血氧飽和度測量儀的設(shè)計

1、血氧飽和度測量儀的設(shè)計第一章緒論4血氧飽和度的基本概念 4血氧飽和度測量儀課程設(shè)計的意義3血氧飽和度測量儀課程設(shè)計的技術(shù)要求4基本步曝5理論依據(jù)5硬件電路的設(shè)計6軟件設(shè)計6仿真及數(shù)值定標6第二章實驗方案設(shè)計及論證6設(shè)計理論依據(jù)6.雙波長法的概念6光電脈搏傳感器7傳感器可能受到的干擾9實驗方案設(shè)計10第三章硬件電路的設(shè)計10(硬件原理框圖10各部分電路的設(shè)計11第四章軟件模塊設(shè)計13主程序流程圖14子程序流程圖14硬件調(diào)試16第五章設(shè)計收獲及心得依會17第六章參考文獻19附錄程序清單20摘要氧是維持人體組織細胞正常功能，生命活動的基礎(chǔ)。人體的絕大多數(shù)組織細 胞的能量裝換均需要氧的參加。所以，實時

2、監(jiān)護人體組織中氧的代謝具有重要的 意義。人體的新陳代謝過程是生物氧化過程。氧通過呼吸系統(tǒng)進入人體血液，與血 液紅細胞中的血紅蛋白（Hb）結(jié)合成氧合血紅蛋白（HbOJ ,再輸送到人體各部分組織細胞中去。在全部血液中，被氧結(jié)合的HbO,容量占全部可結(jié)合容量的百分比稱為血氧飽和度弘0。許多臨床疾病會造成氧供給的缺乏，這將直接影響細 胞的正常新陳代謝，嚴重的還會威脅人的生命，所以動脈血氧濃度即&他。的 實時監(jiān)測在臨床救護中非常重要。在本次關(guān)于血氧飽和度測量儀的設(shè)計中，是基于MCS-51單片機的設(shè)計，需 要選測合適的光電脈搏傳感器采集數(shù)據(jù)，并利用4為LED數(shù)碼顯示測量值，利用 鍵盤切換顯示脈搏跳動的頻率

3、。關(guān)鍵詞：51單片機血氧飽和度比爾一朗伯定理%第一章緒論血氧飽和度的基本概念血氧飽和度(S02)是血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可 結(jié)合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的濃度，它是呼吸循環(huán)的重要 生理參數(shù)。而功能性氧飽和度為HbO2濃度與HbO2+Hb濃度之比，有別于氧合血 紅蛋白所占百分數(shù)。因此，監(jiān)測動脈血氧飽和度(SaO2)可以對肺的氧合和血紅蛋 白攜氧能力進行估計。正常人體動脈血的血氧飽和度為98% ,靜脈血為75%。(Hb為血紅蛋白，hemoglobin,簡寫Hb)血氧飽和度測量儀課程設(shè)計的意義S人體的新陳代謝過程是生物氧化過程，而新陳代謝過程中所需要

4、的氧，是通 過呼吸系統(tǒng)進入人體血液，與血液紅細胞中的血紅蛋白(Hb),結(jié)合成氧合血紅蛋 白(HbO2)，再輸送到人體各部分組織細胞中去通過連續(xù)或間斷地監(jiān)測血氧飽和度 可以對人體攜帶氧的能力進行估計，同時，其又是判斷人體呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng) 是否出現(xiàn)障礙或者周圍環(huán)境是否缺氧的重要指標，在手術(shù)麻醉、監(jiān)護室急救病 房、病人運動和睡眠研究、以及慢性呼吸循環(huán)系統(tǒng)疾病患者的監(jiān)上都有著重要的 作用。傳統(tǒng)的血氧飽和度測量方法是先進行人體采血，再利用血氣分析儀進行電化 學(xué)分析，測出血氧分壓P0：,計算Sa02：o這種方法比較麻煩，且不能進行連續(xù) 的監(jiān)測。因此，一種采用無損光譜學(xué)連續(xù)檢測人體的血氧含量的方法應(yīng)運而生

