無創(chuàng)血氧飽和度檢測儀的設(shè)計

1、無創(chuàng)血氧飽和度檢測儀的設(shè)計時間:2012年03月03日字體：大中小關(guān)鍵詞：檢測儀增益自動調(diào)節(jié) C8051F0200引言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)組織細胞的能量轉(zhuǎn)換都是在氧的參與下完成的。所以，實時監(jiān)護人體組織中氧的代謝及運輸過程，可以間接獲得細胞的代謝狀態(tài)，在生命科學(xué)的研究領(lǐng)域有重要的意義。要了解人體組織中氧的代謝及運輸過程，即掌握動脈血管內(nèi)的血氧運輸代謝情況，人們通常采用兩種有效實用的方法。第一種方法：直接采集人體動脈血樣進行血氣分析。它包括血液的pH, P02 PC02的測定值，還包括經(jīng)計算求出的血氧飽和度等參數(shù)，但這種方法是有創(chuàng)測量，且對血液標(biāo)本采集有一

2、些限制要求，不能作為實時監(jiān)護的方法。第二種方法：利用無創(chuàng)血氧測量技術(shù)來檢測動脈血氧飽和度。它是利用近紅外光在組織中血紅蛋白氧合狀態(tài)不同時具有獨特的光吸收譜特征來檢測組織血氧飽和度。傳統(tǒng)的無創(chuàng)血氧儀器通過光電檢測傳感器采集透射過血液組織中脈動光強信號，經(jīng)過固定增益放大和濾波后送入單片機進行數(shù)據(jù)處理得出血氧飽和度值。本文設(shè)計了基于C8051F020單片機配合可控數(shù)字電位器實現(xiàn) 增益自動調(diào)節(jié) 的無創(chuàng)血氧飽和度測試儀， 解決了個體差異對 血氧信號的影響，有效地提高了血氧飽和度的精度。1檢測原理無創(chuàng)血氧飽和度的檢測原理是根據(jù)Beer-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

3、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：I + X嚴(yán)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(I0 / l)=ECD (2)假如均勻組織為血管，當(dāng)動脈血脈動時，D將有一個厶D的改變，此時透射光I也將有一個 I的改變，此時吸光度 A的改變 A為: A= InI /(I- l)=EC % D (3)根據(jù)醫(yī)學(xué)定義，由于含氧血紅蛋白和還原血紅蛋白處于同一血液溶

4、液中, 為濃度之比，這樣血氧飽和度為：他們的含量之比即- pibbn + fHbct + cs 現(xiàn)定義AW如下】iW = In=叫1 -字尸亠5>式中： W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(dāng)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：E土 麗 一沁備匚TR電一 答-(總丘“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,將上式寫為如下形式，并展開成二階泰勒級數(shù)為：Ei是確定的常量。SP(=A + Br + Car1只要測量出色光光電信號的交直流成份之比厶 W / W與標(biāo)準(zhǔn)血氧計測量的血氧飽和度， 利用最小二乘法二次曲線擬

5、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。2系統(tǒng)硬件設(shè)計根據(jù)血氧飽和度的測量原理， 基于C8051F020單片機的血氧飽和度測量儀的組成結(jié)構(gòu)參見圖 1。該系統(tǒng)的基本工作過程是由單片機產(chǎn)生的時序控制信號，交替驅(qū)動兩個光二極管分時照 射手指，將光電接收器輸出的信號通過放大濾波處理后送入單片機進行數(shù)據(jù)處理并計算出血 氧飽和度。圖1 血lUfc和度測童儀系疑框圖%EDI、？ Photo Sen<S詁巴!、<ILL>圖2探頭電路2. 1探頭電路無創(chuàng)血氧飽和度的探頭是由兩個不同波長（紅光、紅外光）的發(fā)光二極管、一個光電接收器組成。探頭部分的電路如圖 2所示。C8051F

6、020單片機產(chǎn)生時序控制信號，交替驅(qū)動紅光和紅 外光二極管作為測量信號。由于紅光和紅外光是分時驅(qū)動的，所以測量信號可以共用同一信號通道進行放大和濾波，而不會相互產(chǎn)生干擾， 避免了雙通道傳輸中由于通道特性不相同而引起的誤差。2. 2 I /V轉(zhuǎn)換電路I/V轉(zhuǎn)換電路的作用是將光電接收器接收的光電流信號轉(zhuǎn)換成與透射光強成正比的電壓信 號，由于實際檢測的光電流很小，反饋電阻大小取20辰，同時兩端并聯(lián)一個小電容形成積分電路，可以進一步減小輸入電流噪聲。實際電路如圖3所示。另外由于光電流很小，容易受外界干擾，所使用的運算 放大器必須具有高輸入電阻、低的偏執(zhí)電流和低的電壓噪聲， ADI公司出品的AD795能

7、滿足上述要求，實現(xiàn)電流到電壓的精確轉(zhuǎn)換。2. 3濾波電路由AD795送出的血氧信號通常帶有不同程度的高頻干擾，需要進行低通濾波進一步濾出檢測過程中產(chǎn)生的高頻噪聲?？紤]到使用二階濾波電路結(jié)構(gòu)簡單，并且具有良好的頻率特性，因此采用了巴特沃斯低通濾波器進行低通濾波，該濾波電路的截止頻率為23 Hz。其電路如圖4所示。信號通過該濾波器后，能有效地提高信噪比，抑制噪聲。2. 4自動增益電路信號經(jīng)過濾波以后， 進入自動增益環(huán)節(jié)。自動增益電路由同向比例放大電路構(gòu)成，其電路如圖5所示，與固定增益放大不同的是：在運放的反向端和輸入端跨接的不是普通電阻，而是通過總線控制的數(shù)字電位器X9241，每片X9241內(nèi)置四

8、個電位器，每個電位器由 64個電阻串聯(lián)而成，通過數(shù)字接口控制電阻觸點的開關(guān)實現(xiàn)滑動端的滑動，從而改變了反饋電阻的阻值，實現(xiàn)了反饋電阻 64級可調(diào)。該環(huán)節(jié)克服了個體差異造成的血氧信號只通過固定放大倍 數(shù)后影響了測量精度的缺點，實現(xiàn)了了增益自動調(diào)節(jié)的目的。3系統(tǒng)軟件設(shè)計血氧檢測模塊軟件包括 A/D采樣和數(shù)據(jù)濾波、自動增益調(diào)節(jié)、血氧飽和度計算，其流程圖 如圖6所示。定時器每隔10 ms產(chǎn)生一次中斷控制發(fā)光二極管分時發(fā)光，然后對光信號進行A/ D采樣和數(shù)據(jù)處理，只要能測量出光電信號的交直流成份之比，就能計算出血氧飽和度。4實驗結(jié)果為了檢驗所設(shè)計的無創(chuàng)血氧飽和度有效性，用該儀器與國際著名的BCI脈搏血氧監(jiān)護儀對20名實驗人群進行了血氧飽和度的對比檢測，圖7給出線性擬合曲線。這一對比實驗結(jié)果表明：血氧值在94%99%的范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)為0 989 5,說明兩者測試結(jié)果基本相同，本檢測儀器能夠準(zhǔn)確反映血氧飽和度結(jié)果。對比實繪too1U+1.557 8勺 &355%979899100樣機|B_? BCI劃本樣機苞）嚴(yán)哂疾 心I5結(jié)論血氧飽和度是一項非常重要的生命體征指標(biāo)，在臨床監(jiān)護和搶救危重病人時具有重要參考作用。本文研制的血氧飽和