生物醫(yī)學(xué)傳感器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告——血氧

1、.生物醫(yī)學(xué)傳感器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)課題一、傳感器性能指標(biāo)的檢測(cè)一、實(shí)驗(yàn)原理1.金屬熱電偶傳感器。兩種不同的金屬組成回路時(shí)，若兩個(gè)接觸點(diǎn)溫度不同，則回路中就有電流通過(guò)，稱(chēng)為溫差電現(xiàn)象或塞貝克效應(yīng)。熱電偶傳感器就是利用這種效應(yīng)制成的熱敏傳感器。它具有測(cè)溫范圍寬、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。溫度差現(xiàn)象：在塞貝克效應(yīng)中，若保持兩接觸點(diǎn)的溫度差，回路中就存在恒定的電勢(shì)。塞貝克電勢(shì)可用下式表示：V=T1-T2+T12-T22+式中：、均為熱電偶常數(shù)；T1為第一接觸點(diǎn)上的被測(cè)溫度； T2為第二接觸點(diǎn)上的參考溫度（通常為0°C）。常用材料的較小，故在溫差不大時(shí)，近似于線性關(guān)系。2.熱敏電阻：熱敏電阻是

2、一種對(duì)溫度敏感的具有負(fù)電阻溫度系數(shù)的溫敏遠(yuǎn)見(jiàn)，由氧化錳、氧化鎳、氧化鈷等氧化物和陶瓷、半導(dǎo)體材料制成，其電阻率比金屬大得多。用于生物醫(yī)學(xué)的熱敏電阻的電阻率約為0.1100.m，通常做成珠狀、圓盤(pán)狀、薄片狀、桿狀和環(huán)狀的器件，具有尺寸小、靈敏度高和很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性等特點(diǎn)，應(yīng)用很廣。3. 光電傳感器：光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析1.熱電偶傳感器電勢(shì)差隨溫度變化表電勢(shì)差隨溫度變化圖由圖可知，隨溫

3、度差提高，熱電偶電勢(shì)差線性提高。2.熱敏電阻傳感器熱敏電阻隨溫度變化表熱敏電阻隨溫度變化圖由圖可知：熱敏電阻阻值隨溫度上升而線性提高3.光電傳感器在實(shí)驗(yàn)中僅完成電路調(diào)試，未測(cè)試數(shù)據(jù)。4.血氧探頭設(shè)計(jì)課題五：血氧信號(hào)的檢測(cè) 一、 背景概述1.血氧飽和度的定義：動(dòng)脈血氧飽和度指在全部動(dòng)脈血容量中，被血紅蛋白結(jié)合的氧容量占全部可結(jié)合氧容量的百分比。血氧飽和度分?jǐn)?shù)：是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。而功能性氧飽和度為HbO2（氧合血紅蛋白）濃度與HbO2（氧合血紅蛋白）+Hb（還原血紅蛋白）濃度之比： ，有別于氧合血紅蛋白所占百分?jǐn)?shù)。本設(shè)計(jì)采用計(jì)算功能性氧飽和度方法。2.生理意義：血氧飽和度是呼吸循環(huán)的重要生

4、理參數(shù)。人體的新陳代謝過(guò)程是生物氧化過(guò)程，而新陳代謝過(guò)程中所需要的氧，是通過(guò)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體血液，與血液紅細(xì)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(xì)胞中去。許多臨床疾病會(huì)造成氧供給的缺乏，這將直接影響細(xì)胞的正常新陳代謝，嚴(yán)重的還會(huì)威脅人的生命，所以動(dòng)脈血氧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在臨床救護(hù)中非常重要。一般情況下人體的血氧飽和度是正常的（動(dòng)脈約98%，靜脈約75%），人體手術(shù)后需要檢測(cè)血氧飽和度，例如在急性心肌梗死患者恢復(fù)期測(cè)定混合靜脈血氧飽和度可以有效判斷左室收縮功能，對(duì)急性心肌梗死患者左室功能的恢復(fù)有明顯的預(yù)測(cè)作用。在腹部手術(shù)后利用血氧飽和度對(duì)于低氧血癥監(jiān)測(cè)。由