5、。 其基本原理是根據(jù)組織對光的固有特性，利用光在組織中傳播的效應(yīng)來獲取和研 究生物組織生理的、代謝的有用信息，安全、可靠、對肌體無損，具有廣泛的研 究應(yīng)用前景和重要的實用價值。血氧飽和度測量儀課程設(shè)計的技術(shù)要求通過MCS-51單片機(或其他單片機)制作一臺數(shù)字顯示的血氧飽和度測量 儀。要求如下：1. 了解什么事血氧飽和度，掌握無創(chuàng)測量血氧飽和度的方法；2. 選擇光電脈搏傳感器，設(shè)計血氧飽和度檢測電路；3. 利用4為LED數(shù)碼顯示測量值并可以切換顯示脈搏跳動的頻率；4. 選測單片機構(gòu)建信號采集系統(tǒng)；5. -需將完成的檢測調(diào)理電路，通過軟件仿真驗證?；静襟E理論依據(jù)無創(chuàng)血氧飽和度的檢測原理是根據(jù)B

6、eer-Lambert定律，引出分光光度法進 行物質(zhì)定性分析和定量分析。根據(jù)這個理論基礎(chǔ)，由氧合血紅蛋白與還原血紅蛋 白對不同波長色光的吸光度不同和血氧飽和度的定義，推導(dǎo)出動脈血管中的血氧 飽和度計算公式。根據(jù)朗伯-比爾定律可以得出單色光透過某均勻溶液后透射光 強I與溶液諸參數(shù)的關(guān)系是：式中：E表示該溶液對某特定單色光的吸光系數(shù)；C表示該溶液的濃度；D 表示光透過溶液所經(jīng)光程長度。若定義吸光度A為：A=ln(IO/ I)=ECD假如均勻組織為血管，當動脈血脈動時，D將有一個AD的改變，此時透射 光I也將有一個【的改變，此時吸光度A的改變AA為：AA=lnl / (I-AI)=ECXAD根據(jù)醫(yī)學(xué)

7、定義，由于含氧血紅蛋白和還原血紅蛋白處于同一血液溶液中，他們的 含量之比即為濃度之比，這樣血氧飽和度為：SpO =HbO2MOJ + MClC + C2現(xiàn)定義如下:AW = In=ln(l 式中：即為該色光光電信號的交直流成份之比，由以上表達式再根據(jù)數(shù)學(xué)變 換，當有兩路光源透射過手指后最終可以推出血氧飽和度的計算表達式為：恥=辟一即麗一（目殆式中：Ei表示不同物質(zhì)的吸光系數(shù)，對于一定波長和一定組織成分而言，Ei是 確定的常量。將上式寫為如下形式，并展開成二階泰勒級數(shù)為：W， fabSpO2 = A + Bx+ Cx2c+ clAW只要測量出色光光電信號的交直流成份之比/ AW與標準血氧計測量的

8、血氧飽和度，利用最小二乘法二次曲線擬合技術(shù)，確定常數(shù)A, B, C就可以得到血氧飽和度經(jīng)驗公式。硬件電路的設(shè)計根據(jù)脈搏血氧飽和度的測量儀的測量原理，設(shè)計了以MCS-51單片機為核心 的脈搏血氧飽和度儀的硬件電路，包括方波脈沖發(fā)生電路，光電驅(qū)動電路，濾波 電路，放大電路，數(shù)碼顯示電路，解調(diào)電路，電源等。軟件設(shè)計編程產(chǎn)生時序，控制光源驅(qū)動電路，ADC0809,數(shù)碼顯示，實現(xiàn)檢測結(jié)果數(shù) 字顯示及控制整個硬件系統(tǒng)，編程實現(xiàn)信號的增益調(diào)節(jié)等。仿真及數(shù)值定標在完成血氧飽和度測量儀硬件系統(tǒng)金額信號處理之后，對脈搏血氧飽和度測 量儀進行實驗以驗證測量的精度。為了能在實際應(yīng)用中得到可信的結(jié)果，應(yīng)對測 量儀進行數(shù)

