指尖脉搏血氧仪的工作原理是怎样的？

大力水手

年初新冠肺炎刚爆发的时候，很多人开始关注起了脉搏血氧仪。因为指氧饱和度(血氧饱和度(SaO2)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb，hemoglobin)容量的百分比，即血液中血氧的浓度)是判断新冠病情严重与否的重要指标。我查资料写这篇回答的时候，才又想起来：脉搏血氧仪的发明人、日本工程师青柳卓男就是因新冠肺炎于今年4月18日在东京去世，享年84岁。
青柳卓男除了发明脉搏血氧仪，他还将脉搏血氧测量仪的原理用于色素稀释法测定，开发了一种商品化色素浓度图分析仪DDG-2001，(已经停产了)，用于人体肝脏储备功能的检测。有时间可以说说这个。相比如今市面上卖的几百块的国产脉搏血氧仪，色素浓度图分析仪貌似一直没有实现国产化，各大医院用的都还是日本的产品，很贵，六十多万一台。国内有也很多高校、公司发了很多相关的论文和专利，不过还是没见过落地的产品。扯远了，还是说脉搏血氧仪吧。
生物组织光谱吸收特性

当光照射到生物组织后，生物组织对光的效应主要可分为四类，包括吸收，散射，反射和荧光。如果排除散射因素，光在生物组织中传播的距离主要受制于吸收作用。光穿透一些透明物质（固态、液态或气态）时，由于一些特定频率成分有针对性地被吸收掉，光强度明显消减，这就是物质对光的吸收现象。物质吸收了光的多少被称为光密度，也被称为吸光度。



光被物质吸收示意图

光在物质传播的整个过程中，物质所吸收的光能大小与三个要素成比例关系，分别是光强度，光通路距离及光通路截面上吸光粒子数量。以均匀物质为前提，光通路截面上吸光粒子数量可视为单位体积吸光粒子数，即物质吸光粒子的浓度，则可得到朗伯一比尔定律:
可解释为物质浓度和光通路长度均为单位量时的光密度，能反应物质的吸光能力，表示物质的吸光本质特性。物质的吸光本质特性是不会随浓度的变化而变化，换言之，同一种物质的吸收光谱曲线的形状相同，只会因浓度不同而使吸收峰绝对位置发生改变，但相对位置不变。
物质在吸收过程中，吸收均发生在同一截面的容积内，吸收物质互不相关，且没有荧光化合物存在，也没有发生由于光辐射而改变媒质性质的现象存在，所以对于具有n个吸收成份的溶液，光密度A具备可加性。光密度的可加性为混合物中吸收物质各组成成份含量的定量测量方法提供了理论依据。



血红蛋白吸收谱

在生物组织光学中，通常把波段在 600～1300nm的光谱区称为“生物体光谱学之窗”，在这个波段的光对许多已知和未知的光谱治疗和光谱诊断具有特别意义。在红外区，水成为生物组织体中占主导地位的吸光物质，那么为了更好的获得目标物质对光的吸收信息，系统采用的波长必须避开水的吸收峰。由此，在近红外光谱范围 600～950nm 内，人体指端末梢组织有吸光能力的主要成份包括血液中的水、 O2Hb(氧合血红蛋白)、RHb(还原血红蛋白) 以及外周的皮肤黑色素等组织。


所以,我们可以通过分析出射谱的数据,来得到组织内待测成分浓度的有效信息.
当我们得到了, O2Hb和RHb浓度,就可以知道了氧饱和度.
血氧饱和度(SaO2)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb，hemoglobin)容量的百分比，即血液中血氧的浓度

脉搏

那么为什么叫脉搏血氧仪呢?
这里有一个新的概念:血流容积脉搏波.
在每一个心动周期内，心脏的收缩会导致主动脉根部血管内血液压力上升，进而使血管壁向外扩张，反之，心脏的舒张则导致主动脉根部血管内血液压力下降，进而使血管壁收缩。随着心动周期的不断重复，主动脉根部血管内血液压力的不断变化会传导至与其相连的下游血管乃至整个动脉管系，从而形成整个动脉血管管壁的不断扩张与收缩。也就是说，心脏的周期性跳动使主动脉中产生脉搏波，并沿血管壁波浪式的向前传播至整个动脉系。心脏每扩张收缩一次，动脉系统内发生压力变化，即产生一个周期脉搏波。这也就是我们平常说的脉搏波的产生过程。
脉搏波的波形特征可反映如心脏、血压、血流等多项生理信息，可为人体特定体征参数的无创检测提供重要信息。医学上，通常将脉搏波分为压力脉搏波与容积脉搏波两种类型。压力脉搏波主要表征血液压力传输，而容积脉搏波则表征血液流量的周期性变化特征。相比于压力脉搏波，容积脉搏波中会包含更多人体血管、血液流量等心血管重要信息，



