三波長(zhǎng)血氧飽和度測(cè)量?jī)x的研制

1、 導(dǎo)師：周山宏 高工答辯人：林政劍電子科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1 課題背景、研究意義和血氧儀的發(fā)展2 血氧飽和度測(cè)量的光學(xué)理論基礎(chǔ)3 低血氧儀系統(tǒng)的研制4 干擾信號(hào)的處理方法分析5 結(jié)論和展望l1.1 血氧飽和度（SaO2）的概念 lSaO2(HbO2Hb) 100lHb=Hb+HbO2+COHb+MetHb l SaO2（HbO2HbO2+Hb）100l檢測(cè)動(dòng)脈血中的氧含量，是判斷人體呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)是否缺氧的重要指標(biāo)。血氧監(jiān)護(hù)在臨床麻醉手術(shù)新生兒和危重病人監(jiān)護(hù)應(yīng)用中為醫(yī)生提供了直接快速有效的臨床依據(jù)，在腦外科新血管外科及新生兒早產(chǎn)兒監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域有著重要的意義。l1932年，Nicolai

2、和Kramer兩位科學(xué)家研制出接近現(xiàn)代使用的脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x。l1935年，Matthes研制了第一個(gè)雙波長(zhǎng)的耳部血氧測(cè)量探頭，可以實(shí)現(xiàn)脈搏血氧飽和度的測(cè)量，不過(guò)這種設(shè)備測(cè)量緩慢，需要頻繁校準(zhǔn)而且不能區(qū)分動(dòng)脈和靜脈血流。l 1942年，MilliKan使用一個(gè)加溫的耳部探頭的脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x，用在飛機(jī)上對(duì)飛行員測(cè)量。l1949年，Wood設(shè)計(jì)的脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x將耳部的血液擠走以獲得絕對(duì)零點(diǎn)來(lái)改進(jìn)測(cè)量精度，這種設(shè)備光源穩(wěn)定性要求高，每次測(cè)量需要繁瑣調(diào)整，因而沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。l 1964年，Shaw設(shè)計(jì)了一種八波長(zhǎng)的自身調(diào)整的耳部血氧計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是避免了繁瑣的調(diào)整，從650nm到1050

3、nm的八個(gè)光波，但該設(shè)備體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易損壞而且價(jià)格昂貴。l1972年，日本人Aoyagi用紅光和紅外光穿過(guò)測(cè)量部位中脈動(dòng)的動(dòng)脈血管，可以直接計(jì)算出脈搏血氧飽和度,采用發(fā)光二極管減少了血氧探頭的體積，投入到了商業(yè)應(yīng)用中。l1974年，日本的青柳卓雄等人發(fā)表了脈搏血氧計(jì)測(cè)試法原理，第一臺(tái)脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)xOLV5100問(wèn)世。l1982年，Nellcor研制出一種性能更好的脈搏血氧計(jì)N-100，并形成了一種標(biāo)準(zhǔn)模式，系利用發(fā)光二極管做為光源，硅管作為光傳感器，微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理，從而使脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x進(jìn)入了新時(shí)代。l90年代以后，基于雙波長(zhǎng)的各種血氧計(jì)不斷研制出來(lái)，脈搏血氧飽和度

4、測(cè)量?jī)x已經(jīng)在臨床實(shí)踐上得到了廣泛的應(yīng)用，成為一種不可缺少的臨床診斷設(shè)備。 l2.1 Lambert-Beer定律定律l透光率 T=It/I0l吸光度 A=- logT = bclLambert-Beer定律 光脈搏容積波Hb和HbO2的吸光系數(shù)曲線dccodccIFII2211221110100dccIIA)(log22110 （2-1） （2-2） dccIIIIIIIIA221100logloglog （2-3） dccIIIAE2211log10lnlogmaxmaxmaxmaxmaxIIIIIE （2-4）21221212112dccEcccSaO （2-5）10lnmaxmaxIIE

5、 （2-6） 21221212112dccEcccSaO (2-7)1212222/EEEESaO (2-8)bEEkEESaO1221222/ (2-9)bkRbIIIIkSaOmaxmaxmaxmax2/ （2-10）發(fā)射光波長(zhǎng)660nm和940nm 發(fā)射光波長(zhǎng)735nm和890nm 圖2-9 光平均穿透深度曲線圖2-10 相對(duì)路徑變化曲線l用595nm、 735nm 、890nm三個(gè)波長(zhǎng)的光來(lái)測(cè)量，相當(dāng)于用兩組雙波長(zhǎng)（每組波長(zhǎng)中都需要有兩種血紅蛋白吸光系數(shù)近似相等的波長(zhǎng)的光，公式（2-10）才能成立）光的測(cè)量值取了一次均值。對(duì)595nm和890nm兩種波長(zhǎng)的光，利用公式（2-10）得Sa

6、O2=k1R1 +b1,同理對(duì)735nm和890nm可得SaO2=k2R2+b2l最后 SaO2 =（k1R1+b1）+（k2R2+b2)/2l =AR1+BR2+C圖2-11 6001000nm段HbO2吸光系數(shù)曲線圖2-12 600-1000nm段脈動(dòng)與非脈動(dòng)光強(qiáng)比值曲線圖2-13 450-600nm段HbO2吸光系數(shù)曲線圖2-14 450-600nm段脈動(dòng)與非脈動(dòng)光強(qiáng)比值曲線l3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖3-1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖l江蘇穩(wěn)潤(rùn)光電有限公司生產(chǎn)的JY-5143UYC，JY-3024HD，JY-3024IRC型號(hào)三種發(fā)光二極管和JY2017PDB型號(hào)的光敏二極管。三個(gè)發(fā)光二

