反射式血氧飽和度測量儀的制作方法

反射式血氧飽和度測量儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及動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，所述探頭包括一個發光源和至少一個光接收器，所述測量儀用于非末梢部位血氧飽和度的測量，所述發光源和光接收器位于待測組織的同一側。本實用新型的血氧測量儀可用于非末梢組織部位的測量，適用于長時間連續動態監測，且不受末梢血液灌注狀態的影響。
【專利說明】反射式血氧飽和度測量儀
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及動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】
[0002]現有的動脈血氧飽和度(Sa02)是動脈血液中被氧結合的氧合血紅蛋白(Hb02)的容量占全部可結合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比，它是呼吸循環的重要生理參數。目前國內外Sa02測量普遍采用脈搏式血氧計，測量裝置基本結構包括血氧探頭和信號處理裝置。血氧探頭是一個采用發光二極管和光敏元件組成的傳感器。發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轉換成電信號，經信號處理電路后將信號數字化。信號處理裝置是通過軟件系統掃描AD轉換器采集到的紅光和紅外光強度信號，分別取得兩路信號的直流偏置電壓和脈搏信號的交流幅度電壓，根據朗伯-比爾定律的時域測量方法算出紅光信號的交流幅度與直流幅度之比和紅外光信號交流幅度與直流幅度之比，再計算出這兩者的比值，該比值與血氧飽和度值有相關性，然后通過查表法定出血氧飽和度值，再根據脈搏波的脈搏間期即可計算出當前的脈率值。
[0003]現有Sa02測量技術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脈血氧飽和度。目前也有采用對耳垂部位進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，這種方式的優點是技術簡單、信號穩定性好、測量結果信噪比高。但是，指夾式血氧儀使用過程中存在明顯的缺點:由于其戴在指端，測量時，不能作業或活動，若對正在作業的人員或運動的人員進行血氧飽和度測量，故不適合長時間作業環境下連續動態測量；若需非運動狀態下長時間測量，長時間佩戴指端容易產生擠壓不適，故不適合夜間休息長時間連續動態測量；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的影響，故在溫度較低或其他影響微循環狀態的條件存在時，測量結果誤差較大。

【發明內容】

[0004]本實用新型為克服現有技術的上述缺陷，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，其通過如下方案實現:
[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，所述探頭包括一個發光源和至少一個光接收器，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，所述發光源和光接收器位于待測組織的同一側。
[0006]進一步地,所述發光源包括至少一個LED燈。
[0007]優選地，所述光接收器為2個。
[0008]進一步地，所述光接收器為光電管。[0009]進一步地，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，或互補測量血氧飽和度。
[0010]特別地，可任選兩個位置互補測量血氧飽和度，所述位置處血容積變化信號中的交流成分足夠大。
[0011]進一步地，當用于測量小魚際肌部位時，手指不受固定件的約束在測量時可自如活動，測量時固定件包裹在手掌上，所述探頭正好位于小魚際肌部位。
[0012]進一步地，當用于測量前額部位時，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，且長度可調整。
[0013]可選地，還包括無線發送模塊。
[0014]本實用新型通過上述技術方案，可實現反射式血氧飽和度的測量，重點在于長時間和作業或運動條件下對動脈血氧飽和度進行低負荷連續動態監測。本實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的影響，測量誤差小。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為現有技術透射式血氧飽和度測量原理示意圖；
[0016]圖2為本實用新型反射式血氧飽和度測量原理示意圖；
[0017]圖3為本實用新型血氧飽和度測量中的傳感器結構示意圖；
[0018]圖4為本實用新型第一實施例血氧飽和度測量儀；
[0019]圖5為本實用新型第一實施例血氧飽和度測量儀使用狀態示意圖；
[0020]圖6為本實用新型第二實施例血氧飽和度測量儀；
[0021]圖7為本實用新型第二實施例血氧飽和度測量儀使用狀態示意圖；
[0022]圖8為本實用新型血氧飽和度測量儀硬件方框原理圖。
【具體實施方式】
[0023]以下實施例僅用于更加清楚地說明本實用新型的技術方案，而不能以此來限制本實用新型的保護范圍。如在說明書及權利要求當中使用了某些詞匯來指稱特定部件。本領域技術人員應可理解，產品制造商可能會用不同名詞來稱呼同一個部件。本說明書及權利要求并不以名稱的差異來作為區分部件的方式，而是以部件在功能上的差異來作為區分的準則。說明書后續描述為實施本實用新型的較佳實施方式，然所述描述乃以說明本新型的一般原則為目的，并非用以限定本實用新型的范圍。本實用新型的保護范圍當視所附權利要求所界定者為準。
