(12)发明专利申请
(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 104605863 A (43)申请公布日(43)申请公布日 2015.05.13
(21)申请号 201310542711.7(22)申请日 2013.11.05
(71)申请人中国科学院深圳先进技术研究院
地址518055 广东省深圳市南山区西丽大学
城学苑大道1068号(72)发明人蒲莉娜 张元亭 吴丹 苏园园(74)专利代理机构深圳市铭粤知识产权代理有
限公司 44304
代理人杨林 李友佳(51)Int.Cl.
A61B 5/1455(2006.01)
权利要求书5页 说明书14页 附图4页
(54)发明名称
血氧饱和度的测量(57)摘要
本发明涉及医疗器械技术领域，提供一种血氧饱和度的测量方法、血氧饱和度的测量装置、氧利用率测量方法、氧利用率测量装置以及医疗器械。该血氧饱和度的测量方法包括如下步骤：S1、采集经被测组织作用过的至少两个不同波长的光信号；S2、分别获取所述光信号的光电容积脉搏波信号中的交流量以及直流量；S3、根据光子扩散方程和外推边界条件确定血氧饱和度方程；S4、根据交流量与直流量比值以及血氧饱和度方程，获取血氧饱和度。本发明通过引入静脉血氧饱和度，根据光子扩散方程和外推边界条件确定血氧饱和度方程，保证了血氧饱和度测量源头上的科学性，提高了动脉血氧饱和度的测量准确性。 C N 1 0 4 6 0 5 8 6 3 ACN 104605863 A
权 利 要 求 书
1/5页
1.一种血氧饱和度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、采集经被测组织作用过的至少两个不同波长的光信号；S2、分别获取所述光信号的光电容积脉搏波信号中的交流量以及直流量；S3、根据光子扩散方程和外推边界条件确定血氧饱和度方程；S4、根据交流量与直流量比值以及血氧饱和度方程，获取血氧饱和度。2.如权利要求1所述血氧饱和度测量方法，其特征在于：所述步骤S1为：采集经被测组织作用过的第一波长光信号和第二波长光信号；所述步骤S4为：根据交流量最大值与直流量比值、交流量最小值与直流量比值以及血氧饱和度方程，获取血氧饱和度。
3.如权利要求2所述血氧饱和度测量方法，其特征在于：所述步骤S4通过下面血氧饱和度方程组获取血氧饱和度：
其中:
其中，为氧合血红蛋白的光子吸收系数，为还原血红蛋白的光子吸收系数，
H为血球容积计，vi为红细胞容积，SaO2,SvO2分别为动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度；
z0＝(μ′s+μa)-1，d为被测血氧的组织的厚度，μa为
2
CN 104605863 A
权 利 要 求 书
2/5页
吸收系数，μ′s为散射系数，zb＝2D(1+Reff)/(1-Reff)，D＝[3(μ′s+μa)]-1，Reff是光子在介质边界的内反射系数，μeff＝[3μa(μa+μ′s)]1/2，μeff,r和μeff,IR分别对应第一波长光和第二波长光的μeff系数。长光的吸收系数，
和
和
分别为静脉血液对第一波长光和第二波
分别为动脉血液对第一波长光和第二波长光的吸收系数；
(IAC/IDC)|r,Low、(IAC/IDC)|IR,Low为第一波长光、第二波长光交流量最小值与直流量比值，(IAC/IDC)|r,High、(IAC/IDC)|IR,High为第一波长光、第二波长光交流量最大值与直流量比值。
4.如权利要求1或者2所述血氧饱和度测量方法，其特征在于，所述光子扩散方程为：
其中，Φ(r,t)为能流率，S0(r,t)为源函数，D为扩散系
数，D＝[3（μ′s+μa)]-1，μa为吸收系数，μ′s为散射系数；所述外推边界条件为：Φ(ρ,z=-zb)=0，其中ρ是指被检测点到光源发射方向的垂直距离，z是指被检测点到光源入射侧组织界面的距离，zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，Reff是光子在介质边界的内反射系数。
5.如权利要求1或者2所述血氧饱和度测量方法，其特征在于，所述血氧饱和度方程为：
其中：
其中，吸收系数，
为交流量与直流量的比值，和分别为静脉血液和动脉血液的为还原血红蛋白的光子吸收系
为氧合血红蛋白的光子吸收系数，
数，H为血球容积计，vi为红细胞容积，SaO2,SvO2为动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度；
z0=(μ's+μa)-1，μeff=[3μa(μa+μ's)]1/2，d为
被测血氧的组织的厚度，μa为吸收系数，μ's为散射系数，zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，
Reff是光子在介质边界的内反射系数。D=[3(μ's+μa)]-1，
6.一种血氧饱和度测量装置，其特征在于，包括采集单元、计算单元、第一处理单元和第二处理单元；所述采集单元用于采集经被测组织作用过的至少两个不同波长的光信号；所述计算单元用于分别获取所述光信号的光电容积脉搏波信号中的交流量以及直流量；所述第一处理单元用于根据光子扩散方程和外推边界条件确定血氧饱和度方程；所述第二处
