指夹式脉搏血氧仪

测量对象与物理基础

指夹式脉搏血氧仪用于无创检测血液氧合程度与脉搏信息。其物理依据是：脱氧血红蛋白（Hb）与氧合血红蛋白（HbO₂）在红光和近红外波段的吸光系数不同。在红光约660 nm处，Hb与HbO₂的吸光系数差值最大，是区分两种血红蛋白的关键波长；近红外波段常取880 nm~940 nm，其中940 nm与660 nm配合形成不同的相对吸收，用于计算R；Hb与HbO₂的典型等吸收点约在805 nm，不能把880 nm~940 nm整段泛称为交叉点。因此，用两种波长的光透射组织，比较其吸收差异即可反推血氧相关信息。

光路与驱动

系统光源由红光LED和红外LED组成，二者由模拟开关以约30 Hz频率交替驱动发光，使同一光路分时通过两种波长。光穿过手指后被硅光敏二极管接收。选用硅光敏二极管是因为其线性度好；其输出为与接收光强成比例的光电流I。

信号调理链路

光敏二极管输出的电流信号依次经过：

1. 跨阻放大器（AMP）：将电流I转换为电压U；
2. 低通滤波：抑制截止频率以外的高频分量；环境光还含直流与同频成分，分时波长信号需同步解复用或暗场采样，直接低通可能混合两通道；
3. 电压增益放大器（AMP）：将信号放大到适合ADC输入的范围；
4. ADC：将模拟电压转换为数字量送入MCU。

此外，温度传感器用于暗电流补偿，其信号经ADC后也送入MCU，与主信号一同处理。

脉搏波与交直流分量

光敏二极管输出电流随时间呈周期性脉动，对应动脉血的搏动。每个波长下，信号可分解为：

• 直流分量DC：由非搏动组织、静脉血和平均动脉血等稳定吸收形成；
• 交流分量AC：由动脉搏动引起的光程变化形成。

红光（660 nm）与红外光（880 nm）的脉动波形均包含各自的AC和DC。

双比值R与血氧推算

定义参数R为：

其中AC_red、DC_red为红光信号的交流、直流分量，AC_infrared、DC_infrared为红外光信号的交流、直流分量。R综合了两波长下搏动分量与稳定分量的相对关系，MCU据此按经验关系推算血氧饱和度。

暗电流与温度补偿

光敏二极管存在暗电流，且随温度变化。温度传感器信号经ADC送入MCU，用于对主信号进行暗电流补偿，以减小温度漂移对测量结果的影响。

适用范围与条件

上述原理适用于以透射方式测量手指等外周组织的脉搏血氧仪。LED交替驱动频率、波长选择、滤波与增益参数需根据具体器件和电路设计确定；R与血氧饱和度的对应关系依赖经验定标，不同仪器可能不同。