典型血流容积脉搏波波

容积脉搏波的无创检测可通过光电容积脉搏波描记方法实现。采用特定波的光照射人体测量部位，光束经反射或透射作用后到达光电传感器，所接收到的光束中将携带容积脉搏波有效特征信息。由于血液容积随心脏的扩张与收缩周期性改变，心脏舒张时，血液容积量最小，血液对光的吸收作用若，传感器检测到的光强度最大；心脏收缩时，容积量最大，传感器检测到的光强最小。
指尖

以血流容积脉搏波为直接测量数据的无创检测中，对光谱测量部位的选择需要遵循以下原则：
（1）血管脉络应较为丰富，提高光谱中血红蛋白、ICG等有效信息在总物质信息中的比例；
（2）具有明显的血流容积变化特征，以有效采集容积脉搏波信号；
（3）不易受到外界干扰，且该处的组织特征受个体差异的影响较小，以便获取重复性与稳定性良好的人体光谱；
（4）便于实施光谱检测，易于受检者接受，以避免其在压力情绪下引发如心率过快、测量位置移动等干扰因素。



人体手掌血管分布示意图

手臂位置基本无法检测到脉搏波，因此不适用于血流容积脉搏波检测；手腕处于桡动脉附近，压力脉搏波信号强烈，皮肤易随之产生机械振动，可能导致检测的信号中除容积脉搏波之外还携带皮表反射的脉搏信息，难以准确表征血流容积变化特征，不适合用作测量位置；手掌虽为临床常用的抽血位置之一，但其骨骼相比手指较厚，而漫反射采集的手掌容积脉搏波信号幅度较低。图2-5 为手掌的血管分布。观察该图可知，手指前段分布着丰富的毛细血管网络，能够有效反映人体内血红蛋白含量情况，且该位置具有较明显的血流容积变化特征，是容积脉搏波的理想测量位置；手指的肌肉和骨骼组织相对较薄，因此背景干扰信息影响相对较小；此外，手指前端便于测量，且受检者无心理负担，有利于获得稳定的高信噪比光谱信号.

人体末梢组织的动脉血光密度模型

人体手指成分包括骨骼、指甲、皮肤、组织、静脉血以及动脉血，在与光相互作用过程中，由于心脏收缩向动脉充血，导致手指末梢动脉中血液体积随心脏的搏动而变化，导致测量光程的改变；而其他成分在整个光作用过程中光程不变化，是一个常数。



各组织的吸光效果及由动脉搏动引起的光密度的脉动变化示意图

某一特殊波长的光作用于人体指尖表皮时，可以将人的手指看作一个混合物，包括静态物质（光程不变）和动态物质（光程随物质容积变化而变化）两个部分。当光被指端组织吸收后，其透射光将被光电探测器接收。由于人体手指各组织成份的吸光能力，传感器采集到的透射光强度明显衰减。根据这一特点，建立人体指端光吸收的等效模型。

大力水手

血红蛋白的作用是携带氧气到身体的各个部位。我们把血红蛋白任意时刻的氧气含量称为血氧饱和度。手指式血氧仪测的就是这个血氧饱和度。血红蛋白有携带氧气的状态，当然也有空载状态，我们把携带氧气的血红蛋白称为氧合血红蛋白，空载状态的血红蛋白称为还原血红蛋白。
氧合血红蛋白和还原血红蛋白在可见光和接近红外线的频谱范围内具有不同的吸收特性。还原血红蛋白吸收较多的红色频率光线，吸收较少的红外频率光线；而氧合血红蛋白吸收较少的红色频率光线，吸收较多的红外频率光线。
利用红光和红外交替照射手指，接收端的光电二极管会产生一个跟随脉搏变化的微弱光电流，把光电流转换、滤波、放大后得到脉搏波形，根据波峰间距得到脉搏频率，根据红光和红外的光电流比例得出血氧饱和度。