3
CN 104605863 A
权 利 要 求 书
3/5页
理单元用于根据交流量与直流量比值以及血氧饱和度方程，获取血氧饱和度。
7.如权利要求6所述的血氧饱和度测量装置，其特征在于：
所述采集单元用于采集经被测组织作用过的第一波长光信号和第二波长光信号；所述第二处理单元用于根据交流量最大值与直流量比值、交流量最小值与直流量比值以及血氧饱和度方程，获取血氧饱和度。
8.如权利要求7所述血氧饱和度测量装置，其特征在于，所述第二处理单元通过下面血氧饱和度方程组获取血氧饱和度：
其中:
其中，为氧合血红蛋白的光子吸收系数，为还原血红蛋白的光子吸收系数，
H为血球容积计，vi为红细胞容积，SaO2,SvO2分别为动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度；
z0=(μ's+μa)-1，d为被测血氧的组织的厚度，μa为吸
收系数，μ's为散射系数，zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，D=[3(μ's+μa)]-1，Reff是光子在介质边界的内反射系数，μeff=[3μa(μa+μ's)]1/2，μeff,r和μeff,IR分别对应第一波长光和第二波长光的μeff系数。数，
和
和
分别为静脉血液对第一波长光和第二波长光的吸收系
分别为动脉血液对第一波长光和第二波长光的吸收系数；(IAC/IDC)|r,Low、
4
CN 104605863 A
权 利 要 求 书
4/5页
(IAC/IDC)|IR,Low为第一波长光、第二波长光交流量最小值与直流量比值，(IAC/IDC)|r,High、(IAC/IDC)|IR,High为第一波长光、第二波长光交流量最大值与直流量比值。
9.如权利要求6或者7所述的血氧饱和度测量装置，其特征在于，所述光子扩散方程为：
其中，Φ(r,t)为能流率，S0(r,t)为源函数，D为扩
散系数，D=[3(μ's+μa)]-1,μa为吸收系数，μ's为散射系数；所述外推边界条件为：Φ(ρ,z=-zb)=0，其中ρ是指被检测点到光源发射方向的垂直距离，z是指被检测点到光源入射侧组织界面的距离，zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，Reff是光子在介质边界的内反射系数。
10.如权利要求6或者7所述的血氧饱和度测量装置，其特征在于，所述血氧饱和度方程为：
其中：
其中，系数，
为交流量与直流量的比值，和分别为静脉血液和动脉血液的吸收为还原血红蛋白的光子吸收系数，
为氧合血红蛋白的光子吸收系数，
H为血球容积计，vi为红细胞容积，SaO2,SvO2为动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度；
z0=(μ's+μa)-1，μeff=[3μa(μa+μ's)]1/2，d为
被测血氧的组织的厚度，μa为吸收系数，μ's为散射系数，zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，D=[3(μ's+μa)]-1，Reff是光子在介质边界的内反射系数。
11.一种氧利用率测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S100、利用权利要求1至5任一项所述的血氧饱和度测量方法获取动脉血氧饱和度以及静脉血氧饱和度；
S200、利用下面公式获取氧利用率：
其中OUR为氧利用率。
12.一种氧利用率测量装置，其特征在于，包括权利要求6至10任一项所述的血氧饱和度测量装置和氧利用率计算装置；所述血氧饱和度测量装置用于获取动脉血氧饱和度和静
5
CN 104605863 A
权 利 要 求 书
5/5页
脉血氧饱和度；所述氧利用率计算装置用于利用下面公式获取氧利用率：
其中OUR为氧利用率。
13.一种医疗设备，其特征在于，包括权利要求6至10任一项所述的血氧饱和度测量装置和/或权利要求12所述的氧利用率测量装置。
6
CN 104605863 A
说 明 书血氧饱和度的测量
1/14页
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种血氧饱和度的测量方法、血氧饱和
度的测量装置、氧利用率测量方法、氧利用率测量装置以及医疗器械。
[0001]
背景技术
现在国内外血氧饱和度测量普遍采用脉搏式血氧仪，测量装置基本结构包括血氧传感器和信号处理装置。血氧传感器是由双发光二极管、光电二极管以及相关机械结构构成，是比较常见的医疗传感器。双发光二极管提供了测量所需的两种不同波长的光，一般为红光发光二极管和红外光发光二极管。光电二极管一般是把通过组织末端的带有血氧饱和度信息的光信号转换成电信号。信号处理装置将该电信号进行数字化，并采用基于朗伯特-比尔定律得出的算法计算出血氧饱和度。该血氧仪能够测量血氧饱和度还基于氧合血红蛋白(Oxygenated hemoglobin,HbO2)和还原血红蛋白(Deoxygenated hemoglobin,Hb)在红光光谱区和红外光谱区的光学特性不同，具有不同的光吸收系数。因此，当一定光强度的红光和红外光加到手指上时，通过分别检测两种波长的光的透射强度，再通过手指对两种光光密度变化量的比值计算出氧合血红蛋白的含量，从而计算出血氧饱和度。目前，血氧饱和度都是通过下面公式计算得到的：
