文献综述
1932年，Nicolai和Kramer这两位科学家研制接近于现今使用的脉搏血氧饱
和度测量仪。1935年，Matthes研制了第一个双波长的耳部血氧测量探头。这种
设备可以实现脉搏血氧饱和度的测量。但这种设备测量缓慢，需要频繁地校准，
需要大量的辅助设备，并且不能有效的区分动脉和静脉血流。这种早期设备采用
红光和绿光作为光源，改进后改用红光和红外光，提高了该设备的测量精确度。
采用红光和红外光作为光源是我们现在实现脉搏血氧饱和度的基础b1。
1942年，Millikan使用一个加温的耳部探头的脉搏血氧饱和度测量仪对飞行
员在飞机大过载情况下发生短时丧失知觉的现象进行研究。Millikan将脉搏血氧
饱和度测量仪装备在飞机上。1949年，Wood重新设计了脉搏血氧仪，给它加了
一个峰值，进而计算出血氧饱和度的值。由于这种设备对光源稳定性有较高要求，
没有应用于临床实践中。Wood采用的这种方法在20世纪50年代成为一种最佳
的无损伤检测血氧饱和度的方法。如Water01 100A型血氧计，血氧饱和度测量
范围60--100％时，精度超过±2．98％。这种方法采用两种波长，对红外光和红
光的吸收进行测量，要求满足两个条件：①“无血条件”，即施加约200 mmHg的
压力把血从耳垂部挤走；②正常的血流，即用透照光使耳垂动脉化。在第一个条
件下，测量的信号是与组织有关的光吸收，如肌肉、骨骼、皮肤等，但不包括血
液的光吸收；在第二个条件下，测量的信号是与组织和血液有关的光吸收。第二
个条件下测量的透射光强，减去第一个条件下测量的透射光强，最后剩下与动脉
血光吸收有关的透射光强信号，由此去除了组织本身光吸收的影响；通过测量两
个光波长的透射光强信号，利用公式算出血氧饱和度。然而Elam和Coworker
在经过对受压耳朵的透射光研究后指出，即使加上200 mmHg的压力，在耳轮里
仍然保留着一些血。另外，色素的消光系数在整体血里随着血细胞数目变化而变
化；在血细胞数目较低的情况下，消光系数和浓度之间的关系曲线变为非线性，
以致使用此方法产生的无血组织的光吸收与实际充血组织的光吸收量是不一样
的。也就是说，此法不能取消组织本身(如肌肉、骨骼、皮肤等)的影响。再者，
由于每个人的组织成分不同，因此每次测量都需繁琐地调整。
1964年，Shaw设计了一种八波长的自身调整的耳部血氧计喳1。如
HP47201A型耳部血氧计。它的优点是避免了上述繁琐的调整技术，从650 am
到1050 nnl的八个波长的光波，提供了一些有关耳朵组织内大量吸收物质的一些
数据。动脉
血氧饱和度按下式计算：
i
I
I
LogDDBDBDBBDADADAAOSi)(......a0882211088221102
由于其中i=1～8，i代表不同的光波长，iA，iB是与光吸收系数有关的常数，
并可以通过经验确定。该仪器的光纤传感器安放在耳垂上，仪器内部每分钟1300
转的转盘四周上，均匀放置八个窄带滤光片，当其中一个滤光片转到光源前时，
某一波长的光束通过滤光片经光纤传到耳垂部位，耳垂部位的光电转换器检测到
这个波长的透射光信号，又经过光纤传回到仪器并记录下来：同理，其余波长的
透射光信号也依次被记录下来。通过测量八个波长的光密度iD，避免繁琐地调
整，排除色素、皮肤、骨骼、肌肉的吸收干扰，计算出血氧饱和度。在60％以
上的血氧饱和度范围内，与采集的动脉血样测量的血氧饱和度进行比较后，相关
甚好。尽管该仪器实用、准确且宜于调整，但是由于设备价格昂贵和体积较大，
且其耳夹结构复杂，长期戴着不舒适、易损坏，因此只在从事心肺功能研究的实
验室里得到了应用。
1973年，日本人Tahuo Aoyagi对传统的脉搏血氧饱和度测量仪进行了重大
的改进，他采用红光和红外光穿过测量部位中脉动的动脉血管，直接利用光吸收
曲线法计算出脉搏血氧饱和度值而不需要繁琐地校准。开创了无创式血氧饱和度
测量的先河；1974年世界上第一台无创式脉搏血氧仪问世：1982年Nellcor公司
研制出一种性能更好的脉搏血氧饱和度仪N-100，并形成了一种标准模式，即采
用发光两极管作为光源、硅管作为光传感器、微型计算机进行信号处理。血氧饱
和度的测量从此进入了一个新的时代。
生物组织光谱学是光学和生命科学相互交叉的一个新的研究领域，目前仍在
不断发展中。首先，细胞级的光散射研究还处在初期阶段，正常或病理作用
