SpO₂是血液中氧合血红蛋白容量占全部血红蛋白容量的百分比, 其测量原理是依据朗伯比尔定律^[10]:当两种不同波长的光通过手指末端时, 受血液容积变化的影响, 其光吸收量会发生变化, 并产生光电容积脉搏波。实际测量时, 所测得的光电容积脉搏波可被分离为直流分量I_DC与交流分量I_AC两个部分, 对于波长为660 nm和940 nm的两路光电容积脉搏波, 分离后得到的入射光强分别为:I_660DC、I_660AC、I_940DC、 I940AC。

SpO₂的计算式^[11]为:

SpO₂=A· R+B(1)

R= I940DC/I940ACI660DC/I660AC (2)

式中:A、B的数值可通过FLUKE公司的INDEX SpO₂定标仪标定得到。

本文设计的装置以MSP430单片机为核心, 由环绕式脉搏血氧探头、光源驱动电路、信号调理电路、蓝牙通信电路等组成。装置工作时, 通过血氧探头来采集人体手指末端的PPG信号, 探头输出的是较为微弱的电流信号, 经电流/电压转换、前置放大、信号分离、滤波等信号调理电路的处理, 再经过模/数转换后, 由MSP430单片机采集PPG原始信号, 并经过蓝牙通信的方式发送到上位机进行处理^[12]。整体硬件框图如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 装置整体硬件框图Fig.1 Overall block diagram of the hardware in the device

1.3.1 环绕式脉搏血氧探头的接口设计

为了与临床商用脉搏血氧检测仪接轨, 本文设计采用了市场上最为流行的DS-100A型号7针探头接口, 它是目前临床监护仪上的通用接口, 可直接与市场上主流的菲康、迈瑞、GE等监护仪相连接。各引脚功能如表1所示。工作状态下, 当脚5为高电平, 脚6为低电平时, 660 nm的红光管被点亮, 940 nm的红外光管被截止; 反之, 则红外光管被点亮, 红光管被截止。脚1和脚7之间为特征电阻, 在商品仪器中通过此电阻来识别定标曲线, 用以解决由发光管规格不同而引起的测量偏差。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 传感器引脚定义 Table 1 Definition of sensor pins 引脚 功 能 1 与7连接电阻 2 - 3 光电接收管阳极 4 光电接收管阴极 5 发光管A 6 发光管B 7 与1连接电阻

表1 传感器引脚定义 Table 1 Definition of sensor pins

1.3.2 环绕式脉搏血氧探头的结构设计

目前, 商用SpO₂测量的传感器探头多为指夹式探头, 通过弹簧结构将指夹固定在手指两端, 其舒适性差, 在长期的睡眠监测中容易发生脱落, 影响监测结果的准确性。因此, 本文设计了一种稳定舒适的血氧探头, 以满足长期睡眠监测的需求。

图2为环绕式脉搏血氧探头实物图。作为衬底材质, 设计选用了透气性好、质地柔软的纺织布, 在其两端配有魔术贴结构, 使用时可缠绕在手指的两端, 以防止探头脱落。传感器连接线的一端与光电二极管和光电接收管相连接, 另一端用于连接探头接口。工作时, 双波长光电二极管和光电接收管将被分别置于手指的上、下两表面。

图2

Fig.2

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	图2 环绕式脉搏血氧探头实物图Fig.2 Practicality picture of the surround type pulse oximeter probe

由于采用柔性缠绕式结构, 使得该探头较传统的指夹式血氧探头更为舒适, 且选用魔术贴的结构也能更好地保证长期监测中的稳定性。

本文对已设计好的脉搏血氧探头进行了有效性测试。将探头与实验室购置的商用迈瑞IMEC10临床监护仪相连接, 通过监护仪来测量志愿者的脉搏SpO₂。

在测试过程中, 志愿者分别佩戴监护仪配置的指夹式脉搏血氧探头和基于环绕式血氧探头的SAS检测装置原型进行脉搏SpO₂的测量, 观察测量结果。图3为应用两种探头的实验测试图。从实验中可以看出, 自制脉搏血氧探头工作状况良好, 测量结果处于正常范围, 能够满足接下来的实验测试要求。