[0002] [0003]
[0004] 为HbO2对红光光子、红外光光子的吸收系数，
为Hb对红光光子、红外光光子的吸收系数。
公式（1）的得出还是基于这样一种假设为前提得到的，该假设为：血氧光信号的
光电容积脉搏波信号PPG(Photoplethysmography)中交流成分只由动脉搏动造成的。[0006] 然而，本申请发明人通过研究发现，现有的血氧仪测量得出的血氧饱和度结果不是很稳定，其准确性还有待提高。
[0005]
发明内容
有鉴于此，本发明为解决现有技术中血氧饱和度测量准确性比较差的技术问题，提供一种新的血氧饱和度测量方法和装置。
[0008] 本发明实施例的一种血氧饱和度测量方法，其中，包括如下步骤：[0009] S1、采集经被测组织作用过的至少两个不同波长的光信号；[0010] S2、分别获取所述光信号的光电容积脉搏波信号中的交流量以及直流量；[0011] S3、根据光子扩散方程和外推边界条件确定血氧饱和度方程；[0012] S4、根据交流量与直流量比值以及血氧饱和度方程，获取血氧饱和度。[0013] 进一步，所述步骤S1为：采集经被测组织作用过的第一波长光信号和第二波长光
[0007]
7
CN 104605863 A
说 明 书
2/14页
信号；所述步骤S4为：根据交流量最大值与直流量比值、交流量最小值与直流量比值以及血氧饱和度方程，获取血氧饱和度。[0014] 进一步，所述步骤S4通过下面血氧饱和度方程组获取血氧饱和度：
[0015] 其中:
[0016] [0017] [0018]
[0019]
[0020] 其中，为氧合血红蛋白的光子吸收系数，为还原血红蛋白的光子吸收系
数，H为血球容积计，vi为红细胞容积，SaO2,SvO2分别为动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度；
z0=(μ's+μa)-1，d为被测血氧的组织的厚度，μa为
吸收系数，μ's为散射系数，zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，D=[3(μ's+μa)]-1，Reff是光子在介质边界的内反射系数，μeff=[3μa(μa+μ's)]1/2，μeff,r和μeff,IR分别对应第一波长光和第二波长光的μeff系数。系数，
和
和
分别为静脉血液对第一波长光和第二波长光的吸收
分别为动脉血液对第一波长光和第二波长光的吸收系数；(IAC/IDC)|r,Low、
(IAC/IDC)|IR,Low为第一波长光、第二波长光交流量最小值与直流量比值，(IAC/IDC)|r,High、(IAC/
8
CN 104605863 A
说 明 书
3/14页
IDC)|IR,High为第一波长光、第二波长光交流量最大值与直流量比值。
[0021]
进一步，所述光子扩散方程为：其中，Φ(r,t)为能流率，
S0(r,t)为源函数，D为扩散系数，D=[3(μ's+μa)]-1,μa为吸收系数，μ's为散射系数；所述外推边界条件为：Φ(ρ,z=-zb)=0，其中ρ是指被检测点到光源发射方向的垂直距离，z是指被检测点到光源入射侧组织界面的距离，zb=2D(1+Reff)(1-Reff)，Reff是光子在介质边界的内反射系数。
[0022] [0023] [0024] [0025] [0026]
进一步，所述血氧饱和度方程为：其中：
[0027] 其中，为交流量与直流量的比值，和分别为静脉血液和动脉血液为还原血红蛋白的光子吸收系
的吸收系数，为氧合血红蛋白的光子吸收系数，
数，H为血球容积计，vi为红细胞容积，SaO2,SvO2为动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度；
z0=(μ's+μa)-1，d为被测血氧的组织的厚度，μa为吸收
zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，D=[3(μ's+μa)]-1，Reff是光子在介质边界系数，μ's为散射系数，
的内反射系数。
[0028] 本发明实施例的血氧饱和度测量装置，其中，包括采集单元、计算单元、第一处理单元和第二处理单元；所述采集单元用于采集经被测组织作用过的至少两个不同波长的光信号；所述计算单元用于分别获取所述光信号的光电容积脉搏波信号中的交流量以及直流量；所述第一处理单元用于根据光子扩散方程和外推边界条件确定血氧饱和度方程；所述第二处理单元用于根据交流量与直流量比值以及血氧饱和度方程，获取血氧饱和度。[0029] 进一步，所述采集单元用于采集经被测组织作用过的第一波长光信号和第二波长光信号；所述第二处理单元用于根据交流量最大值与直流量比值、交流量最小值与直流量比值以及血氧饱和度方程，获取血氧饱和度。[0030] 进一步，所述第二处理单元通过下面血氧饱和度方程组获取血氧饱和度：
9
CN 104605863 A
说 明 书
4/14页
[0031] 其中:
[0032] [0033] [0034]
[0035]
