醫院常用的脈搏血氧飽和度偵測儀器的原理及介紹將在本文揭露。使用實驗模組MAX30100搭配arduino。

SpO2 & SaO2

所謂的SpO2及SaO2是什麼呢？

• SpO2：脈搏血氧飽和度，透過脈搏血氧儀測得。
• SaO2：動脈血氧飽和度，須透過抽血量測。

臨床上將SpO2及SaO2視為相同（SpO2數值通常略高），但當血紅素異常時，數值判讀就會存在誤差。

下圖為攜氧血球、缺氧血球、碳量高血球、含鐵量高血球等不同血球對不同光波長之光線之吸光係數曲線圖。

脈搏血氧儀

傳感器設備放置在使用者身體厚度較薄的位置，例如耳垂或指尖，將兩個波長的光穿透身體部位到達光電探測器，進而測量不同波長的吸光度，由吸光度變化計算血氧濃度。

血氧儀常見在消費性電子產品上像智慧手環、智慧手錶，這種電子產品使用的血氧儀是使用反射式模組，而醫院中夾著手指量測的血氧儀則為穿透式血氧儀。

穿透式脈搏血氧儀

Diode set

原理

介紹SpO2計算所運用之定理。

比爾-朗伯定理（Beer-Lambert’s Law）

Wiki：比爾朗伯定理維基百科

Beer’s Law

被穿透物濃度影響光吸收率

Lambert’s Law

光行進距離影響光吸收率

Hb, HbO2對光吸收率

通常使用600～700nm(紅光)作為light source 1;
900~1000nm(紅外光)作為light source 2。

<結論>

600～700nm:

光吸收率 Hb > HbO2

900～1000nm:

光吸收率 HbO2 > Hb

AC/DC Components

上圖可以看見，當無脈搏時，光線穿透後之強度為最強，因為光線經過的血液量最少，而當有脈搏時，光強度逐漸降至最小值，直到脈搏血液最多時光線穿透量最少。

而以上光線強度隨著脈搏起伏變動部分以AC稱之，而光線最大值（脈搏最小）則以DC稱之。

（之所以AC/DC稱之即表現像電流交流/直流電。）

SpO2簡易公式

光(紅光/紅外光)吸收率R＝(AC紅光/DC紅光)/(AC紅外光/DC紅外光)。
業界常有簡易算法為上圖右方公式。

事實上根據不同傳感器或是不同LED光源，其導出公式均會有所差異，所以實作時必須依照實驗值校正出一張Ｋ表，如下圖：

根據實驗calibration得出的K表就是血氧儀顯示SpO2數值之依據。

MAX30100 Module with Arduino

下方簡單介紹使用MAX30100 R/IR LED and 光感器模組搭配arduino使用。MAX30100為光源及傳感器在同一側之模組設計，所以是一反射式脈搏血氧儀。

MAX30100 data sheet

原廠 MAX30100 data sheet

接線

注意：我們需要在SCL/SDA兩PIN接上上拉電阻(PULL HIGH)，如下三圖。

程式碼

MAX30100-arduino on Github

其中計算SpO2、心跳等需使用到一些演算法，有機會再做介紹。