图3

Fig.3

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	图3 环绕式血氧探头和指夹式血氧探头实验测试图Fig.3 Picture of the surround type pulse oximeter probe test and clip type pulse oximeter probe test

为了验证SpO₂测量结果的准确性, 本文随机选取了10名志愿者进行实验测试。志愿者由年龄在22~40岁的5男5女组成, 身体状况良好, 身体质量指数(Body mass index, BMI)为21.32± 3.08(均值± 标准差)。测试过程中, 每位志愿者需要左手的食指和中指两处分别佩戴市场上主流商用的指夹式脉搏血氧探头和基于环绕式血氧探头的SAS检测装置原型。其中, 指夹式探头选用的是鱼跃医疗YX301型便携式脉搏血氧仪, 其显示精度为1%。自制环绕式血氧测量装置的显示精度保留到小数点后一位。测量过程中, 志愿者保持静坐姿势10 s, 待仪器稳定运行后, 读取有效数据。其中, 每位志愿者会同时应用两种血氧探头进行脉搏血氧信号采集10次, 并记录下他们的平均测量结果。

图4为实验测试图。表2给出了实验结果。通过对比二者所测得的SpO₂值可以看出, 两种探头在正常状态下具有很好的一致性。所测结果的最大相对误差为0.52%, 平均相对误差为0.265%。结果表明, 基于环绕式血氧探头的SAS检测装置原型可对SpO₂进行准确的监测。

图4

Fig.4

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	图4 血氧饱和度实验测试图Fig.4 Picture of SpO2detecting test

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 正常状态下血氧饱和度测试结果 Table 2 Test results of SpO2monitoring under normal condition 志愿者编号 指夹式 环绕式 相对误差/% 1 97 96.7 0.30 2 98 98.2 0.20 3 96 96.5 0.52 4 97 97.3 0.31 5 98 98.2 0.20 6 98 98.4 0.41 7 99 99.1 0.10 8 98 98.1 0.10 9 97 97.3 0.31 10 98 98.2 0.20

表2 正常状态下血氧饱和度测试结果 Table 2 Test results of SpO2monitoring under normal condition

有效的睡眠呼吸监测要求探头既要保证测量的准确性, 同时也要保证在呼吸暂停状态下监测的灵敏性。因此, 本文通过模拟呼吸暂停对SAS进行了初步检测, 以完成对检测装置原型有效性的验证。实验过程中让志愿者保持静坐姿势, 同样将两个探头置于志愿者左手的食指和中指, 待仪器稳定运行后, 志愿者根据自身状况随机进行呼吸暂停以模拟SAS, 记录SpO₂测量结果, 用以观察测试过程中SpO₂降低的情况。

表3为实验结果。其中, 两种方式监测到的模拟呼吸暂停时SpO₂分别为83.6± 7.44、83.8± 7.36, 其模拟范围完全符合文献[13, 14]报道的SAS发生时SpO₂下降程度, 85.7± 5.6以及93.1± 3.1。结果表明, 模拟呼吸暂停可充分反应SAS发生时的SpO₂下降情况, 且基于环绕式血氧探头的SAS检测装置原型可满足SAS监测对于SpO₂检测范围的要求。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 模拟呼吸暂停时血氧饱和度测试结果 Table 3 Test results of SpO2monitoring under the simulation of apnea 志愿者编号 指夹式 环绕式 相对误差/% 1 85 84.7 0.35 2 82 82.2 0.24 3 86 86.5 0.58 4 83 83.3 0.36 5 81 81.2 0.24 6 82 82.4 0.49 7 80 80.1 0.12 8 90 90.1 0.11 9 84 84.3 0.35 10 83 83.2 0.24

表3 模拟呼吸暂停时血氧饱和度测试结果 Table 3 Test results of SpO2monitoring under the simulation of apnea

通过对比二者所测得的SpO₂值可以看出, 两种探头在模拟呼吸暂停状态下具有很好的一致性。其中, 所测结果的最大相对误差为0.58%, 平均相对误差为0.308%。结果表明, 基于环绕式血氧探头的SAS检测装置原型可有效提供用于SAS诊断所需的SpO₂以及PPG信号, 为下一步工作中将要构建的SAS检测算法提供可靠的数据来源。