[0036] 其中，为氧合血红蛋白的光子吸收系数，为还原血红蛋白的光子吸收系
数，H为血球容积计，vi为红细胞容积，SaO2,SvO2分别为动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度；
z0=(μ's+μa)-1，d为被测血氧的组织的厚度，μa为
吸收系数，μ's为散射系数，zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，D=[3(μ's+μa)]-1，Reff是光子在介质边界的内反射系数，μeff=[3μa(μa+μ's)]1/2，μeff,r和μeff,IR分别对应第一波长光和第二波长光的μeff系数。数，
和
和
分别为静脉血液对第一波长光和第二波长光的吸收系
分别为动脉血液对第一波长光和第二波长光的吸收系数；(IAC/IDC)|r,Low、
(IAC/IDC)|IR,Low为第一波长光、第二波长光交流量最小值与直流量比值，(IAC/IDC)|r,High、(IAC/IDC)|IR,High为第一波长光、第二波长光交流量最大值与直流量比值。
[0037]
进一步，所述光子扩散方程为：其中，Φ(r,t)为能流率，
D为扩散系数，D=[3(μ's+μa)]-1,μa为吸收系数，μ's为散射系数；所S0(r,t)为源函数，
10
CN 104605863 A
说 明 书
5/14页
述外推边界条件为：Φ(ρ,z=-zb)=0，其中ρ是指被检测点到光源发射方向的垂直距离，z是指被检测点到光源入射侧组织界面的距离，zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，Reff是光子在介质边界的内反射系数。
[0038]
进一步，所述血氧饱和度方程为：其中：
[0039] [0040] [0041]
[0042] 其中，为交流量与直流量的比值，和分别为静脉血液和动脉血液为还原血红蛋白的光子吸收系
的吸收系数，为氧合血红蛋白的光子吸收系数，
SaO2,SvO2为动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度；数，H为血球容积计，vi为红细胞容积，
z0=(μ's+μa)-1，d为被测血氧的组织的厚度，μa为吸收
系数，μ's为散射系数，zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，D=[3(μ's+μa)]-1，Reff是光子在介质边界
的内反射系数。
[0043] 本发明实施例还提供一种氧利用率测量方法，该氧利用率测量方法包括如下步骤：
[0044] S100、利用上述的血氧饱和度测量方法获取动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度；
[0045] [0046] [0047]
S200、利用下面公式获取氧利用率：
其中OUR为氧利用率。
本发明实施例还提供一种氧利用率测量装置，该氧利用率测量装置包括上述的血氧饱和度测量装置和氧利用率计算装置；所述血氧饱和度测量装置用于获取动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度；所述氧利用率计算装置用于利用下面公式获取氧利用率：
[0048] [0049]
其中OUR为氧利用率。
本发明实施例还提供一种医疗设备，该医疗设备包括上述的血氧饱和度测量装置
11
CN 104605863 A
说 明 书
6/14页
和/或上述的氧利用率测量装置。
[0050] 本发明实施例的血氧饱和度测量方法和装置，通过引入静脉血氧饱和度，根据光子扩散方程和外推边界条件确定血氧饱和度方程，保证了血氧饱和度测量源头上的科学性，提高了动脉血氧饱和度测量的准确性。同时，本发明实施例的氧利用率的测量方法和装置以及医疗设备，也同样具有测量准确性的优点。附图说明
[0051]
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的目的和特点将会变得更加清楚，其图1是光电容积脉搏波信号示意图；
图2是光电容积脉搏波信号中交流量最大值和最小值示意图；图3是外推边界条件下的镜像光源结构；
图4是本发明实施例的血氧饱和度测量方法流程图；图5是本发明实施例的血氧饱和度测量装置结构示意图；图6是本发明实施例的氧利用率测量方法流程图；图7是本发明实施例的氧利用率测量装置结构示意图。
中：
[0052] [0053] [0054] [0055] [0056] [0057] [0058]
具体实施方式
[0059] 本申请发明人通过反复研究现有技术中血氧仪的测量原理发现：现有技术中计算的前提--假设PPG信号中的交流量的产生是由于动脉搏动造成的，而与其他组织（例如无血气组织、静脉等）无关，是值得商榷的。这个假设是造成现有技术计算不准确的先天原因，不管血氧仪的传感器是多么精确，都无法解决由于这个假设带来的准确性差异。也是因为这个假设，现有技术中的血氧饱和度大都是动脉血氧饱和度。本申请发明人认为，静脉搏动造成交流量的变化被忽略，是造成测量不准确的根本原因所在。因此，本发明为了更加准确的测量动脉血氧饱和度，引入静脉血氧饱和度的测量，通过测量动脉血氧饱和度以及静脉血氧饱和度，达到提高测量动脉血氧饱和度准确性的目的，这是本发明的核心思想。[0060] 下面，通过参考附图详细描述本发明的实施例，其示例在附图中表示，其中，相同的标号始终表示相同的部件。[0061] 实施例一
