光電二極體在脈搏血氧儀中的角色是什麼？——機制、選擇標準與穿戴應用說明

新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情自2019年結束開始，持續三年多影響全球，導致某些醫療設備廣泛用於病患監測。脈搏血氧儀就是其中之一。疫情期間，一些居家復健的患者可能從地方政府部門借用了脈搏血氧儀。

脈搏血氧儀的工作原理及氧飽和度測量原理

脈搏血氧儀是醫療保健領域應用最廣泛的診斷設備之一。它將一個夾式探頭夾在指尖，透過測量光吸收差異來估算血紅素的狀態及其氧結合。根據這些測量結果，設備會計算並顯示血氧飽和度（SpO₂），即動脈血中氧氣的百分比，同時也會顯示脈搏率。

測量血氧飽和度是評估全身器官和組織氧氣供應是否足夠的重要指標。由於脈搏血氧儀可以透過將裝置連接到指尖或耳垂進行非侵入性測量，因此非常方便。正因如此，它的應用範圍已從家庭和醫院擴展到家庭醫療保健、急救環境和穿戴式裝置等領域。

在醫院裡，脈搏血氧儀用於檢查急診患者（例如事故傷者）以及病情迅速惡化的患者的生命跡象。手術期間，脈搏血氧儀會持續監測患者的血氧飽和度，以確保維持生命所需的氧氣供應始終充足。脈搏血氧儀也用於住院和門診患者的常規檢查。特別是，患有呼吸系統或心血管疾病的人、老年人和吸菸者更容易出現血氧飽和度下降，因此建議定期監測。此外，脈搏血氧儀還有助於篩檢睡眠呼吸暫停，並用於管理高海拔地區的健康狀況。

一個關鍵元件是使脈搏血氧儀（醫療診斷不可或缺）能高精度測量血氧飽和度的關鍵元件，即光電二極體，一種光電子半導體。

脈搏血氧儀的基本原理——光與光電二極體的關係

脈搏血氧儀從緊湊的外殼中向指尖發射兩種類型的光，並分析穿過組織的光線以確定血氧水平。具體來說，它們使用可見紅光（約 660 奈米）和近紅外光（約 940 奈米），後者肉眼不可見。

血紅素是紅血球中的一種蛋白質，負責攜帶血液中的氧氣。血紅素有兩種：結合氧氣的含氧血紅素，以及釋放氧氣的去氧血紅素。每種類型吸收不同波長的光。脈搏血氧儀會將兩種光線照射到指尖，測量吸收和透射的光量。根據光的透射率差異，它能精確計算血液中氧氣的比例，也就是SpO₂。LED用於發射光，而光電二極體（一種光電子半導體）則偵測透射的光。透過精確捕捉光強，光電二極體能提供可靠的測量結果。

脈搏血氧儀中光電二極體的角色與選擇標準

在脈衝血氧儀的感測器部分，LED 發出的 660 奈米紅光和 940 奈米的近紅外線會通過指尖，並由光電二極體偵測到透射光。在智慧手錶等穿戴裝置中，指尖的傳輸測量不可行，因此測量會利用手腕等其他部位的反射光進行。光電二極體不僅僅是光電探測器。它是直接影響測量準確度的核心元件。用於脈搏血氧儀的光電二極體需要具備以下特性。

• 光譜靈敏度：在 660 nm 和 940 nm 附近的兩個波長處均具有高靈敏度。
  
• 低暗電流：在無光條件下最大限度地降低雜訊（暗電流），從而能夠準確偵測微弱的光訊號。
  
• 高信噪比：清楚偵測穿過人體的微弱光線，並提供適合訊號處理的輸出。
  
• 響應速度：提供足夠的響應速度，以即時追蹤脈衝波形。
  
• 尺寸小巧，功耗低：可實現節省空間的設計和較長的運行時間，適用於穿戴式裝置應用。

選擇符合這些需求的光電二極體是設計工程師的重要考量。

Dexerials光電技術LED模組和光電二極體產品

我們提供LED模組作為光源，以及一系列用於脈搏血氧儀的光電二極體。

KED691DS3 雙波長LED模組

這是一款緊湊型表面貼裝LED模組（3.5毫米 x 2.7毫米），將660奈米紅光和940奈米近紅外光兩種LED整合於單一封裝內。它實現了脈搏血氧儀所需兩種波長的緊湊整合。

KPD30S矽光電二極體

這是一種大面積光電二極體，偵測波長範圍為400至1,100奈米，非常適合用於脈搏血氧儀中的透射型感測器。其寬廣的光線接收區域能有效捕捉透過指尖透入的微弱光線。

雙波長光電二極體

此光電二極體針對660 nm與940 nm兩個波長進行優化，有助於提升脈衝血氧儀的測量精度。

新冠疫情期間脈搏血氧儀的重要性凸顯

在2020年持續數年的新冠肺炎疫情期間，許多患者因呼吸功能下降而出現一種被稱為「隱性缺氧」或「無症狀性低氧血症」的狀況。隱性缺氧是指血液中的氧氣水平下降到危險水平，但患者卻沒有呼吸急促等明顯症狀。即使沒有症狀，長時間的低氧水平也會對器官造成壓力，並可能造成嚴重損害，尤其是對大腦和心臟。因此，監測血氧飽和度變得至關重要。脈搏血氧儀的使用能夠及早發現異常情況，並有助於及時進行醫療幹預。正因如此，在疫情期間，脈搏血氧儀檢測在家庭中廣泛應用，導致全球需求迅速成長。

脈搏血氧儀市場的未來—穿戴式裝置和光電子技術的進步

儘管 COVID-19 疫情期間需求激增已趨於穩定，脈搏血氧儀市場預計仍將持續穩定成長。隨著人口持續老化，對居家醫療與遠距醫療的需求增加，脈搏血氧儀作為日常健康監測工具的重要性也隨之提升。另一項重要趨勢是將脈搏血氧儀功能整合進智慧手錶和健身追蹤器等穿戴裝置。許多穿戴裝置，包括佔有相當市場份額的智慧手錶，已經整合了血氧飽和度測量。持續的24小時監測使持續健康監測更加可及。隨著穿戴應用的擴展，產品開發的三大重點是微型化、低功耗與高精度。特別是，電池供電的穿戴裝置需要節能設計，以實現長時間運作。同時，要在手腕等位置維持高精度測量，則需要更高靈敏度的光電二極體與更有效率的訊號處理技術。

Dexerials 透過光電子半導體技術的創新，推動產品開發以滿足市場需求，促進醫療與健康技術的發展。