反射式血氧飽和度測量儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及動(dòng)脈血氧飽和度的測量，特別涉及反射式血氧飽和度測量儀，所述測量儀包括固定件、固定在所述固定件的反射式血氧飽和度測量探頭，所述探頭包括一個(gè)發(fā)光源和至少一個(gè)光接收器，所述測量儀用于非末梢部位血氧飽和度的測量，所述發(fā)光源和光接收器位于待測組織的同一側(cè)。本實(shí)用新型的血氧測量儀可用于非末梢組織部位的測量，適用于長時(shí)間連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，且不受末梢血液灌注狀態(tài)的影響。
【專利說明】反射式血氧飽和度測量儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及動(dòng)脈血氧飽和度的測量，特別涉及反射式血氧飽和度測量儀。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的動(dòng)脈血氧飽和度(Sa02)是動(dòng)脈血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白(Hb02)的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比，它是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。目前國內(nèi)外Sa02測量普遍采用脈搏式血氧計(jì)，測量裝置基本結(jié)構(gòu)包括血氧探頭和信號(hào)處理裝置。血氧探頭是一個(gè)采用發(fā)光二極管和光敏元件組成的傳感器。發(fā)光二極管提供兩種或兩種以上波長的光。光敏元件的作用是把通過組織末端的帶有血氧飽和度信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理電路后將信號(hào)數(shù)字化。信號(hào)處理裝置是通過軟件系統(tǒng)掃描AD轉(zhuǎn)換器采集到的紅光和紅外光強(qiáng)度信號(hào)，分別取得兩路信號(hào)的直流偏置電壓和脈搏信號(hào)的交流幅度電壓，根據(jù)朗伯-比爾定律的時(shí)域測量方法算出紅光信號(hào)的交流幅度與直流幅度之比和紅外光信號(hào)交流幅度與直流幅度之比，再計(jì)算出這兩者的比值，該比值與血氧飽和度值有相關(guān)性，然后通過查表法定出血氧飽和度值，再根據(jù)脈搏波的脈搏間期即可計(jì)算出當(dāng)前的脈率值。
[0003]現(xiàn)有Sa02測量技術(shù)多采用指端指套式測量方式，通過測量人體上充血的末梢組織如手指部位對(duì)不同波長的紅光和紅外光的吸光度變化率之比來推算出末梢組織的動(dòng)脈血氧飽和度。目前也有采用對(duì)耳垂部位進(jìn)行測量的耳夾式血氧儀，無論是指夾式血氧儀還是耳夾式血氧儀均采用透射式傳感器，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡單、信號(hào)穩(wěn)定性好、測量結(jié)果信噪比高。但是，指夾式血氧儀使用過程中存在明顯的缺點(diǎn):由于其戴在指端，測量時(shí)，不能作業(yè)或活動(dòng)，若對(duì)正在作業(yè)的人員或運(yùn)動(dòng)的人員進(jìn)行血氧飽和度測量，故不適合長時(shí)間作業(yè)環(huán)境下連續(xù)動(dòng)態(tài)測量；若需非運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下長時(shí)間測量，長時(shí)間佩戴指端容易產(chǎn)生擠壓不適，故不適合夜間休息長時(shí)間連續(xù)動(dòng)態(tài)測量；無論指夾式血氧儀還是耳夾式血氧儀均易受末梢血液灌注狀態(tài)的影響，故在溫度較低或其他影響微循環(huán)狀態(tài)的條件存在時(shí)，測量結(jié)果誤差較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提出一種利用反射式傳感器的原理來測量血氧飽和度的儀器。本實(shí)用新型提供一種反射式血氧飽和度測量儀，其通過如下方案實(shí)現(xiàn):
[0005]一種反射式血氧飽和度測量儀，包括固定件、固定在所述固定件上的反射式光電血氧飽和度測量探頭，所述探頭包括一個(gè)發(fā)光源和至少一個(gè)光接收器，其特征在于，所述測量儀用于非末梢部位血氧飽和度的測量，所述發(fā)光源和光接收器位于待測組織的同一側(cè)。
[0006]進(jìn)一步地,所述發(fā)光源包括至少一個(gè)LED燈。
[0007]優(yōu)選地，所述光接收器為2個(gè)。
[0008]進(jìn)一步地，所述光接收器為光電管。[0009]進(jìn)一步地，所述測量儀用于測量手掌小魚際肌或前額部位的血氧飽和度，或互補(bǔ)測量血氧飽和度。