[0062] 图4是本发明实施例的血氧饱和度测量方法流程图。[0063] 本发明实施例的血氧仪包括血氧探头、信号处理电路和信号处理器。血氧探头包括光发射器、光电传感器以及相关结构。该相关结构包括光发射器、光电传感器的固定件、遮光件以及信号传输件等等。该光发射器一般为发光二极管。该发光二极管具有发射至少两种不同波长光的能力。发射两种不同波长的光时，为第一波长光和第二波长光。发射大于两种波长的光时，可以为三种、四种、五种波长等等根据需要而进行设定。该光电传感器一般为光电二极管。该光电二极管接收经过被测组织作用过的光并将其转换成电信号。该作用是指被测组织反射或者透射。该作用后的光携带有被测组织的血氧饱和度信息。该电信号经过信号处理电路转换变成数字信号。在某些实施例中，在转换成数字信号前还需要进行滤波处理。
12
CN 104605863 A[0064]
说 明 书
7/14页
请参照图4，本发明实施例的血氧饱和度测量方法包括如下步骤：
[0065] S1、采集经被测组织作用过的至少两个不同波长的光信号。[0066] 本步骤中，被测组织可以是手指、脚趾、额头以及耳垂等人体组织或者动物组织。“作用过”是指被反射或者透射，使作用后的光信号包含血氧饱和度信息，本实施例优选为透射。本实施例优选两个不同波长的光信号，这样与现有的血氧探头的兼容性较好，同时减少发光器件的使用，降低成本。该两个不同波长的光为第一波长光和第二波长光。一般该第一波长光优选为红光(r)，该第二波长光为红外光(IR)，当然，在本发明实施例中对于第一波长光、第二波长光的波长范围或者大小并没有限制，只要能满足测量需要即可。[0067] 在某些实施例中，优选至少有四个不同波长的光，这样在后续建立运算方法时会简单一点。
[0068] 本步骤需要通过发光器件（发光二极管）和光电传感器（光电二极管）共同作用完成，通过光电传感器采集经作用后的光信号转换成电信号，便于后续运算。[0069] S2、分别获取所述光信号的光电容积脉搏波信号中的交流量以及直流量。[0070] 在进行血氧饱和度测量时，发光二极管发射两固定波长的光，一般该光源是不会变化的，当透光区域或反光区域动脉血管搏动和静脉血管搏动时，动脉血液和静脉血液对光的吸收量随之变化，称为交流量(AC)，而皮肤、肌肉、骨骼等其他组织对光的吸收是恒定不变的，称为直流量(DC)。光电传感器检测透过或者反射后的光子强度并转化成电信号输出。该光电传感器输出的信号经过处理后得到光电容积脉搏波信号（PPG信号），如图1所示。图1中直线10代表皮肤、肌肉、骨骼等其他组织对光的吸收量（即直流量DC）。曲线12代表静脉血管搏动造成的光的吸收量，该光的吸收量是变化的，称为静脉交流量。曲线14代表动脉血管脉动造成的光的吸收量，是光电容积脉搏波信号的主要成分。曲线16是经处理光电传感器获得的电信号后得到光电容积脉搏波信号，该曲线16也称为PPG曲线。该PPG曲线是相当于由曲线10、12、14合成而得到的。静脉血管搏动一般是由于呼吸等原因造成的，而动脉血管搏动一般是由于心脏收缩造成的。心脏和呼吸的周期是不一样的（一般呼吸的周期较长的），造成了动脉交流量和静脉交流量的叠加是相错的。而我们通过PPG信号获得交流量正是动脉交流量和静脉交流量相叠加得到的，这是本发明有别于现有技术的基础，从源头上保证了本发明实施例的技术方案的科学性和正确性，保证了动脉血氧饱和度的准确度。
[0071] 将光电传感器（光电二极管）采集的数据转化成光电容积脉搏波信号，同时通过光电容积脉搏波信号获得交流量和直流量是本领域技术人员熟知的技术，在此不再赘述。[0072] S3、根据光子扩散方程和外推边界条件确定血氧饱和度方程。[0073] 本步骤是本发明实施例的技术方案又一重要创新所在。通过将光子扩散方程与外推边界条件结合确定血氧饱和度方程，达到降低计算复杂程度、减少计算量，同时又能获取血氧饱和度，即动脉血氧饱和度和/或静脉血氧饱和度。
[0074]
本步骤中的光子扩散方程优选为：为能流率，
μa为吸收系数，S0(r)为源函数。D为扩散系数，D=[3(μ's+μa)]-1,μ's为散射系数。该光子扩散方程的引入使得本实施例的方法可以考虑被测组织对光子的吸收和散射作用，可以进一步提高动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度的测量准确性（即血氧饱和度的测量准确性）。
13
CN 104605863 A[0075]
说 明 书
8/14页
图3是本实施例的外推边界条件下的镜像光源结构示意图。如图3所示，点光源
Source在介质界面上的辐射强度不为零，其辐射强度为零的平面外推至介质外距离界面zb处，该辐射强度为零的平面为外推边界，zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，Reff是光子在介质边界的内反射系数，当介质的折射率n=1.4时，Reff=0.493。假设人体为一个半无限大介质，透射式血氧仪的光电传感器detector紧贴点光源Source对侧边界。d为被测血氧的组织的厚度，ρ是被检测点到点光源Source发射方向的垂直距离，z是指被检测点到光源入射侧组织界面的距离，r1、r2分别为被测点到点光源Source、镜像光源Image的距离。因此，本步骤中的外推边界条件为：Φ(ρ,z=-zb)=0。本实施例的外推边界条件的引入使得血氧饱和度方程更加贴合实际测量环境，进一步提高了血氧饱和度的测量准确性。[0076] 在本实施例的光子扩散方程和外推边界条件的作用下，光电传感器检测到的光强度为：