9、值的定標，以取得最準確的定標參數(shù)。第二章實驗方案設(shè)計及論證設(shè)計理論依據(jù)血氧飽和度測量儀的設(shè)計主要依據(jù)是比爾一朗伯定律，和雙波長法以及光電 脈搏傳感器，采用無創(chuàng)血氧飽和度測量儀的設(shè)計理念。雙波長法的概念在單位時間內(nèi)有兩條波長不同的光束入1和入2交替照射同一個溶液，由檢 測器測出的吸收度是這兩個波長下吸收度的差值A(chǔ)A。AA與被測定物質(zhì)的濃度 成正比，這個方法稱雙波長分光光度法。雙波長分光光度法的關(guān)鍵是正確選擇兩波長入1、入2,要求被測組分D在 兩波長處的AA足夠大，而干擾組分G和背景在兩波長應(yīng)有相同的吸光度( A=0)o為滿足上述要求，一般是將X2選在待測組分的最大吸收波長，入1是選 在干擾組分等

10、吸收波長。可測定渾濁樣品，也可測定吸收光譜相互重疊的混合物 樣品，也是當雜質(zhì)使主峰產(chǎn)生肩峰時測定主峰物質(zhì)的較好定量方法。光電脈搏傳感器a. 光電式脈搏傳感器的原理b. 根據(jù)朗伯比爾(Lamber Beer)定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和 他的濃度成正比。當恒定波長的光照射到人體組織上時，通過人體組織吸收、反 射衰減后測量到的光強將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。脈搏 主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖，組織中的動脈成分含量髙， 而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強相對較 大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。圖1 手描光吸收星變化示意

11、圖c. 光電脈搏傳感器的結(jié)構(gòu)d. 從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回。 其余部分透射出來。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式 2種，其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置，接收的 是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時間關(guān)系，但不能精確測量出血液 容積量的變化；反射式的發(fā)射光源和光敏器件位于同一側(cè)，接收的是血液漫反 射回來的光，此信號可以精確地測得血管內(nèi)容積變化。本文討論的是透射式脈搏 傳感器，側(cè)重于脈搏信號的測量。e. 光敏原件光電式脈搏傳感器由于采用不同的光敏元件有著多種實現(xiàn)方法，其中光敏 元件主要有光敏電阻、光敏二極管、光敏三

12、極管和硅光電池。在傳統(tǒng)的光電式脈 搏傳感器設(shè)計中，通常采用的是獨立光敏元件，利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)改變輸 出的電流，通常光敏元器件輸出的電流極低，容易受到外界干擾，而且對后續(xù) 的放大器的要求比較嚴格，需要放大器空載時的電流輸出較小，避免放大器空 載輸出電流對脈搏信號測量的干擾，這樣對于普通的放大器就不能直接應(yīng)用在 光敏元件的后端。圖 3 OPT101在本設(shè)計中，采用一種光敏元件0PT101 ,該元件將感光部件和放大器集成 在同一個芯片內(nèi)部，這種集成化的設(shè)計方式有效地克服了后端運算放大器空載 電流輸出對光敏部件輸出電流的影響，而且芯片輸出的電壓信號可以通過外部 的精密電阻進行調(diào)節(jié)，有利于芯片適應(yīng)整

13、體的電路設(shè)計，同時芯片的集成化設(shè) 計也能夠減小系統(tǒng)的功耗。憑發(fā)射光源光電式脈搏傳感器主要由光源、光敏器件，以及相應(yīng)的信號調(diào)理控制電路構(gòu) 成。為了充分利用器件的效果，光源和光敏元件的選擇是綜合考慮的，光源的波 長應(yīng)該落在光敏元件檢測靈敏度較高的波段內(nèi)，圖4為0PT101的光波長響應(yīng) 曲線。UvkjIcc容II a1Lj1/IM”/乙一SPECTJCAL RESPCKNSfVITY圖4 OPT101比波長響應(yīng)曲線脈搏信號主要由動脈血的充盈引起，而血液中還原血紅蛋白（Hb）和 氧合血紅蛋白（HbO2 ）含量變化將造成透光率的變化，當氧合血紅蛋白和還原 血紅蛋白對光的吸收量相等時，透射光的強度將主要由

