在家庭醫療和臨床監護中，脈搏血氧儀已成為不可或缺的設備。它以其無(wú)創(chuàng )、便捷的方式，為我們實(shí)時(shí)揭示著(zhù)血液中的血氧飽和度（SpO?）這一關(guān)鍵生命體征。然而，許多人可能不知道，在這個(gè)小巧設備的核心，有一組“看不見(jiàn)的守護者”——濾光片，它們是實(shí)現精準測量的光學(xué)基石。

（圖源網(wǎng)絡(luò )，侵刪）

一、 脈搏血氧儀簡(jiǎn)介與光學(xué)原理

脈搏血氧儀是一種通過(guò)光電手段無(wú)創(chuàng )監測動(dòng)脈血氧飽和度和脈搏率的醫療設備。它通常以指夾式、腕式或貼片式的形態(tài)出現，其核心部件包括：光源（LED）、光電探測器、信號處理電路以及我們今天的主角——濾光片。測量原理是基于朗伯-比爾定律。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當一束光穿過(guò)某種介質(zhì)時(shí)，其被吸收的程度與介質(zhì)的濃度和厚度成正比。

在人體組織中，血液對光的吸收能力會(huì )因血紅蛋白的含氧狀態(tài)而異：

氧合血紅蛋白：對660nm的紅光吸收較弱，對940nm的紅外光吸收較強。

還原血紅蛋白：對660nm的紅光吸收較強，對940nm的紅外光吸收較弱。

脈搏血氧儀正是利用了這種吸收特性的差異。設備會(huì )使用兩顆LED，分別發(fā)出~660nm的紅光和~940nm的紅外光，交替照射指尖（或其它測量部位）。光線(xiàn)穿過(guò)組織后，被另一側的光電探測器接收。

關(guān)鍵信號：脈搏與“交流/直流”分量
探測器接收到的光強信號包含兩個(gè)部分：

直流分量：代表被皮膚、肌肉、靜脈血和非搏動(dòng)性動(dòng)脈血等組織恒定吸收后的光強。這部分信號較強，但變化緩慢。

交流分量：代表由于心臟搏動(dòng)導致的動(dòng)脈血管周期性舒縮所引起的吸收變化。這部分信號很微弱，疊加在直流信號之上。

通過(guò)提取這兩種光（紅光和紅外光）的交流分量與直流分量的比值（AC/DC），我們可以消除組織厚度、膚色等靜態(tài)因素的干擾，最終通過(guò)經(jīng)驗公式計算出動(dòng)脈血氧飽和度。

（NBP660窄帶濾光片）

二、濾光片：精準測量的守護神

在上述原理中，一個(gè)核心前提是：探測器必須能清晰、準確地分辨出哪些是紅光信號，哪些是紅外光信號。然而，現實(shí)情況遠比理想模型復雜，這正是濾光片大顯身手的地方。

1. 為什么必須使用濾光片？

光源的非理想性：血氧儀使用的LED并非只發(fā)出單一波長(cháng)的純光，其發(fā)光光譜具有一定的半高寬，即它發(fā)出的光是以目標波長(cháng)（如660nm）為中心的一個(gè)波段。如果沒(méi)有濾光片，紅光LED發(fā)出的光會(huì )“污染”紅外光的測量通道，反之亦然。

探測器的“色盲”特性：光電探測器（如光電二極管）本質(zhì)上是“色盲”的，它只能響應光子的總能量或總強度，但無(wú)法區分這些光子是來(lái)自660nm還是940nm。

環(huán)境光的強烈干擾：室內燈光、太陽(yáng)光等環(huán)境光覆蓋了從紫外到紅外的廣闊光譜，其強度可能遠超血氧儀自身發(fā)出的微弱信號。若不加以濾除，探測器將完全被環(huán)境光“淹沒(méi)”，無(wú)法進(jìn)行有效測量。

2. 濾光片在系統中的工作方式

為了解決上述問(wèn)題，濾光片通常以?xún)煞N方式集成在系統中：

a) 在探測器端使用（主流且更有效的方法）
這是最經(jīng)典和精密的方案。在光電探測器前方，會(huì )安裝一個(gè)微型濾光輪，輪上嵌有兩片關(guān)鍵的窄帶干涉濾光片：