z0=(μ's+μa)-1，μeff=[3μa(μa+μ's)]1/2。
[0077]
其中
由于交流量是由于动脉血液和静脉血液容积变化过程对光子的吸收不同导
其中，
和
分别为静脉血液和动脉
致的，可用下式表示：
血液的吸收系数，因此，结合对检测到的光强度的微分，可以得到血氧饱和度方程：
其中，
[0078]
[0079] [0080]
[0081] 其中，为交流量与直流量的比值，和分别为静脉血液和动脉血液为还原血红蛋白的光子吸收
的吸收系数，为氧合血红蛋白的光子吸收系数，
系数，H为血球容积计，vi为红细胞容积，SaO2,SvO2为动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度；μeff=[3μa(μa+μ's)]1/2，
14
z0=(μ's+μa)-1，d为
被测血氧的组织的厚度，μa为吸收系数，μ's为散射系数，zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，
CN 104605863 A
说 明 书
9/14页
D=[3(μ's+μa)]-1，Reff是光子在介质边界的内反射系数。[0082] 该血氧饱和度方程为SaO2，SvO2，△Va和△Vv等四个未知数的方程。SaO2和SvO2分别动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度。[0083] S4、根据交流量与直流量比值以及血氧饱和度方程，获取血氧饱和度。[0084] 本步骤中，若步骤S1中优选至少有四个不同波长的光时，只需要将四种不同波长的光信号的交流量与直流量比值测量得到，并将该四个交流量与直流量比值代入上述血氧饱和度方程，就可以获得SaO2和SvO2。[0085] 本步骤中，若步骤S1中优选两个不同波长的光信号时，该两个不同波长的光为第一波长光和第二波长光。一般该第一波长光(r)优选为红光(r)，该第二波长光(IR)为红外光(IR)。由于动脉血管和静脉血管搏动的周期不同步，引起两个交流量相错叠加，因此，PPG信号中的交流量最大值是由动脉血管和静脉血管搏动叠加引起的结果，而PPG信号中的交流量最小值则仅为受动脉搏动引起。如图2所示，图2中的A点代表PPG信号中交流量在一个周期中最大值。B点代表PPG信号中交流量在一个周期中最小值。所以，结合血氧饱和度方程，可以得到下面血氧饱和度方程组：
[0086]
[0087] [0088] [0089] [0090]
其中:
[0091]
15
CN 104605863 A
说 明 书
10/14页
[0092] 其中，为氧合血红蛋白的光子吸收系数，为还原血红蛋白的光子吸收系
数，H为血球容积计，vi为红细胞容积，SaO2,SvO2分别为动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度；
z0=(μ's+μa)-1，d为被测血氧的组织的厚度，μa为
zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，D=[3(μ's+μa)]-1，Reff是光子在介质吸收系数，μ's为散射系数，边界的内反射系数，μeff=[3μa(μa+μ's)]1/2，μeff,r和μeff,IR分别对应第一波长光和第二波长光的μeff系数。数，
和
和
分别为静脉血液对第一波长光和第二波长光的吸收系
分别为动脉血液对第一波长光和第二波长光的吸收系数；(IAC/IDC)|r,Low、
第二波长光交流量最小值与直流量比值，(IAC/IDC)|r,High、(IAC/(IAC/IDC)|IR,Low为第一波长光、IDC)|IR,High为第一波长光、第二波长光交流量最大值与直流量比值。因此，本步骤根据交流量最大值与直流量比值、交流量最小值与直流量比值以及血氧饱和度方程，就可以获得SaO2和SvO2。
[0093] 根据四元一次方程组（血氧饱和度方程组等）求解四个未知数（SaO2，SvO2，△Va和△Vv）的过程是本领域技术人员熟知的知识，并且求解该四个未知数也可以通过数学软件轻易实现，在此不再详细描述。本实施例只要求解SaO2和SvO2即可。[0094] 本实施例的血氧饱和度测量方法通过引入静脉血氧饱和度的运算，保证了源头上的科学性，提高了动脉血氧饱和度测量的准确性。[0095] 实施例二
[0096] 图5是本发明实施例的血氧饱和度测量装置结构示意图。请参照图5，本实施例的血氧饱和度测量装置，包括采集单元100、计算单元200、第一处理单元300和第二处理单元400。
该采集单元100用于采集经被测组织作用过的至少两个不同波长的光信号。被测