[0010]特別地，可任選兩個(gè)位置互補(bǔ)測量血氧飽和度，所述位置處血容積變化信號(hào)中的交流成分足夠大。
[0011]進(jìn)一步地，當(dāng)用于測量小魚際肌部位時(shí)，手指不受固定件的約束在測量時(shí)可自如活動(dòng)，測量時(shí)固定件包裹在手掌上，所述探頭正好位于小魚際肌部位。
[0012]進(jìn)一步地，當(dāng)用于測量前額部位時(shí)，所述固定件包括固定反射式光電血氧飽和度測量探頭的頭帶，且長度可調(diào)整。
[0013]可選地，還包括無線發(fā)送模塊。
[0014]本實(shí)用新型通過上述技術(shù)方案，可實(shí)現(xiàn)反射式血氧飽和度的測量，重點(diǎn)在于長時(shí)間和作業(yè)或運(yùn)動(dòng)條件下對(duì)動(dòng)脈血氧飽和度進(jìn)行低負(fù)荷連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。本實(shí)用新型的反射式血氧飽和度的測量不受末梢血液灌注狀態(tài)的影響，測量誤差小。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為現(xiàn)有技術(shù)透射式血氧飽和度測量原理示意圖；
[0016]圖2為本實(shí)用新型反射式血氧飽和度測量原理示意圖；
[0017]圖3為本實(shí)用新型血氧飽和度測量中的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4為本實(shí)用新型第一實(shí)施例血氧飽和度測量儀；
[0019]圖5為本實(shí)用新型第一實(shí)施例血氧飽和度測量儀使用狀態(tài)示意圖；
[0020]圖6為本實(shí)用新型第二實(shí)施例血氧飽和度測量儀；
[0021]圖7為本實(shí)用新型第二實(shí)施例血氧飽和度測量儀使用狀態(tài)示意圖；
[0022]圖8為本實(shí)用新型血氧飽和度測量儀硬件方框原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而不能以此來限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。如在說明書及權(quán)利要求當(dāng)中使用了某些詞匯來指稱特定部件。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可理解，產(chǎn)品制造商可能會(huì)用不同名詞來稱呼同一個(gè)部件。本說明書及權(quán)利要求并不以名稱的差異來作為區(qū)分部件的方式，而是以部件在功能上的差異來作為區(qū)分的準(zhǔn)則。說明書后續(xù)描述為實(shí)施本實(shí)用新型的較佳實(shí)施方式，然所述描述乃以說明本新型的一般原則為目的，并非用以限定本實(shí)用新型的范圍。本實(shí)用新型的保護(hù)范圍當(dāng)視所附權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
[0024]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025]附圖1為現(xiàn)有技術(shù)血氧飽和度測量原理示意圖，其中采用透射式測量方式，透射式脈搏血氧飽和度測量裝置的傳感器通常安置在人體充血的末梢組織，如人的手指、腳趾或耳垂部位，且發(fā)光源I (LED)和光感應(yīng)裝置2 (PD)設(shè)置在待測組織相對(duì)的兩端，其相向安置，如圖1所示的測量手指3時(shí)的示意圖。發(fā)光源I (LED)發(fā)出的光，其中部分光透過被測組織區(qū)域到達(dá)光感應(yīng)裝置2 (PD),因而此種測量方法稱為透射式血氧飽和度測量方法。此種測量方法為一個(gè)發(fā)射光源1，一個(gè)接收端2，本說明書中所指的一個(gè)發(fā)射光源I可以包括多個(gè)LED燈。[0026]在圖1中，光接收器2 (PD)檢測的是發(fā)光源I (LED)向前透視過手指3的出射光。很顯然透射式脈搏血氧飽和度傳感器在人體身體上的測量部位具有局限性，只能在人體邊緣的部位進(jìn)行測量，例如手指、耳垂或腳趾部位進(jìn)行血氧飽和度的測量，雖也有用透射式測量方法測量嬰兒的手掌和腳掌，但此透射式測量還是有其局限性，其不適于長時(shí)間作業(yè)狀態(tài)下測量，且受末梢血液灌注狀態(tài)的影響。