14、動脈血管的收縮和舒張 引起，此時能夠比較準確地反映出脈搏信號。圖5為血紅蛋白的光吸收曲線, 從圖中可以看出，血液中HbO2和Hb對于不同波長光的吸收系數(shù)的差異明顯, 而且2條曲線好幾個不同的交點，考慮到在805nm波長處，血紅蛋白的光吸收 率比較低，那么透射過手指的光強較大，有利于光敏器件的接收，因此發(fā)射光 源的波長選擇為805nmo傳感器可能收到的干擾在測量過程中，前端測量到的脈搏信號十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾, 因此需要對脈搏傳感器的干擾噪聲進行分析，從光電式脈搏傳感器設(shè)計的技術(shù) 角度減少干擾，使之能夠準確測量到脈搏信號。光電式脈搏傳感器的干擾主要有 測量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測量過程

15、運動噪聲，下面對上述情況結(jié)合實驗測量 做進一步的分析。a. 環(huán)境光對脈搏傳感器測量的影響b. 在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含脈搏信 息的透射光信號，而且包含測量環(huán)境下的背景光信號，由于動脈搏動引起的光 強變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當中要保持測量背景光的恒 定，減少背景光的干擾。C. 測量環(huán)境下的背景光包含環(huán)境光和在測量過程中引起的二次反射光。 為了減少環(huán)境光對脈搏信號測量的影響，同時考慮到傳感器使用的方便性，采 用密封的指套式的包裝方式，整個外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色，盡量減小外 界環(huán)境光的影響。為了避免測量過程中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的 內(nèi)層

16、表面涂上一層吸光材料，這樣能有效減少二次反射光的干擾。&圖7不加指套和加指賓采集到的脈搏波形e. 由圖7的圖形明顯可知，加上指套式外殼后的脈搏傳感器測量到的脈搏 波形比較平滑。這是因為加指套式的脈搏傳感器中環(huán)境光在測量過程中基本上不 受外界環(huán)境光的影響，而且能夠有效減少二次反射光，使照射到手指上的光波 長單一，所以得到的脈搏信號較為穩(wěn)定，沒有明顯的重疊雜波信號，能夠很好 地體現(xiàn)出脈搏波形的特征。f. b.電磁干擾對脈搏傳感器的影響g. 通過光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號一般比較微弱，容易受 到外界電磁信號的干擾，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器電路中，由于光敏器件和 一級放大電路是分離的，那么在信

17、號的傳遞過程就很容易受到外界電磁干擾，通 常在一級放大電路采用電磁屏蔽的方式來消除電磁干擾。本系統(tǒng)采用了新型的光 敏器件，在芯片內(nèi)部集成光敏器和一級放大電路，有效地抑制了外界電磁信號 對原始脈搏信號的干擾h. 工頻干擾是電路中最常見的干擾，脈搏信號變化緩慢，特別容易受 到工頻信號的干擾，因此對工頻信號干擾的抑制是保證脈搏信號測量精度的主 要措施之一。通常脈搏信號的頻率范圍在01330 Hz之間，小于工頻50 Hz , 因此通過低通濾波器可以有效濾除工頻干擾，這在信號調(diào)理電路中容易實現(xiàn)； 同時可以在控制電路中對光源進行脈沖調(diào)制。這樣不但能夠降低系統(tǒng)的功耗， 而且能夠在一定程度上減小外界的電磁干擾

18、。在脈搏信號數(shù)據(jù)采集后，可以通過 數(shù)據(jù)處理法方法進一步濾除工頻信號的干擾。i. c.測量過程中運動噪聲j. 在測量過程當中，通常情況下手指和光電式脈搏傳感器可能產(chǎn)生相 對的運動，這樣對脈搏測量產(chǎn)生誤差，可以通過2個方面減少運動噪聲誤差： 一是改善指套式傳感器的機械抗運動性，比如說使指套能夠更緊的夾在手指上， 不易松動；二是從脈搏信號處理的角度，通過算法來減小誤差，對于傳感器的設(shè) 計，現(xiàn)在采用的主要是第一個途徑。實驗方案設(shè)計根據(jù)實驗指導(dǎo)書，設(shè)計采用MCS-51單片機的最小系統(tǒng)，通過555定時器產(chǎn) 生方波，通過二分頻對紅光二極管和紅外光二極管作用，根據(jù)雙波長法測量血氧 飽和度，光電傳感器0PT10