组织可以是手指、脚趾、额头以及耳垂等人体组织或者动物组织。“作用过”是指被反射或者透射，使作用后的光信号包含血氧饱和度信息，本实施例优选为透射。本实施例优选两个不同波长的光信号，这样与现有的血氧探头的兼容性较好，同时减少发光器件的使用，降低成本。该两个不同波长的光为第一波长光和第二波长光。一般该第一波长光(r)优选为红光(r)，该第二波长光(IR)为红外光(IR)，当然，在本发明实施例中对于第一波长光、第二波长光的波长范围或者大小并没有限制，只要能满足测量需要即可。[0098] 在某些实施例中，优选至少有四个不同波长的光，这样在后续建立运算方法时会简单一点。
[0099] 该采集单元100一般为血氧探头，通过发光器件（发光二极管）和光电传感器（光电
[0097]
16
CN 104605863 A
说 明 书
11/14页
二极管）共同作用完成，通过光电传感器采集经作用后的光信号转换成电信号，便于后续运算。
[0100] 该计算单元200用于分别获取所述光信号的光电容积脉搏波信号中的交流量以及直流量。
[0101] 在进行血氧饱和度测量时，发光二极管发射两固定波长的光，一般该光源是不会变化的，当透光区域或反光区域动脉血管搏动和静脉血管搏动时，动脉血液和静脉血液对光的吸收量随之变化，称为交流量(AC)，而皮肤、肌肉、骨骼等其他组织对光的吸收是恒定不变的，称为直流量(DC)。光电传感器检测透过或者反射后的光子强度并转化成电信号输出。该光电传感器输出的信号经过处理后得到光电容积脉搏波信号（PPG信号），如图1所示。图1中直线10代表皮肤、肌肉、骨骼等其他组织对光的吸收量（即直流量DC）。曲线12代表静脉血管搏动造成的光的吸收量，该光的吸收量是变化的，称为静脉交流量。曲线14代表动脉血管脉动造成的光的吸收量，是光电容积脉搏波信号的主要成分。曲线16是经处理光电传感器获得的电信号后得到光电容积脉搏波信号，该曲线16也称为PPG曲线。该PPG曲线是相当于由曲线10、12、14合成而得到的。静脉血管搏动一般是由于呼吸等原因造成的，而动脉血管搏动一般是由于心脏收缩造成的。心脏和呼吸的周期是不一样的（一般呼吸的周期较长的），造成了动脉交流量和静脉交流量的叠加是相错的。而我们通过PPG信号获得交流量正是动脉交流量和静脉交流量相叠加得到的，这是本发明有别于现有技术的基础，从源头上保证了本发明实施例的技术方案的科学性和正确性，保证了动脉血氧饱和度的准确度。
将光电传感器（光电二极管）采集的数据转化成光电容积脉搏波信号，同时通过光
电容积脉搏波信号获得交流量和直流量是本领域技术人员熟知的技术，在此不再赘述。[0103] 该第一处理单元300用于根据光子扩散方程和外推边界条件确定血氧饱和度方程。
[0104] 通过将光子扩散方程与外推边界条件结合确定血氧饱和度方程，达到降低计算复杂程度、减少计算量，同时又能获取血氧饱和度，即动脉血氧饱和度和/或静脉血氧饱和度。
[0102] [0105]
该光子扩散方程优选为：
Φ(r)为能流率，μa为吸收
系数，S0(r)为源函数。D为扩散系数，D=[3(μ's+μa)]-1,μ's为散射系数。该光子扩散方
程的引入使得本实施例的方法可以考虑被测组织对光子的吸收和散射作用，可以进一步提高动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度的测量准确性（即血氧饱和度的测量准确性）。[0106] 图3是本实施例的外推边界条件下的镜像光源结构示意图。如图3所示，点光源Source在介质界面上的辐射强度不为零，其辐射强度为零的平面外推至介质外距离界面zb处，该辐射强度为零的平面为外推边界，zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，Reff是光子在介质边界的内反射系数，当介质的折射率n=1.4时，Reff=0.493。假设人体为一个半无限大介质，透射式血氧仪的光电传感器detector紧贴点光源Source对侧边界。d为被测血氧的组织的厚度，ρ是被检测点到点光源Source发射方向的垂直距离，z是指被检测点到光源入射侧组织界面的距离，r1、r2分别为被测点到点光源Source、镜像光源Image的距离。因此，本步骤中的外推边界条件为：Φ(ρ,z=-zb)=0。本实施例的外推边界条件的引入使得血氧饱和度方程更加贴合实际测量环境，进一步提高了血氧饱和度的测量准确性。
17
CN 104605863 A[0107]
说 明 书
12/14页
在本实施例的光子扩散方程和外推边界条件的作用下，光电传感器检测到
其中
z0=(μ's+μa)-1，μeff=[3μa(μa+μ's)]1/2。
的光强度为：
[0108] 由于交流量是由于动脉血液和静脉血液容积变化过程对光子的吸收不同导
其中，
和
分别为静脉血液和动脉
致的，可用下式表示：
血液的吸收系数，因此，结合对检测到的光强度的微分，可以得到血氧饱和度方程：
其中，
[0109]
[0110] [0111]
[0112] 其中，为交流量与直流量的比值，和分别为静脉血液和动脉血液为还原血红蛋白的光子吸收
的吸收系数，为氧合血红蛋白的光子吸收系数，
系数，H为血球容积计，vi为红细胞容积，SaO2,SvO2为动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度；