[0024]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步詳細說明。
[0025]附圖1為現有技術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，且發光源I (LED)和光感應裝置2 (PD)設置在待測組織相對的兩端，其相向安置，如圖1所示的測量手指3時的示意圖。發光源I (LED)發出的光，其中部分光透過被測組織區域到達光感應裝置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發射光源1，一個接收端2，本說明書中所指的一個發射光源I可以包括多個LED燈。[0026]在圖1中，光接收器2 (PD)檢測的是發光源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行測量，例如手指、耳垂或腳趾部位進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，其不適于長時間作業狀態下測量，且受末梢血液灌注狀態的影響。
[0027]現有技術中的血氧飽和度測量通常是用于醫院中對病人動脈血氧保護度參數進行監測，以了解病人呼吸循環生理指征，便于采取進一步的處理。該技術具有很多優點，例如技術簡單、信號穩定性好、測量結果信噪比高等。但是現有技術的測量方法只適合醫院中的病人，并不適合正常人的血氧飽和度監測。例如不適于測量長時間作業環境下或體育運動時的連續動態非醫療診斷目的的血氧飽和度測量，且測量結果易受末梢血液灌注狀態的影響，故在溫度較低或其他影響微循環狀態的條件下，測量結果誤差較大。
[0028]本實用新型為了解決上述缺陷，根據人體動脈分布情況，選取非末梢區域的手掌小魚際或額頭部區域進行動脈血氧飽和度測量，上述區域動脈血流動相對比較穩定，且不易受血液灌注狀態的影響，適于作業或運動下長時間監測血氧值，經實際使用，測量結果精確。顯而易見地，本實用新型的測量儀也可用于臨床病人血氧值的監測，但本實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]對于手掌小魚際和額頭部區域進行測量，顯然現有的透射式測量方式不適用，本實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，反射式動脈血氧飽和度測量裝置包括一個發射光源I (LED)，其可包括至少I個LED燈，和多個光感應裝置2 (H))，優選包含2個光感應裝置2 (H))，接收反射的光，其中發射光源(LED)和光感應裝置(PD)位于待測組織的同一側。其中附圖標記4為非末梢組織，附圖標記5為骨組織，如果光遇到骨組織時，反射光信號會加強。
[0031]在這種方式中光感應器也即光電管2 (PD)檢測發光源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發射源和一個光接收端，由于光的漫反射，單個光電管(PD)接收到的光信號只占總入射光信號的很小一部分。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，優選2個光電管，如圖2所示即為一個發射兩個接收的情形。附圖3示出了兩種傳感器的結構示意圖，其中(a)為單發射單接收情形；(b)為單發射六個接收情形。
[0033]光感應裝置-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的關系為:
[0034]I = α P
[0035]其中，α為光電轉換因子，光電轉換因子和量子效率，入射光頻率有關。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、材料內部的非本征吸收和光生載流子的復合損耗。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]但是光電管自身會產生噪聲電壓Vn，這在小信號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。當入射光所產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，此時所對應的輻射功率叫噪聲等效功率NEP。
[0037]—方面為了提高光電轉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。通過實驗發現采用雙光電管接收是解決這個矛盾的最好方法。實驗發現:再增加一個光電管雖然可以加強信號強度，但信號中的直流成分也隨之提高。信號中直流成分過大限制了初級電路的增益(產生信號飽和)。所以在有限電源電壓(3V)的情況下，適當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]事實上，透射式的主要優點是ro接收光強度大。由于穿透人體組織的透射光強遠大于反射或散射光強，所以信號質量一般都優于反射方式，前提是發光源以足夠的光強照射測量部位并保證穿透能力。透射式的主要缺點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(PPG)中的交流(AC)成分足夠大就可以在人體的任何部位進行測量。人體很多部位都有PPG信號，尤其以手指、手掌、額頭和下巴部位的信號比較強。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動脈血管，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量的PPG信號，但是不可能用于作業人員的生命特征監測。一方面是指夾傳感器占用手指，影響正常作業。另一方面耳垂或手指部位的血管受環境溫度影響比較大，溫度低時呈現低灌注狀態。還有手指部位的血紅蛋白對主動脈血液缺氧的響應比較慢(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)，對主動脈血液缺氧的響應比較快等優點，所以可以實現在運動和作業中的血氧飽和度測量。