[0027]現(xiàn)有技術(shù)中的血氧飽和度測量通常是用于醫(yī)院中對(duì)病人動(dòng)脈血氧保護(hù)度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，以了解病人呼吸循環(huán)生理指征，便于采取進(jìn)一步的處理。該技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如技術(shù)簡單、信號(hào)穩(wěn)定性好、測量結(jié)果信噪比高等。但是現(xiàn)有技術(shù)的測量方法只適合醫(yī)院中的病人，并不適合正常人的血氧飽和度監(jiān)測。例如不適于測量長時(shí)間作業(yè)環(huán)境下或體育運(yùn)動(dòng)時(shí)的連續(xù)動(dòng)態(tài)非醫(yī)療診斷目的的血氧飽和度測量，且測量結(jié)果易受末梢血液灌注狀態(tài)的影響，故在溫度較低或其他影響微循環(huán)狀態(tài)的條件下，測量結(jié)果誤差較大。
[0028]本實(shí)用新型為了解決上述缺陷，根據(jù)人體動(dòng)脈分布情況，選取非末梢區(qū)域的手掌小魚際或額頭部區(qū)域進(jìn)行動(dòng)脈血氧飽和度測量，上述區(qū)域動(dòng)脈血流動(dòng)相對(duì)比較穩(wěn)定，且不易受血液灌注狀態(tài)的影響，適于作業(yè)或運(yùn)動(dòng)下長時(shí)間監(jiān)測血氧值，經(jīng)實(shí)際使用，測量結(jié)果精確。顯而易見地，本實(shí)用新型的測量儀也可用于臨床病人血氧值的監(jiān)測，但本實(shí)用新型的測量方法僅用于非診斷目的的血氧飽和度的測量。
[0029]對(duì)于手掌小魚際和額頭部區(qū)域進(jìn)行測量，顯然現(xiàn)有的透射式測量方式不適用，本實(shí)用新型采用反射式測量方式，測量原理見附圖2所示。
[0030]在圖2中，反射式動(dòng)脈血氧飽和度測量裝置包括一個(gè)發(fā)射光源I (LED)，其可包括至少I個(gè)LED燈，和多個(gè)光感應(yīng)裝置2 (H))，優(yōu)選包含2個(gè)光感應(yīng)裝置2 (H))，接收反射的光，其中發(fā)射光源(LED)和光感應(yīng)裝置(PD)位于待測組織的同一側(cè)。其中附圖標(biāo)記4為非末梢組織，附圖標(biāo)記5為骨組織，如果光遇到骨組織時(shí)，反射光信號(hào)會(huì)加強(qiáng)。
[0031]在這種方式中光感應(yīng)器也即光電管2 (PD)檢測發(fā)光源I (LED)的反射光或者散射光。理論上，采用這種方式可以在人體的很多部位安置傳感器，彌補(bǔ)了透射方式傳感器安置部位的限制。通常傳感器可以安置在額頭、下巴、手腕或手掌等處。
[0032]透射式血氧飽和度測量中采用一個(gè)發(fā)射源和一個(gè)光接收端，由于光的漫反射，單個(gè)光電管(PD)接收到的光信號(hào)只占總?cè)肷涔庑盘?hào)的很小一部分。為了提高信噪比，反射式血氧飽和度測量可以考慮多光電管(PD)接收，優(yōu)選2個(gè)光電管，如圖2所示即為一個(gè)發(fā)射兩個(gè)接收的情形。附圖3示出了兩種傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為單發(fā)射單接收情形；(b)為單發(fā)射六個(gè)接收情形。
[0033]光感應(yīng)裝置-光電管(PD)光電管就是光子電探測器，用于血氧飽和度測量的光子電探測器一般是以光導(dǎo)模式工作的PIN光電管。光電管所生成的光電流I與入射光功率P的關(guān)系為:
[0034]I = α P
[0035]其中，α為光電轉(zhuǎn)換因子，光電轉(zhuǎn)換因子和量子效率，入射光頻率有關(guān)。其中量子效率的主要影響因素包括光敏面大小及表面反射特性、材料內(nèi)部的非本征吸收和光生載流子的復(fù)合損耗。采用多光電管接收的目的就是為了加大光敏面以提高量子效率。
[0036]但是光電管自身會(huì)產(chǎn)生噪聲電壓Vn，這在小信號(hào)測量中是不可忽略的因素。噪聲電壓和光電管光敏面面積A的平方根成正比。Vn°cAi/2。當(dāng)入射光所產(chǎn)生的輸出電壓的均方根等于光電管本身的噪聲電壓的均方根時(shí)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的輻射功率叫噪聲等效功率NEP。
[0037]—方面為了提高光電轉(zhuǎn)換效率需要加大光敏面積，另一方面為了抑制噪聲電壓需要減小光敏面積。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用雙光電管接收是解決這個(gè)矛盾的最好方法。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):再增加一個(gè)光電管雖然可以加強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，但信號(hào)中的直流成分也隨之提高。信號(hào)中直流成分過大限制了初級(jí)電路的增益(產(chǎn)生信號(hào)飽和)。所以在有限電源電壓(3V)的情況下，適當(dāng)增加接收光電管是提高反射式脈搏血氧飽和度信噪比的方法。