z0=(μ's+μa)-1，μeff=[3μa(μa+μ's)]1/2，d为
被测血氧的组织的厚度，μa为吸收系数，μ's为散射系数，zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，
D=[3(μ's+μa)]-1，Reff是光子在介质边界的内反射系数。[0113] 该血氧饱和度方程为SaO2，SvO2，△Va和△Vv等四个未知数的方程。SaO2和SvO2分别动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度。
[0114] 该第二处理单元400用于根据交流量与直流量比值以及血氧饱和度方程，获取血氧饱和度。
[0115] 若采集单元100中优选至少有四个不同波长的光时，只需要将四种不同波长的光信号的交流量与直流量比值测量得到，并该四个交流量与直流量比值代入上述血氧饱和度方程，就可以获得SaO2和SvO2。
[0116] 若采集单元100中优选两个不同波长的光信号时，该两个不同波长的光为第一波
18
CN 104605863 A
说 明 书
13/14页
长光和第二波长光。一般该第一波长光优选为红光(r)，该第二波长光为红外光(IR)。由于动脉血管和静脉血管搏动的周期不同步，引起两个交流量相错叠加，因此，PPG信号中的交流量最大值是由动脉血管和静脉血管搏动叠加引起的结果，而PPG信号中的交流量最小值则仅为受动脉搏动引起。如图2所示，图2中的A点代表PPG信号中交流量在一个周期中最大值。B点代表PPG信号中交流量在一个周期中最小值。所以，结合血氧饱和度方程，可以得到下面血氧饱和度方程组：
[0117]
[0118] [0119] [0120] [0121]
其中:
[0122]
[0123] 其中，为氧合血红蛋白的光子吸收系数，为还原血红蛋白的光子吸收系
数，H为血球容积计，vi为红细胞容积，SaO2,SvO2分别为动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度；
z0=(μ's+μa)-1，d为被测血氧的组织的厚度，μa为
吸收系数，μ's为散射系数，zb=2D(1+Reff)/(1-Reff)，D=[3(μ's+μa)]-1，Reff是光子在介质边界的内反射系数，μeff=[3μa(μa+μ's)]1/2，μeff,r和μeff,IR分别对应第一波长光和第
19
CN 104605863 A
说 明 书
和
14/14页
二波长光的μeff系数。系数，
和
分别为静脉血液对第一波长光和第二波长光的吸收
分别为动脉血液对第一波长光和第二波长光的吸收系数；(IAC/IDC)|r,Low、
第二波长光交流量最小值与直流量比值，(IAC/IDC)|r,High、(IAC/(IAC/IDC)|IR,Low为第一波长光、
IDC)|IR,High为第一波长光、第二波长光交流量最大值与直流量比值。因此，本步骤根据交流量最大值与直流量比值、交流量最小值与直流量比值以及血氧饱和度方程，就可以获得SaO2和SvO2。
[0124] 本实施例的血氧饱和度测量装置通过引入静脉血氧饱和度的运算，保证了源头上科学性，提高了动脉血氧饱和度测量准确性。[0125] 实施例三
[0126] 图6是本发明实施例的氧利用率测量方法流程图；请参照图6，本发明实施例的氧利用率测量方法包括血氧饱和度测量步骤S100和氧利用率计算步骤S200。该步骤S100利用上述的血氧饱和度测量方法获取动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度。该步骤S200利用下面公式获取氧利用率：
[0127] [0128]
其中OUR为氧利用率。
图7是本发明实施例的氧利用率测量装置结构示意图；请参照图7，本发明实施例
的氧利用率测量装置，包括血氧饱和度测量装置500和氧利用率计算装置600；该血氧饱和度测量装置500用于获取动脉血氧饱和度和静脉血氧饱和度，为实施例二中所描述血氧饱和度测量装置；该氧利用率计算装置600用于利用下面公式获取氧利用率：
[0129] [0130]
其中OUR为氧利用率。
实施例四
[0131] 本实施例的医疗设备包括血氧仪、监护仪、胎监仪以及其他具有测量血氧功能的设备。该医疗设备包括上述的血氧饱和度测量装置和/或氧利用率测量装置。该医疗设备具有更加准确的血氧饱和度测量能力和/或氧利用率测量能力，这是现有的医疗设备所不具有的。
[0132] 虽然已经参照特定实施例示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离范围由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下可做出形式和细节上的各种改变。
20
CN 104605863 A
说 明 书 附 图
1/4页
图1
图2
21
CN 104605863 A
说 明 书 附 图
2/4页
图3
22
CN 104605863 A
说 明 书 附 图
3/4页
图4
图5
图6
23
CN 104605863 A
说 明 书 附 图
4/4页
图7
24
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容