光电二极管在脉冲血氧仪中的作用是什么？——机制、选择标准及可穿戴应用解析

新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情自2019年末开始，持续三年多影响着全球，导致某些医疗设备被广泛用于患者监测。脉搏血氧仪就是其中之一。疫情期间，一些居家康复的患者可能从当地政府部门借用了脉搏血氧仪。

脉搏血氧仪的工作原理及氧饱和度测量原理

脉搏血氧仪是医疗保健领域应用最广泛的诊断设备之一。它将一个夹式探头夹在指尖，通过测量光吸收差异来估算血红蛋白的状态及其氧结合情况。根据这些测量结果，设备会计算并显示血氧饱和度（SpO₂），即动脉血中氧气的百分比，同时还会显示脉搏率。

测量血氧饱和度是评估全身器官和组织氧气供应是否充足的重要指标。由于脉搏血氧仪可以通过将设备连接到指尖或耳垂进行无创测量，因此非常方便。正因如此，它的应用范围已从家庭和医院扩展到家庭医疗保健、急救环境和可穿戴设备等领域。

在医院里，脉搏血氧仪用于检查急诊患者（例如事故伤者）以及病情迅速恶化的患者的生命体征。手术期间，脉搏血氧仪持续监测患者的血氧饱和度，以确保维持生命所需的氧气供应始终充足。脉搏血氧仪也用于住院和门诊患者的常规检查。特别是，患有呼吸系统或心血管疾病的人、老年人和吸烟者更容易出现血氧饱和度下降，因此建议定期监测。此外，脉搏血氧仪还有助于筛查睡眠呼吸暂停，并用于管理高海拔地区的健康状况。

使脉冲血氧仪能够高精度测量血氧饱和度的关键部件是光电二极管，这是一种光电子半导体。

脉冲血氧仪的基本原理——光与光电二极管的关系

脉搏血氧仪从紧凑的外壳中向指尖发射两种类型的光，并分析穿过组织的光线以确定血氧水平。具体来说，它们使用可见红光（约 660 纳米）和近红外光（约 940 纳米），后者肉眼不可见。

血红蛋白是红细胞中的一种蛋白质，负责携带血液中的氧气。血红蛋白有两种类型：含氧血红蛋白，结合氧气;脱氧血红蛋白，释放氧气。每种类型吸收不同波长的光。脉搏血氧仪将两种光线引导到指尖，测量吸收和透射的光量。基于光透过率的差异，它准确计算血液中氧气的比例，即SpO₂。LED用于发射光，光电二极管（一种光电子半导体）用于检测透射的光。通过精确捕捉光强，光电二极管能够实现可靠的测量结果。

脉冲血氧仪中光电二极管的作用与选择标准

在脉冲血氧仪的传感器部分，LED发出的660纳米红光和940纳米近红外光通过指尖，发射的光被光电二极管检测。在智能手表等可穿戴设备中，基于指尖的透射测量不可行，因此测量通常通过手腕等其他部位的反射光进行。光电二极管不仅仅是光电探测器。它是直接影响测量准确性的核心组成部分。用于脉搏血氧仪的光电二极管需要具备以下特性。

• 光谱灵敏度：在 660 nm 和 940 nm 附近的两个波长处均具有高灵敏度。
  
• 低暗电流：在无光条件下最大限度地降低噪声（暗电流），从而能够准确检测微弱的光信号。
  
• 高信噪比：清晰检测穿过人体的微弱光线，并提供适合信号处理的输出。
  
• 响应速度：提供足够的响应速度，以实时跟踪脉冲波形。
  
• 尺寸小巧，功耗低：可实现节省空间的设计和较长的运行时间，适用于可穿戴设备应用。

选择符合这些要求的光电二极管是设计工程师的重要考虑因素。

Dexerials光电技术LED模块和光电二极管产品

我们提供LED模块作为光源，并提供多种脉冲血氧仪用的光电二极管。

KED691DS3 双波长LED模块

这是一款紧凑型表面贴装LED模块（3.5毫米 x 2.7毫米），将660纳米红光和940纳米近红外光两种LED集成于单个封装内。它实现了脉搏血氧仪所需两种波长的紧凑集成。

KPD30S硅光电二极管

这是一种大面积光电二极管，覆盖400至1100纳米的探测波长，非常适合用于脉搏血氧仪中的透射型传感器。其宽广的光接收区域能高效捕捉通过指尖透射的微弱光线。

双波长光电二极管

该光电二极管针对660 nm和940 nm两个波长进行了优化，有助于提升脉冲血氧仪的测量精度。

新冠疫情期间脉搏血氧仪的重要性凸显

在2020年持续数年的新冠肺炎疫情期间，许多患者由于呼吸功能下降而出现一种被称为“隐性缺氧”或“无症状性低氧血症”的状况。隐性缺氧是指血液中的氧气水平下降到危险水平，但患者却没有呼吸急促等明显症状。即使没有症状，长时间的低氧水平也会给器官带来压力，并可能造成严重损害，尤其是对大脑和心脏。因此，监测血氧饱和度变得至关重要。脉搏血氧仪的使用能够及早发现异常情况，并有助于及时进行医疗干预。正因如此，在疫情期间，脉搏血氧仪检测在家庭中得到广泛应用，导致全球需求迅速增长。

脉搏血氧仪市场的未来——可穿戴设备和光电子技术的进步

尽管新冠疫情期间需求激增已趋于稳定，脉搏血氧仪市场预计将继续稳步增长。随着人口持续老龄化，家庭医疗和远程医疗的需求不断增加，脉搏血氧仪作为日常健康监测工具的重要性也随之提升。另一个关键趋势是将脉搏血氧仪功能集成到智能手表和健身追踪器等可穿戴设备中。许多可穿戴设备，包括占据市场重要份额的智能手表，已经集成了血氧饱和度测量。持续的24小时监测使持续健康监测变得更加可及。随着可穿戴应用的扩展，产品开发的三大重点是微型化、低功耗和高精度。特别是，电池供电的可穿戴设备需要节能设计，以实现较长的运行时间。同时，在手腕等位置保持高精度测量需要更高灵敏度的光电二极管和更高效的信号处理技术。

Dexerials通过光电子半导体技术创新推动产品开发以满足这些市场需求，推动医疗和医疗技术的进一步发展。