通過的光量也具有其在恒定分量上的脈動分量。脈搏血氧飽和度的目的是測量氧合血紅蛋白（HbO）對動脈血中總血紅蛋白（Hb）（氧合加脫氧）的百分比— 這被稱為SaO。血液中的氧合血紅蛋白是獨特的紅色，而血液中的脫氧血紅蛋白具有特征的深藍色。可見光（即400至700nm）和近紅外（即700至1000nm）光譜區(qū)域之間血液的光學性質在很大程度上取決于血液攜帶的O量。利用了如圖1所示的HbO，與HbO相比，Hb在660nm附近的紅色區(qū)域具有更高的光吸收系數的事實。另一方面，在940nm附近的光譜的近紅外區(qū)域中， Hb的光吸收比HbO低。在兩條曲線交叉的異常波長（即805nm）處，光的吸光度與氧合水平無關。

由 朗 伯－比 爾 定 律 推 得SaO 是與血液對兩路光吸光度的變化之比呈線性對應關系,通過檢測這種充血前后吸光度的變化求得 SaO。除了對動脈脈搏血氧濃度的測量外，隨著現在通信技術的迅猛發(fā)展研究者們將動脈脈搏血氧濃度的測量與現在通信技術結合起來做到如今的遠程實時醫(yī)療，在這些研究中研究者采用藍牙技術將動脈脈搏血氧濃度的數據實時的傳輸到手機，然后通過網絡實時傳送個醫(yī)院的醫(yī)生，也有的研究者通過ZigBee通信技術，做足不出戶就能夠將病情實時傳達給在線醫(yī)生，醫(yī)生根據實時的數據給出精確的治療方案。