2025年双波长频分式血氧饱和度检测仪设计报告 摘要：该检测仪是一种可以实现 ....pdfVIP

臣心一片磁针石，不指南方不肯休。——文天祥

摘要：该检测仪是一种可以实现无创检测动脉血氧饱和度的仪器。而本篇设

计报告将以两种血红蛋白的光谱特性和郎伯——比尔定律为切入点阐述双波长、

频分式的概念以及透射法检测血氧饱和度的原理，并对处理各种相关信号的电路

进行分析。

一基础概念和方法

1．关于血氧饱和度

血氧饱和度指血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO)的容量占全部可结合的

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血红蛋白(Hb)容量的百分比，亦指血红蛋白实际结合的氧气占血红蛋白所能结合

氧气最大量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。其

定义式为

式中，CHbO和CHb分别表示组织中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度，SaO

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表示血氧饱和度值。

2．脉搏波和光电容积脉搏波描记法

心脏收缩时，有血液进入原已充满血液的动脉中使得该处血管壁扩张；心脏

停止收缩时，原来扩张的血管也随之收缩，并驱动血液向前流动，从而又使前面

的血管壁扩张。由于此过程类似于波在介质中的传播，故称为脉搏波，它包含了

许多重要的生理信息，也因此成为提取信息的重要媒介。下图即为脉搏波的波形

博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之。——《礼记》

无创检测方法。

正常生理情况下，动脉血管搏动而静脉和毛细血管不搏动。若用一束光照射

手指，静脉、毛细血管、动脉血的非脉动部分和非血液成分组织对光的吸收保持

恒定，而动脉血的脉动部分对光的吸收则会呈周期性变化：光吸收量最大，透射

光强度最小，反之亦然。正如下图所示

3．动态光谱理论

动态光谱指各个单波长对应的单个光电脉搏波周期上吸光度的最大值与最

小值之差值构成的光谱。当动脉血管充盈度最低时出射光强最大，吸光度最小，

对应光电脉搏波波峰；而充盈度最高时出射光强最小，吸光度最大，对应光电脉

搏波波谷。故而动态光谱可认为是由光电脉搏波中，血液吸光度最大值与最小值

构成的光谱。下图即为动态光谱检测的原理图：

勿以恶小而为之，勿以善小而不为。——刘备

理论基础：郎伯——比尔（Lambert—Beer）定律

1.郎伯——比尔定律

郎伯——比尔定律可用下式表示

式中：I为入射光强，I为透射光强，为吸光物质的吸光系数，c为吸光物

0

质的浓度，l为吸光物质的传输距离（吸收层厚度）。

该定律反映了物质在一定波长处的吸光度与其浓度成正比的光学吸收规律。

若选择适宜波长的光，测量物质的吸光系数即可求其浓度。

2．修正的郎伯——比尔定律

生物组织是一种强散射介质，而郎伯——比尔定律不适用于发生散射的情

况，故根据光的粒子性和组织的吸收特性对光传播距离的影响，在此引入修正的

郎伯——比尔定律。

非淡泊无以明志，非宁静无以致远。——诸葛亮

A为吸光度，I为入射光强，I为透射光强，为分子的消光系数，c

0

为吸光物质的浓度，l为光在组织中的平均光程，G是由散射引起的光损失。

三血氧饱和度的测量原理