下光散射还没有被说明；其次，能工作在临床环境中的可靠和易使用的时间或
频率域仪器还存在很多问题；此外，需要进一步研究时间或频率域信号依赖组
织光特性和几何结构的关系，特别是非均匀组织的情况，以便优化特定应用中
的算法和技术；最后还需要对这些技术进行临床评估，以便在常规临床中付诸
实用。同时，应该注意到，充分发挥无损光谱学技术对于研究组织机能和结构
变化的潜力，需要连续不断地多学科努力来解决。
连续波光谱技术在脉搏血氧饱和度监测中得到了广泛而成功的利用。对红
外光谱而言，组织是高度散射介质，大部分入射光被散射而不是被吸收，组织
的散射作用使光子运动在组织中呈现随机性，形成了透射光和反射光。光在组
织中运动距离远大于入射点和检测点之间的直接距离，其运动通过的路径是不
确定的，表现为很大的随机性，只能从概率平均意义上来描述。尽管红外光能
穿透组织，人体组织对红外光的衰减仍然很大。脉搏血氧仪采用分析透射光的
方法，在强安全范围内，红外光能穿透组织7-8cm。
参考文献：
[1] 甄雪燕，梁永宣，王利敏，等揭开“脉诊”的神秘面纱[J].中国卫生人才，2014（2）：
90-91
[2] 常昌远,魏同立.无创血氧饱和度传感系统的研究.应用科学学报,2010,4(17):433-438
[3] 王晓飞，赵文俊.基于动态光谱法的多波长脉搏血氧饱和度测量.光谱学与光谱分
析.2014（5）
[4] 王强，王跃华，徐圣普．血氧饱和度的红外光谱光电法测量．国外医学生物医学工程分
册，2008，21(6)：343-349
[5] 陈和，黄智伟.无损伤血氧饱和度测量系统研究.南华大学学报，2002,16(2):41-44
[6] 于巍，古庆恩，李信政，陈清奎，邓亲恺.无创伤脉搏学样饱和度测量技术及进展[J].
医疗设备信息.2007（09）
[7] 张虹,金捷,孙卫新. 数字式脉搏血氧饱和度检测系统的研制[J].生物医学工程与临床.
2002(03)
[9] 孙卫新,金捷,汪家旺,杨新平,陈健. 脉搏血氧仪的研制和定标方法探讨[J].西安交通
大学学报(医学版). 2005(02)
[10] 王荣芳.反射式血氧饱和度检测系统的研制[D].北京工业大学 2002
[11] 金海龙,王作君,郑成博,郑世科.无线传输在脉搏血氧饱和度无创监测中的应用[J].北
京生物医学工程. 2006(01)
[12] 周峰.大范围血氧饱和度无创检测的方法及模型研究[D].浙江大学 2008
[13] 李景文,龙村,张保洲,朗亚军,黄兵.反射式血氧饱和度监测仪的设计与应用.生物医学
工程与临床.2003(3)
[14] 周洪建,蔡桂艳. 三波长无创血氧饱和度测量算法及应用[J].中国生物医学工程学报.
2007(05)
[15] 宋俊杰,王哲,金海龙,王超.三波长低血氧测量系统的研究与实现[J].激光与红
外.2010(01)
[16] Yeongjoon Gil,Wanqing Wu,Jungtae Lee.A Synchronous Multi-Body Sensor Platform in a
Wireless Body Sensor Network: Design and Implementation. Sensors . 2012
[17] Schoevers, Jaco,Scheffer, Cornie,Dippenaar, Ricky.Low-Oxygen-Saturation quantification in
human arterial and venous circulation. IEEE Transactions on Biomedical Engineering . 2009
[18] Burns Patrick M,Driessen Bernd,Boston Ray,Gunther Robert A.Accuracy of a third (Dolphin
Voyager) versus first generation pulse oximeter (Nellcor N-180) in predicting arterial oxygen
saturation and pulse rate in the anesthetized dog. Veterinary anaesthesia and analgesia . 2006