19、1接受光信號，再通過解調(diào)電路，濾波電路，輸入A/D 轉(zhuǎn)換器，單片機取出通過A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，并在LED顯示。通過編程，使當 按鍵盤后，顯示切換成脈搏頻率的顯示。第三章訃硬件電路的設(shè)計硬件原理框圖該系統(tǒng)主要由傳感器驅(qū)動電路，光電傳感器，時序控制電路，積分濾波, 液晶顯示電路和8951單片機構(gòu)成。信號處理和控制采用的是美國CYGNAL共 生產(chǎn)的C8951單片機，與普用的8051單片機相比，89C51具有以下幾個重要 特點：1速度快：高達25M/s的速度，比標準8051快了 20倍以上，絲毫不遜 于PLC, ARM單片機。2. 強大的模擬信號處理功能：有32路12位的ADC,兩路12位精度的 DA

20、C,兩路模擬比較器。3. 強大的控制功能：多大64位的I/O 口線，獨特地數(shù)字開關(guān)陣列可將 內(nèi)部的定時器串行總線，外部中斷源，A/D轉(zhuǎn)換輸入等定位于P0, Pl, P2。4. 存儲器：64KB的FLASH存儲器，部分可用數(shù)據(jù)存儲器，片內(nèi)4KB的 RAM存儲器。5. 11邏輯與門74LS09212按鍵式開關(guān)513三極管8550314二極管215發(fā)光二極管216石英晶振12MHZ117電阻200歐669K10%10K1251K2g100K41M-118電感l(wèi)ull219電容28(20pF24InF120uF18pF 1附錄2：程序清單#include/函數(shù)頭文件 ttincludeO/功能函數(shù)頭文

21、件ftdefine CS0809 XBYTEOxfeff /adc0809 的地址#define uchar unsigned char/自定義變量define uint unsigned int/自定義變量sbit E0C=P30； /特殊位自定義sbit key二Pl3；sbit dula=Pl*5；sbit wela=Pl6；jsbit P20二P20；sbit P21二P2l;sbit P22二P22；sbit P31二P3l;uchar code table=顯示代碼表0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7

22、c,0x39,0x5e,0x79,0x71):void delay (uint):/子程序自定義void init ()；void int0()；uint shult shu2；void displayl (uchart uchartuchar)；void display2(uchartuchartuchar)；uchar flagltbaitshitgeTaatbb,cctc；uchar II,12,13,I4,k,SPO2,Vl,V2,V3,V4;uint temp；void mainO /主函數(shù)部分：功能是顯示int0() interrupt 1;while(l)利用變量C的值來控制標志

23、位的值if(c=l)flagl=l；elseflagl二0；c=0；if(flagl=l)/利用標識符的值來進行顯示切換 displayl(bai.shi,ge);elseIdisplay2(aar bb,cc)；)void delay(uint x) /延遲函數(shù)調(diào)用，帶參數(shù)反回uint i.j；sfor(i=x；i0；i) for(j=110； j0； j)；void get_temp() uchar a,b；transform ()；delay (1)；tempwritebyte (Oxfeff); /寫轉(zhuǎn)換指令a=tempread () ； /讀低 8 位b=tempread () ；

24、/讀髙 8 位temp=b；temp=8； /兩個字節(jié)組合成一個字temp=templa；return temp；uchar II, 12 J3,14,k,SP02, VI, V2,V3tV4,p；void init()/處理數(shù)據(jù)部分get_temp()；Il=temp；/紅外光直流get_temp ()；I3i)I3i=I3j；Imax(I3)=I3i;return Imax(13):uint 12 ；void nnt2()for(m=0；mI2i)II2i=I2j；Imax(I2)=I2i；return Imax(12):void nntll ()最小值調(diào)用函數(shù)uint 13 ；for (m=0；m8；m+) i=m；j=m+l； if(I3jI2i)I3i=I2j；Imin(I3)=I3i；ireturn Imin(I3)；void nnt21 ()uint 12 ；for (m二0；ni8；ni+) i=m；j=m+l； if(I2jI2i)I2i = I2j；Imin(I2)=I2i;return Imin(I2)；sinit ()；void intO() interrupt 1/處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成可顯示的數(shù)字uint c；c二 0；bai=shul/100；shi=shul%100/10;ge