血氧仪是如何得出血氧饱和度值的？

一、血氧饱和度概念

二、血氧饱和度监测意义

三、血氧饱和度的监测方式

四、容积脉搏波计算血氧饱和度原理

五、容积脉搏波波形的测量电路方案

1）光源和光电探测器的集成测量模块：SFH7050—反射式

2）模拟前端

六、市面上血氧仪类型

参考文献

一、血氧饱和度概念

测量血氧饱和度可以评估血液中氧气所占的比重，人体红细胞中的血红蛋白是氧气的载体，血红蛋白进一步分为氧合血红蛋白HbO2和还原血红蛋白Hb，氧合血红蛋白表示血红蛋白可以和氧气结合，还原血红蛋白表示血红蛋白不能和氧气结合。血氧饱和度表示为氧合血红蛋白浓度和总血红蛋白浓度之比，如下式所示：

$SO2=\frac{CHbO2}{(CHb+CHbO2)}*100%$

其中的CHbO2为氧合血红蛋白浓度，CHb为还原血红蛋白浓度，SO2分为动脉血氧饱和度SaO2（oxygen saturation in arterial blood）-通过有创方式获得，经皮动脉血氧饱和度SPO2（percutaneous arterial oxygen saturation）-通常在指端通过无创方式测量获得。

二、血氧饱和度监测意义

依据血氧饱和度的值能够对人体的呼吸状况和心肺功能进行判别，常用于睡眠呼吸暂停综合征监测、慢性阻塞性疾病发作、疾病重症度判断等。

一般情况下健康正常人的血氧饱和度值大于等于95%

《新型冠状病毒肺炎诊疗方案(试行第九版)》中显示，静息状态下，吸气时血氧饱和度低于93%是判定重症新冠肺炎的指标之一

三、血氧饱和度的监测方式

有创方式：穿刺获得动脉血液，并通过血气分析仪/分光计获得血氧饱和度值

无创方式：光电容积脉搏波法，分为透射式和反射式—目前市面上常见的指夹式血氧仪

四、容积脉搏波计算血氧饱和度原理

心脏的跳动，使得血管中的血液量呈现周期性变化，当用一定波长的光照射组织时，由于血液量的周期性变化使得光的吸收量不同，光电探测器读出的信号呈现周期性变化，该周期性变化的信号为容积脉搏波波形，通过计算脉搏波波形的特征点，结合公式计算出血氧饱和度值。（另一种通过压力传感器测量动脉血液压力随着心脏波动得出的信号波形为压力脉搏波波形）

透射式测量脉搏波波形

以手指为例，手指端的组织分为静态组织和动态组织，其中的动态组织为由于心脏搏动引起血液量变化的动脉。人体不同组织对光的吸收量不同，动态组织部分引起光的吸收量显现周期性变化，当血管中脉动血液量增多时，透射光最弱，当血管中脉动血液量减少时，透射光最强，因此上图中的出射光显示周期性变化。朗伯比尔定律反映了在一定波长光照射下，溶液的吸光度和浓度成正比，因此只要测量动脉血管的吸光度就能反映动脉血管中血液的浓度情况。

从血氧饱和度的概念，我们知道为了计算出血氧饱和度，需要测量氧合血红蛋白浓度和还原血红蛋白的浓度，下图所示为两种血红蛋白在不同波长光下的吸收系数情况。

选择两种波长（红光660nm 、红外光900-940nm）的光照射人体检测部位，获得两组方程(求解变量：两种血红蛋白各自的吸光度（通过该值可计算血氧饱和度）、已知变量：两种波长、两种波长下总吸光度)

应用朗伯-比尔定律并假定脉动血液中只存在两种血红蛋白，可推导出血氧饱和度的计算公式：

$Spo2=A-B*R$

$R={\frac{Imax^{\lambda 1}-Imin^{\lambda 1}}{Imax^{\lambda 1}}*{\frac{Imax^{\lambda 2}}{Imax^{\lambda 2}-Imin^{\lambda 2}}$

其中的λ1为红光波长、λ2为红外光波长

将获得的脉搏波波形的特征点：红光照射下获得脉搏波波形的峰值 $Imax^{\lambda 1}$ 、谷值 $Imin^{\lambda 1}$ 、红外光照射下获得脉搏波波形的峰值 $Imax^{\lambda 2}$ 、谷值 $Imin^{\lambda 2}$ ，带入上式可计算出血氧饱和度值。