反射式脉搏血氧模拟器设计与应用
引言
脉搏血氧仪是临床常用的医疗器械，预期用于测量血氧饱和度，能够为生命体征和健康状态监测提供重要信息[1-2]。传统的脉搏血氧仪以透射式光路设计[3]为主，使用红光和近红外光（常见660、940 nm）两个波长的脉冲光照射手指、耳垂等组织，根据直流分量、交流分量推算氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白的比例，从而计算血氧饱和度[4]。
近年来，随着传感器技术的发展，声称可用于脉搏血氧测量的可穿戴产品越来越多，其形态包括手环、手表、头带等[5-10]，有些属于医疗器械范畴，有些属于一般健康产品。由于反射式脉搏血氧仪目前没有专门的国家标准和行业标准，产品的性能检测还处于探索阶段。由于光路与佩戴方式差异较大，传统透射式脉搏血氧仪所使用的模拟器[11]无法用于反射式脉搏血氧仪的质控。目前，业内已研制出能够主动发光的反射式脉搏血氧模拟器[12]，由程序驱动光源产生光信号，模拟脉搏血氧仪收到的信号。这类反射式血氧模拟器存在一定的局限性，波长基本固定在660、940 nm附近，难以适配绿光、多光谱[13]等新型反射式脉搏血氧仪。
本文设计了一种基于液体流动的反射式脉搏血氧模拟器和测量装置，以不同的方式产生脉搏血氧信号，用于产品的检测。本文对该模拟器的技术参数进行了测量，在实际的产品检测中进行了应用，有助于加强反射式脉搏血氧仪产品的质量评价工作。
1 装置设计
1.1 工作原理
反射式脉搏血氧模拟器的工作原理是周期性地模拟光在介质中的衰减，作为给脉搏血氧仪产品的输入。血氧饱和度的测量在物理上主要依据朗伯-比尔定律。单色光通过均一、无散射介质层时，入射光强和出射光强之间满足基本公式(1)所示的基本数学表述。
其中I为出射光强，I0为入射光强；ε为分子消光系数，由波长和介质自身决定；c为介质浓度，d为光在介质中传播的路径长度。分子消光系数和介质浓度之积也称为吸收系数，用μa来表示。
把介质层整体看作黑盒子，则它对光的衰减可用吸光度OD来定义，见公式(2)。
该公式的前提是单色光照射介质，吸收过程中不同物质之间无相互作用，光与介质之间没有散射。当多种吸光物质共存且无相互作用时，吸收系数表述如公式(3)所示。
当不同波长的光照射混合均匀介质时，吸收系数和分子消光系数构成如下方程组（假设有n种成分，已知每个成分在n种波长下的分子消光系数，且不考虑散射、荧光、成分之间相互作用），见公式(4)。
根据方程组(4)可以求解各个成分的浓度。该方程组描述了在不考虑散射的前提下，测量混合溶液各成分比例的基本原理。在实际组织中测量血氧饱和度时，散射不可忽略，公式(4)不能直接使用，需要根据实际情况进行修正。
对于透射式光路，假设组织对光的散射系数不随脉搏发生变化，那么透射光的吸光度变化主要由动脉血的灌注量变化（等同于血流直径变化Δd）引起，见公式(5)。
动脉血对可见光（400～700 nm）和近红外（700～1000 nm）的吸收主要取决于脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白[14-15]。如果用三种波长或更多个波长测量吸光度的变化，那么根据公式(5)可以求解两种血红蛋白的浓度和血流直径的变化；如果用两种波长测量吸光度的变化，那么根据公式(5)只能求解两种血红蛋白的相对浓度，不能得到Δd，但可以计算血氧饱和度。
对于反射式光路，由于散射系数随脉搏恒定的假设依然适用，光子传播路径近似不变，位于探测器同侧的出射光的强度变化仍然主要由脉搏引起。此时公式(5)中的Δd需要替换为被实际的光子传播路径，即平均光路长
1.2 模拟器与测量装置开发
为了模拟氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白的光谱形状差异，尤其是红光与近红外光的对比度，本文选择亚甲基蓝、印度墨水作为模拟液的主要成分。图1所示为0.000001 mol/L的亚甲基蓝、1:10000稀释后的印度墨水溶液在1 cm厚的石英比色皿中测到的吸收光谱，可见在波长为660 nm时，亚甲基蓝的吸光度高于印度墨水，而波长为940 nm时，亚甲基蓝的吸光度低于印度墨水。这种差异有助于模拟氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白的比率，从而模拟血氧饱和度。亚甲基蓝的吸收光谱被进一步量化，纵坐标用摩尔消光系数显示，结果如图2所示，可见与血红蛋白的摩尔消光系数处于同一数量级。
图1 血液模拟液主要成分吸收谱
图2 亚甲基蓝吸收谱
在此基础上，反射式血氧模拟器由模拟液、模拟血管、蠕动泵、阻尼组成，原理图如图3所示。
图3 脉搏模拟器设计原理图