5、于脈搏血氧飽和度儀發(fā)現(xiàn)的低血氧飽和度早于臨床表現(xiàn)，且利用血氧飽和度監(jiān)測(cè)比較直觀，方便，無(wú)需反復(fù)抽血?？梢葬槍?duì)性的加強(qiáng)術(shù)后低氧血癥的預(yù)防及護(hù)理。3.測(cè)量原理：氧合血紅蛋白和去氧合血紅蛋白對(duì)不同波長(zhǎng)入射光有著不同的吸收率，而皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等其他組織對(duì)光的吸收是恒定不變的。當(dāng)用兩種特定波長(zhǎng)的光線照射組織時(shí)，運(yùn)用Lambert-Bear 定律并根據(jù)血氧飽和度的定義可推出動(dòng)脈血氧飽和度的近似公式為：，式中：Q為兩種波長(zhǎng)光線吸收率之比，A、B 為常數(shù)，與儀器傳感器結(jié)構(gòu)、測(cè)量條件有關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)樯锝M織是一個(gè)各向異性、強(qiáng)散射、弱吸收的復(fù)雜光學(xué)介質(zhì)，無(wú)法單純以一個(gè)簡(jiǎn)單公式直接獲取血氧飽和度，一般

6、是通過(guò)測(cè)量雙光束吸收率之比Q，然后通過(guò)經(jīng)驗(yàn)吸收比/ 定標(biāo)曲線最終獲取氧飽和度，而在選擇雙光束波長(zhǎng)時(shí)，一般選擇入射光波長(zhǎng)為660nm紅光 和905nm紅外光。而我們本次實(shí)驗(yàn)的目的就是測(cè)出Q值，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。二、 設(shè)計(jì)方案1. 測(cè)量信號(hào)特征：v 人體信息本身具有不穩(wěn)定性、非線性和概率特性。脈搏波的頻率屬于低頻，且信息微弱，噪聲強(qiáng)，因而信噪比低。v 脈搏波頻率范圍是0.13Hz，主要頻率分量一般在2Hz內(nèi)。2. 可能存在的信號(hào)干擾：環(huán)境光對(duì)脈搏傳感器測(cè)量的影響測(cè)量過(guò)程人體運(yùn)動(dòng)的噪聲人體其他信號(hào)的干擾檢測(cè)電路的噪聲50Hz工頻干擾3. 硬件調(diào)試：首次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，了解了血氧探頭和前置放大的工作原理

7、：探頭驅(qū)動(dòng)發(fā)光電路光電檢測(cè)電路當(dāng)為高電平時(shí)，為低電平，紅光發(fā)光二極管亮；當(dāng)高電平時(shí)，為低電平，紅外發(fā)光二極管亮。血氧傳感探頭是將光信號(hào)通過(guò)硅光管轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。但是，電流信號(hào)處理起來(lái)不方便，所以需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理?？梢圆捎梅聪喾糯箅娐穪?lái)完成電流電壓轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)：課題一（血氧探頭）4. 電路要求：基本任務(wù)：設(shè)計(jì)完成單路光交、直流檢測(cè)電路，并能在示波器上顯示相應(yīng)波形，根據(jù)所得波形計(jì)算出Q值。提高任務(wù)：在完成基本任務(wù)基礎(chǔ)上 設(shè)計(jì)控制電路用以控制血氧探頭以一定的頻率輪流輸出紅光、紅外光兩路光信號(hào)； 設(shè)計(jì)信號(hào)分離電路，將經(jīng)過(guò)光電檢測(cè)電路所檢測(cè)出的含有紅光、紅外光混哈