7、極管鑲嵌在一塊黑色小泡膜板上，發(fā)光二極管管頂成正三角形，邊長(zhǎng)為5mm，光敏二極管嵌在另外一塊黑色小泡膜板上，兩塊泡膜板略下凹成弧形，再用粘合劑把兩塊小泡膜板分別粘在手指夾套的兩面上，光敏二極管光接收窗口正對(duì)準(zhǔn)正三角形的中心，三個(gè)發(fā)光二極管略向正三角形的中心傾斜，保證發(fā)光二極管管頂能對(duì)準(zhǔn)光敏二極管光接收窗口。 譯碼器 Atmel公司生產(chǎn)的AT89C52單片機(jī)性能良好，價(jià)格低廉。 選用的A/D轉(zhuǎn)換器件8位ADC0809是作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來(lái)使用的。采用硬件譯碼器SN7447。單片機(jī)處理后的十進(jìn)制BCD數(shù)09，通過(guò)單片機(jī)P1.0P1.3口送到譯碼器輸入端A、B、C、D，輸出端就可以輸出字符的“段碼”

8、，且自帶驅(qū)動(dòng)，可直接連接數(shù)碼管。 圖3-5 電源供電電路原理圖圖3-6 光電檢測(cè)電路圖3-7 截止頻率為40Hz的二階低通濾波器圖3-8 截止頻率為0.1Hz的二階高通濾波器0.22u1K10K200K3261874OP-070.22u400K10K10K3261874OP-07l語(yǔ)言環(huán)境簡(jiǎn)介l本系統(tǒng)程序使用編寫51匯編語(yǔ)言。l開(kāi)發(fā)系統(tǒng)簡(jiǎn)介圖3-10 WF-2000/L+的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境l在一個(gè)心動(dòng)周期，大約0.8秒時(shí)間內(nèi)，控制 595nm、 735nm 、890nm三種波長(zhǎng)光周期性發(fā)光，發(fā)光時(shí)間為72us，每隔4ms啟動(dòng)一個(gè)發(fā)光管發(fā)光，保證一個(gè)周期內(nèi)采樣100次，測(cè)出三種波長(zhǎng)光的透射光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的

9、最大電壓和最小電壓值，進(jìn)而求出各自最大電壓和最小電壓差值與最大電壓值的比值k1、 k2、k3，然后再求出k1與k3之比值R1和k2與k3之比值R2 。圖3-11 主程序流程圖圖3-12 中斷服務(wù)程序流程圖lprotel 軟件進(jìn)行PCB版圖設(shè)計(jì)的基本步驟：調(diào)入元件封裝；布局；布線；電氣檢查。PCB電路設(shè)計(jì)和制作完成后，采用Tektronix公司的TDS3032數(shù)字示波器進(jìn)行硬件調(diào)試，從硬件電路提取的脈搏波信號(hào) 。圖3-13 脈搏波信號(hào)l系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)公式SaO2=A R1+BR2+C 對(duì)儀器進(jìn)行定標(biāo)。即確定公式中的系數(shù)AB和C。l為了創(chuàng)造對(duì)儀器進(jìn)行定標(biāo)的低血氧條件，實(shí)驗(yàn)時(shí)每個(gè)人用橡皮筋稍微

10、扎緊食指并憋氣20-30秒鐘的時(shí)間，讓食指短時(shí)處于低血氧狀態(tài)，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象通過(guò)單片機(jī)測(cè)出對(duì)應(yīng)的R1和R2的值 。l通過(guò)求解方程組的方法得到公式中的定標(biāo)系數(shù)。l SaO2=109.35-8.56 R1-6.97R2 l本血氧儀由于采用了三種波長(zhǎng)的光作為測(cè)試光波，作為定標(biāo)依據(jù)的參量有兩個(gè)，比雙波長(zhǎng)血氧儀新增了參量R1，由于R1的值較大，在一定程度上增大了儀器的檢測(cè)靈敏度。l影響測(cè)量精度的因素 l血流灌注小的影響;手指插入的深度和方向;監(jiān)測(cè)部位受壓;環(huán)境光線太強(qiáng)l干擾信號(hào)的處理方法l削弱背景光l傳感器密閉系統(tǒng),保證傳感器不透光,即密閉法 l自準(zhǔn)信號(hào)抵消環(huán)境光變化的影響，即電氣補(bǔ)償法 l防止電磁干擾

11、和工頻干擾的方法 采用接地性好、導(dǎo)電性好磁導(dǎo)率高、封閉性好的屏蔽材料對(duì)電路進(jìn)行包裹形成封閉的屏蔽體，屏蔽體通過(guò)對(duì)電磁波的反射和吸收, 屏蔽輻射干擾源所產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量。l消除運(yùn)動(dòng)偽差和降低運(yùn)動(dòng)噪聲 身體的運(yùn)動(dòng)會(huì)造成血液充盈狀況、光路徑長(zhǎng)度等因素發(fā)生變化 l理論上全面闡述了低血氧飽和度的測(cè)量原理和方法。l提出了用三個(gè)發(fā)光波長(zhǎng)（595nm 、735nm、 890nm）作為測(cè)試光波長(zhǎng)的算法，可以提高低血氧飽和度的測(cè)量精度。突破了傳統(tǒng)上只使用600 nm以上的光作為測(cè)試光波長(zhǎng)。l完成了基于51單片機(jī)的性價(jià)比高的硬件電路的設(shè)計(jì)和制作。l用51匯編語(yǔ)言完成了從信號(hào)采集、處理到顯示全部源程序的編制。l本血氧儀需要進(jìn)一步改進(jìn)的方向：一方面，傳感器的制作還需要更精密設(shè)計(jì)，選