660nm窄帶帶通濾光片

940nm窄帶帶通濾光片

（NBP940窄帶濾光片）

系統控制濾光輪高速旋轉，使得探測器在極短的時(shí)間間隔內，依次只接收：

透過(guò)660nm濾光片的光（包含透射的660nm信號 + 環(huán)境光中的660nm成分）

透過(guò)940nm濾光片的光（包含透射的940nm信號 + 環(huán)境光中的940nm成分）

（部分設計會(huì )包含一個(gè)不透光區，用于測量純環(huán)境光本底）

通過(guò)這種時(shí)序分離技術(shù)，信號處理器可以：

精確分離出純凈的紅光信號和紅外光信號。

實(shí)時(shí)扣除環(huán)境光的干擾，從而計算出準確的AC/DC比值。

b) 在光源端使用
也可以在LED的發(fā)光表面直接貼裝或鍍上相應的窄帶濾光片，從源頭上“凈化”光源，使其發(fā)出的光波段更窄、更純凈，減少兩種光源之間的串擾。

三、 濾光片的核心參數規格分析

對于脈搏血氧儀而言，濾光片的性能直接決定了測量的準確性和可靠性。以下是其關(guān)鍵的參數規格：

1. 中心波長(cháng)：濾光片透光率最高的峰值波長(cháng)，血氧儀的設計波長(cháng)一般為660nm ± 2nm 和 940nm ± 5nm。任何偏差都會(huì )直接導致吸收系數計算的錯誤，從而影響SpO?讀數。940nm波段由于處于水的吸收峰附近，允許的公差通常稍寬。

2. 半高寬：透射譜峰值高度一半處所對應的波長(cháng)寬度。它代表了濾光片的“顏色純度”，血氧儀半高寬要求在10nm ~ 15nm以?xún)?。一個(gè)窄的半高寬能有效隔離660nm和940nm兩個(gè)通道，防止信號串擾，并抑制環(huán)境光中非目標波段的影響。

3. 峰值透射率：在中心波長(cháng)處的最大透光效率。這個(gè)值越高越好，通常要求>85%，高性能濾光片可達95%以上。高透射率意味著(zhù)更多的信號光能到達探測器，從而提升信噪比，讓微弱的脈搏信號（交流分量）更容易被檢測到。

4. 截止范圍與截止深度：濾光片需要阻擋的光譜范圍（截止范圍）及其阻擋能力（截止深度，通常用光密度OD值表示）。在非通帶范圍內，特別是另一個(gè)LED的波段（例如，660nm濾光片需要強力截止800nm-1000nm的紅外光），需要有極深的截止度，通常要求OD > 4（即透射率 < 0.01%）。這是防止通道串擾的最關(guān)鍵保障。

5. 角度特性：入射光線(xiàn)角度變化對濾光片中心波長(cháng)和透射率的影響。由于光路設計，光線(xiàn)可能非垂直入射。優(yōu)質(zhì)濾光片應具有較小的中心波長(cháng)漂移，確保在不同角度下性能穩定。

6. 基材與鍍膜：通常采用光學(xué)玻璃或石英玻璃作為基材，通過(guò)干涉鍍膜技術(shù)制作。鍍膜的質(zhì)量決定了濾光片的耐久性、穩定性和光學(xué)性能。

脈搏血氧儀看似簡(jiǎn)單的“一夾一測”背后，蘊藏著(zhù)精妙的光學(xué)設計和材料科學(xué)。濾光片作為其中的關(guān)鍵分光元件，如同一位技藝高超的指揮家，將混雜的光信號梳理得井井有條，確保了紅光與紅外光兩個(gè)“聲部”的純凈與和諧。對其核心參數的深刻理解與嚴格把控，是設計和制造出高性能、高可靠性血氧儀產(chǎn)品的根本前提。在追求更高精度和更小體積的穿戴式醫療設備趨勢下，濾光片的性能優(yōu)化與集成創(chuàng )新將繼續扮演至關(guān)重要的角色。