模拟血管主要成分是硅胶，内径7.9 mm，外径11.0 mm，厚度1.5 mm，模拟人体动脉血管的弹性，并模拟皮肤对光的衰减；蠕动泵的转速可调，范围是0～300转/min。阻尼的作用是收紧模拟血管，产生阻力，与蠕动泵配合产生脉动流，采用固定的机械夹，使管路的直径压缩1/2。为了对模拟器产生的漫反射信号进行测量，搭建光谱测量装置，选用卤钨灯作为光源（300～1000 nm），光纤光谱仪（300～1000 nm）作为探测器，其最小曝光时间为100 ms，能够响应400 ms以下的光谱动态变化。该测量装置能够直接测量皮肤漫反射光谱，显示脉搏波的波形[16]。图4所示为模拟器和探测器的实物。
2 脉搏模拟器的验证与应用
作为配合检测设备，本文设计的脉搏模拟器在具体产品的检验检测中进行了应用。这些试验涉及电磁兼容、性能等内容，对模拟器的性能提供了验证。
图4 模拟器实物照片
2.1 电磁辐射发射试验
为验证模拟器自身的电磁辐射发射水平能否满足配合电磁兼容试验的需要，本文依据医疗器械电磁兼容试验标准YY 0505-2012[17]的要求，在30 MHz～1 GHz范围内，使用10米法进行辐射发射测试。为模拟最不利条件，充分评估脉搏模拟器的电磁发射水平，将脉搏模拟器与某透射式血氧饱和度检品配套连接，共同运行，连接图如图5所示。试验中，转速设置在60转/min，检品的透射式指夹固定在管路上。该检品使用600～900 nm的宽谱光源进行照射，采集8个不同的波长，用于计算总血红蛋白浓度。
图5 样品连接图
在半电波暗室中，采用3米法对检品和模拟器进行了电磁辐射发射水平的测试，得到的结果如图6所示。可见，脉搏模拟器与检品组合后的电磁辐射发射水平较低，考虑到检品本身会产生辐射发射信号，脉搏模拟器实际的电磁辐射发射水平还会进一步下降，能够满足配合检测的需求。
图6 实验测得的电磁辐射发射波形
值得注意的是，在辐射发射试验中，检品所记录的总血红蛋白浓度与人体数据较为接近，均为16～18 g/dL之间，变异系数为0.3%，说明模拟液能够在实验过程中保持稳定，模拟血液的衰减。
2.2 脉搏准确率验证
为验证脉搏模拟器的脉搏准确率，首先选用不同的脉搏预设值（60、90、120次/min），在脉搏模拟器单独稳定运行时由已上市的透射式脉搏血氧仪产品记录其脉率。脉率预设值为60、90、120次/min，脉率误差分别为0.50%、0.67%、0.25%。
为提高测试的复杂度，将脉搏模拟器与多参数监护仪检品联用，进行综合性能测试，实验布置如图7所示。该检品包括反射式脉搏波探头、血压袖带、超声多普勒探头等多个检测模块。实验中，脉搏模拟器的管路固定在血压袖带与模拟手臂之间，反射式脉搏波探头贴在管路表面，用于检测脉率。该检品使用白色LED作为光源，与传统的660、940 nm波长不同，仅提取脉搏波波形，不计算血氧饱和度。脉率预设值为50、100、150次/min，脉率误差分别为0.20%、0.30%、0.33%，说明能够满足测试需求。
图7 综合实验测试布置图
3 讨论
本文提出了一种新的脉搏模拟器设计方案，使用蠕动泵产生脉动流，作为脉搏血氧仪产品的输入。它通过管路中的液体容积变化来改变脉搏血氧仪的漫反射信号，更加贴近人体脉搏测量的实际场景，有助于满足更多产品的检测需求，比如中医脉诊仪。与常见的光电式血氧模拟器[18]相比，本文设计的模拟器不对脉搏血氧仪输出的光信号进行感知、计算、调制，不主动产生光信号，对脉搏血氧仪产品光源和探测器的相对位置无特殊要求，也无需适配脉搏血氧仪各个发射的时序，操作更加简便。
根据现有标准和法规对脉搏血氧仪产品的要求，脉搏血氧仪测量血氧饱和度的准确率由临床试验进行验证，患者模拟器不应被用来确认血氧饱和度的准确率[19-20]。因此，本文设计的模拟器与业内其他模拟器的应用场景类似，主要用于电磁兼容试验中的基本性能验证、脉搏准确率验证等目的。根据本文的实验结果，在实际的产品检测中，该模拟器的电磁辐射发射水平较低，有利于配合脉搏血氧仪产品的电磁兼容测试。在性能方面，该模拟器所模拟的总血红蛋白浓度、脉搏变异系数、脉搏准确率等参数也经过了实际检品的验证，说明在产品检测的应用具备初步的可行性。
在血氧饱和度的准确率验证方面，本文设计的模拟器需要建立模拟液成分与脉搏血氧仪产品显示的血氧饱和度之间的映射关系，即定标曲线。定标曲线的建立需要产品的设计参数，例如比例系数、校正因子等[12]，然而目前难以获取，下一步将与相关研发机构进行合作，对血氧饱和度的准确性验证和定标环节加强研究。
4 结论
本文设计并搭建了一套基于液体流动的血氧模拟器，能够模拟人的脉搏，用于反射式、透射式脉搏血氧仪的检测工作。该模拟器属于被动式模拟器，液体成分、蠕动泵转速可根据需求进行调节，能够灵活适配采用各种光源的脉搏血氧仪，例如实验样品采用的白色LED、600～900 nm宽带光源等，从而扩展应用场合。未来的研究可收集更多数据，例如建立具体产品、具体型号的血氧饱和度定标曲线，以扩展对产品性能的验证能力。
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Design and Application of a Simulator of Reflective Pulse Oximetry