8、信號(hào)分離出來(lái)； 結(jié)合基本任務(wù)完成血氧飽和度檢測(cè)電路。5. 設(shè)計(jì)思路:總體思路從前置放大中獲取信號(hào)后首先經(jīng)過(guò)低通濾波除去高頻噪音，之后再經(jīng)過(guò)50Hz工頻陷波和高通濾波獲得交流信號(hào)，另一方面，用大電容取得直流信號(hào)?？刂齐娐樊a(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，完成提高要求。主要電路:獲得交流信號(hào)?？刂齐娐?.16進(jìn)制計(jì)數(shù)器：獲得低頻掃描信號(hào) 2.非門(mén)：獲得同步反相信號(hào) 3.模擬開(kāi)關(guān)：分離電路 三、分級(jí)電路及仿真1、 血氧探頭發(fā)光驅(qū)動(dòng)、前置放大電路：見(jiàn)“硬件調(diào)試”。2、 低通濾波電路低通濾波電路作用：過(guò)濾輸入信號(hào)中高頻噪音。頻率上限20Hz。波特圖：仿真圖：輸入信號(hào)：50Hz0.5V交流，2V直流偏移量。輸出：2V直流3、

9、 直流分離電路最初設(shè)計(jì)：有源作用：使示波器獲得直流信號(hào).仿真圖：輸入：500mV50Hz交流，2V直流偏移量，輸出2V直流實(shí)際電路使用無(wú)源設(shè)計(jì)，效果明顯。4、50HZ工頻陷波電路最初設(shè)計(jì):50Hz雙運(yùn)放有源濾波,實(shí)際效果不明顯,原因:由于電阻電容等器件實(shí)際誤差,造成中心頻率不為50Hz,因此陷波電路效果不明顯。改進(jìn)：無(wú)源50HZ工頻陷波電路。作用：消除50Hz工頻信號(hào)對(duì)脈搏交流信號(hào)干擾。仿真波特圖：5、交流分離作用：過(guò)濾信號(hào)中直流分量，獲得交流信號(hào)。頻率下限：0.1Hz仿真圖：輸入50mV3Hz交流，2V直流偏移。輸出：50mV3Hz交流波特圖：四、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程：交流信號(hào)與直流

10、信號(hào)均比較穩(wěn)定開(kāi)始出現(xiàn)周期性變化，此時(shí)讀數(shù)誤差較大紅光紅外光交直流電壓數(shù)據(jù)表組一，二為不加入控制信號(hào)的情況。組三，四為加入控制信號(hào)的情況。可以得出以下結(jié)論：1. 檢測(cè)過(guò)程中信號(hào)波動(dòng)較大，可重復(fù)性不好。但是在測(cè)量一次的時(shí)間內(nèi)比較穩(wěn)定。2. 檢測(cè)不同的人的Q值差異很大，在不同時(shí)間檢測(cè)同樣的人也可能有較大的變化。3. 加入控制電路對(duì)原電路有干擾，使其不穩(wěn)定，影響精確度。4. 正常狀態(tài)測(cè)量Q值約0.650.75.5. 長(zhǎng)期處于室內(nèi)，測(cè)得Q值會(huì)比正常值偏低。五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)在本次實(shí)驗(yàn)中，我們努力解決了以前所沒(méi)有遇到的各種問(wèn)題，同時(shí)也收獲了一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：1. 在實(shí)驗(yàn)前設(shè)計(jì)好電路并仿真能夠事半功倍，但是也不能輕信仿真結(jié)果。電阻電容等真實(shí)誤差也會(huì)影響很大。2. 電路調(diào)試要一級(jí)一級(jí)來(lái)，確保每一級(jí)穩(wěn)定才能向前。3. 放下問(wèn)題的思路要開(kāi)闊，儀器也可能出問(wèn)題。4. 在控制電路處理時(shí)放下非門(mén)輸出的高電平約3.7V，低于5V，會(huì)使紅光與紅外光強(qiáng)度不同，改變Q值，因此將兩個(gè)輸出都改為3.7V。5.