[0038]事實(shí)上，透射式的主要優(yōu)點(diǎn)是ro接收光強(qiáng)度大。由于穿透人體組織的透射光強(qiáng)遠(yuǎn)大于反射或散射光強(qiáng)，所以信號(hào)質(zhì)量一般都優(yōu)于反射方式，前提是發(fā)光源以足夠的光強(qiáng)照射測量部位并保證穿透能力。透射式的主要缺點(diǎn)是傳感器在人體上的可安置部位有限。而反射式血氧飽和度測量方式從理論上講只要血容積變化信號(hào)(PPG)中的交流(AC)成分足夠大就可以在人體的任何部位進(jìn)行測量。人體很多部位都有PPG信號(hào)，尤其以手指、手掌、額頭和下巴部位的信號(hào)比較強(qiáng)。手指是透射式測量血氧飽和度的最佳部位，而手掌和額頭的皮下具有較豐富的毛細(xì)動(dòng)脈血管，是反射式測量血氧飽和度的最佳部位。雖然常用的指夾式或耳夾式透射式血氧飽和度測量方式可以提供高質(zhì)量的PPG信號(hào)，但是不可能用于作業(yè)人員的生命特征監(jiān)測。一方面是指夾傳感器占用手指，影響正常作業(yè)。另一方面耳垂或手指部位的血管受環(huán)境溫度影響比較大，溫度低時(shí)呈現(xiàn)低灌注狀態(tài)。還有手指部位的血紅蛋白對(duì)主動(dòng)脈血液缺氧的響應(yīng)比較慢(大約I分鐘)。而反射式血氧飽和度測量具有傳感器安置方便(可以安置在帽子或手套里)，對(duì)主動(dòng)脈血液缺氧的響應(yīng)比較快等優(yōu)點(diǎn)，所以可以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)和作業(yè)中的血氧飽和度測量。
[0039]因此，本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有指端Sa02測量技術(shù)不適合長時(shí)間和作業(yè)環(huán)境下的測量，本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種具有以上條件下動(dòng)脈血氧飽和度多部位互補(bǔ)的低負(fù)荷測量技術(shù)。
[0040]實(shí)施方式1:在手掌小魚肌部位測量血氧飽和度。如圖4所示，該測量儀包括一個(gè)固定反射式傳感器的固定件，具體為適于佩戴在手掌處的固定套6，該固定套6的一側(cè)具有某種結(jié)構(gòu)，具體為兩個(gè)翼61和62，拇指從兩個(gè)翼之間的空隙中穿過，測量時(shí)，拇指可隨意活動(dòng)；靠近固定套6另一側(cè)的一端處用于固定有反射式血氧探頭7，在另一端固定設(shè)有延伸部63，延伸部可為任何的形式，主要起連接作用，在延伸部63及翼部上可設(shè)有連接裝置，可以是尼龍搭扣，也可以是其他形式的連接裝置，用于將固定套6固定在人的手掌處，其反射式血氧探頭7正好對(duì)應(yīng)人手掌小魚際肌部位。圖5為圖4所示的測量儀在實(shí)際測量時(shí)的佩戴示意圖?？蛇x擇地設(shè)置反射式血氧飽和度測量模塊無線發(fā)射模塊8。
[0041]實(shí)施方式2:在額頭部位測量血氧飽和度。如圖6所示，該測量儀包括固定反射式血氧探頭7的固定件6，具體為固定帶，固定帶包括固定在前額的帶65，其環(huán)繞頭部并固定于頭部；還包括頭帶66，其用于固定在頭頂部位，帶65和66均設(shè)置為長度可調(diào)。圖7為圖6所示的測量儀在實(shí)際測量時(shí)的佩戴示意圖。此測量儀也可設(shè)置無線發(fā)射模塊。
[0042]實(shí)施方式3:采用手掌小魚際肌與前額頭部為互補(bǔ)測量血氧飽和度。為了獲得更為準(zhǔn)確的測量結(jié)果，可以同時(shí)在手掌小魚際肌和前額部位測量血氧保護(hù)度，選取信號(hào)穩(wěn)定的部位測量的血氧飽和度值作為最終的測量值。也可以選取其他適合測量的部位進(jìn)行互補(bǔ)測量血氧飽和度。
[0043]上述測量部位均不影響正?；顒?dòng)和作業(yè)，測量負(fù)荷低，可以在睡眠檢測中使用，且體積小、低功耗連續(xù)測量應(yīng)用范圍廣。
[0044]如圖8所示，本實(shí)用新型測量方法的具體操作步驟為:
[0045]1、將雙接收反射式光電傳感器固定在固定件的相應(yīng)部位；
[0046]2、通過單片機(jī)控制反射式光電傳感器的發(fā)光時(shí)序；
[0047]3、將反射式光電傳感器接收到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；
[0048]4、將轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)放大；
[0049]5、將放大后的電壓信號(hào)通過單片機(jī)內(nèi)置的Α/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；
[0050]6、對(duì)于單片機(jī)根據(jù)所采數(shù)字信號(hào)分析計(jì)算出血氧值并可選擇性地通過無線模塊發(fā)送出去。