[0039]因此，本實用新型針對現有指端Sa02測量技術不適合長時間和作業環境下的測量，本實用新型要解決的技術問題是提供一種具有以上條件下動脈血氧飽和度多部位互補的低負荷測量技術。
[0040]實施方式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的一側具有某種結構，具體為兩個翼61和62，拇指從兩個翼之間的空隙中穿過，測量時，拇指可隨意活動；靠近固定套6另一側的一端處用于固定有反射式血氧探頭7，在另一端固定設有延伸部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正好對應人手掌小魚際肌部位。圖5為圖4所示的測量儀在實際測量時的佩戴示意圖。可選擇地設置反射式血氧飽和度測量模塊無線發射模塊8。
[0041]實施方式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均設置為長度可調。圖7為圖6所示的測量儀在實際測量時的佩戴示意圖。此測量儀也可設置無線發射模塊。
[0042]實施方式3:采用手掌小魚際肌與前額頭部為互補測量血氧飽和度。為了獲得更為準確的測量結果，可以同時在手掌小魚際肌和前額部位測量血氧保護度，選取信號穩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行互補測量血氧飽和度。
[0043]上述測量部位均不影響正常活動和作業，測量負荷低，可以在睡眠檢測中使用，且體積小、低功耗連續測量應用范圍廣。
[0044]如圖8所示，本實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部位；
[0046]2、通過單片機控制反射式光電傳感器的發光時序；
[0047]3、將反射式光電傳感器接收到的電流信號轉換成電壓信號；
[0048]4、將轉換后的電壓信號放大；
[0049]5、將放大后的電壓信號通過單片機內置的Α/D轉換成數字信號；
[0050]6、對于單片機根據所采數字信號分析計算出血氧值并可選擇性地通過無線模塊發送出去。
[0051]本實用新型采用的技術方案創新之處在于:
[0052]為同時滿足低負荷和不干擾作業要求提出在額頭部和手掌小魚際肌部位互補測量方案，額頭部測量主要用于白天作業條件下，而手掌小魚際肌部位測量主要用于夜間臥床休息時，可進一步降低佩戴負荷。
[0053]為了實現額頭部及手掌小魚際肌部位監測技術，運用了反射式Sa02測量技術并提出了固定佩帶方案。實踐已經證明在額頭部及小魚際肌部分的反射式Sa02測量技術及其固定方案既可避免長時手指固定帶的不適感，也減少了末梢微循環狀態對測量結果的影響。
[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，并專門設計算法，對雙路信號質量進行判斷，取質量好的信號計算血氧飽和度。
[0056]在傳感器信號處理電路中采用了自動消除直流成份功能，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，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并非因此限定本實用新型的專利保護范圍，本實用新型還可以對上述各種零部件的構造進行材料和結構的改進，或者是采用技術等同物進行替換。故凡運用本實用新型的說明書及圖示內容所作的等效結構變化，或直接或間接運用于其他相關【技術領域】均同理皆包含于本實用新型所涵蓋的范圍內。
【權利要求】
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，所述探頭包括一個發光源和至少一個光接收器，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，所述發光源和光接收器位于待測組織的同一側。
2.根據權利要求1所述的測量儀，其特征在于，所述發光源包括至少一個LED燈。
3.根據權利要求1所述的測量儀，其特征在于，所述光接收器為2個。
4.根據權利要求1所述的測量儀，其特征在于，所述光接收器為光電管。
5.根據權利要求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，或互補測量血氧飽和度。
6.根據權利要求1所述的測量儀，其特征在于，可任選兩個位置互補測量血氧飽和度，所述位置處血容積變化信號中的交流成分足夠大。
7.根據權利要求5所述的測量儀，其特征在于，當用于測量小魚際肌部位時，手指不受固定件的約束在測量時可自如活動，測量時固定件包裹在手掌上，所述探頭正好位于小魚際肌部位。
8.根據權利要求5所述的測量儀，其特征在于，當用于測量前額部位時，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，其長度可調整。
9.根據權利要求1至8任一項所述的測量儀，其特征在于，還包括無線發送模塊。
【文檔編號】A61B5/1455GK203524682SQ201320680426
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年10月29日 優先權日:2013年10月29日
【發明者】俞夢孫, 呂沙里, 郭濤, 曹征濤, 余海, 王乃中, 俞立, 余良 申請人:北京新興陽升科技有限公司