[0051]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案創(chuàng)新之處在于:
[0052]為同時(shí)滿足低負(fù)荷和不干擾作業(yè)要求提出在額頭部和手掌小魚際肌部位互補(bǔ)測量方案，額頭部測量主要用于白天作業(yè)條件下，而手掌小魚際肌部位測量主要用于夜間臥床休息時(shí)，可進(jìn)一步降低佩戴負(fù)荷。
[0053]為了實(shí)現(xiàn)額頭部及手掌小魚際肌部位監(jiān)測技術(shù)，運(yùn)用了反射式Sa02測量技術(shù)并提出了固定佩帶方案。實(shí)踐已經(jīng)證明在額頭部及小魚際肌部分的反射式Sa02測量技術(shù)及其固定方案既可避免長時(shí)手指固定帶的不適感，也減少了末梢微循環(huán)狀態(tài)對(duì)測量結(jié)果的影響。
[0054]為了提高測量的信噪比，額頭部和手掌小魚際肌部位測量均采用雙接收光電傳感器。
[0055]為了提高測量信號(hào)的可靠性，手掌小魚際肌部位測量采用雙路反射式血氧探頭，并專門設(shè)計(jì)算法，對(duì)雙路信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行判斷，取質(zhì)量好的信號(hào)計(jì)算血氧飽和度。
[0056]在傳感器信號(hào)處理電路中采用了自動(dòng)消除直流成份功能，在反射式血氧飽和度測量方法中直流成份過大限制了交流增益的提高，所以必須要有效消除直流成份。
[0057]值得注意的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非因此限定本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍，本實(shí)用新型還可以對(duì)上述各種零部件的構(gòu)造進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，或者是采用技術(shù)等同物進(jìn)行替換。故凡運(yùn)用本實(shí)用新型的說明書及圖示內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變化，或直接或間接運(yùn)用于其他相關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】均同理皆包含于本實(shí)用新型所涵蓋的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種反射式血氧飽和度測量儀，包括固定件、固定在所述固定件上的反射式光電血氧飽和度測量探頭，所述探頭包括一個(gè)發(fā)光源和至少一個(gè)光接收器，其特征在于，所述測量儀用于非末梢部位血氧飽和度的測量，所述發(fā)光源和光接收器位于待測組織的同一側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于，所述發(fā)光源包括至少一個(gè)LED燈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于，所述光接收器為2個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于，所述光接收器為光電管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于，所述測量儀用于測量手掌小魚際肌或前額部位的血氧飽和度，或互補(bǔ)測量血氧飽和度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于，可任選兩個(gè)位置互補(bǔ)測量血氧飽和度，所述位置處血容積變化信號(hào)中的交流成分足夠大。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量儀，其特征在于，當(dāng)用于測量小魚際肌部位時(shí)，手指不受固定件的約束在測量時(shí)可自如活動(dòng)，測量時(shí)固定件包裹在手掌上，所述探頭正好位于小魚際肌部位。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量儀，其特征在于，當(dāng)用于測量前額部位時(shí)，所述固定件包括固定反射式光電血氧飽和度測量探頭的頭帶，其長度可調(diào)整。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的測量儀，其特征在于，還包括無線發(fā)送模塊。
【文檔編號(hào)】A61B5/1455GK203524682SQ201320680426
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】俞夢(mèng)孫, 呂沙里, 郭濤, 曹征濤, 余海, 王乃中, 俞立, 余良 申請(qǐng)人:北京新興陽升科技有限公司