雙波長頻分式血氧飽和度信號檢測電路設(shè)計報告 08級生物醫(yī)學（二）班

1、.雙波長頻分式血氧飽和度信號檢測電路設(shè)計報告08級生物醫(yī)學（二）班李海波3008202330雙波長頻分式血氧飽和度信號檢測電路設(shè)計報告摘要：本設(shè)計報告針對雙波長頻分式血氧檢測系統(tǒng)展開，重點分析了雙波長頻分式的測量原理與方法關(guān)鍵詞： 脈搏波 雙波長 頻分 血氧飽和度一 離體血氧檢測原理1.1郎伯比爾定律這個定律揭示出了物質(zhì)對光吸收的物理規(guī)律:I=I0e-acl公式中I表示透射光的強度I0表示入射光的強度a為物質(zhì)的吸光系數(shù)，不同物質(zhì)對同一波長光的吸光系數(shù)不同，同種物質(zhì)對不同波長的光的吸收系數(shù)也不一樣。（血氧飽和度的檢測就是根據(jù)氧和血紅蛋白與非氧和血紅蛋白對同一波長的光吸光系數(shù)不同的原理來測量的）。

2、氧和血紅蛋白（HbO2）與非氧和血紅蛋白（HbR）的吸收曲線1.2理想情況下的血氧飽和度檢測（離體情況下的測量）如下圖所示假如在一個固定直徑的血管中只有兩種物質(zhì)吸光即氧和血紅蛋白與非氧和血紅蛋。我們用HbO2表示氧和血紅蛋白Hb表示總的血紅蛋c1表示氧和血紅蛋白的濃度， c2表示非氧和血紅蛋白的濃度，c表示總的血紅蛋白的濃度，a1表示氧和血紅蛋白在1處的吸光系數(shù)a2表示非氧和血紅蛋在1處的吸光系數(shù)1。根據(jù)血氧飽和度的定義： SaO2=c1c 1即氧和血紅蛋白與總的血紅蛋白濃度之比。在定義吸收度的物理量 即 A=-lnII0=acl=a1c1+a2c-c1l 2 則有SaO2=c1c= -lnI

3、I0a1-a2cl-a2a1-a2 3上式中a1 ，a2為波長在1處的吸光系數(shù)為一個常量，I0與 I可以通過光敏二極管測得，因此要想獲得血氧飽和度的值，必須知道兩個參數(shù)c：血紅蛋白的密度和l:光路長度顯然還必須得到其他條件。此時假如再用一個波長為2的光波重復以上過程就得到了另一個形如3式的公式 SaO2=c1c= -lnww0b1-b2cl-b2b1-b2 4聯(lián)立3式和4式得到一個一元（將cl看做一個量，并且3式與4式中的cl要不變即要求 1光與2光照射時脈搏不變后面必須考慮到這一點）二次方程可以解出SaO2如下 SaO2=a1Q-b2a2-a1Q-b1-b2 5式中Q為總的血紅蛋白對兩個波長

4、的吸光度之比即 Q=-lnww0-lnII0=A1A2 6A1為血紅蛋白對1波長的吸光度，A2為為血紅蛋白對2波長的吸光度5式說明SaO2 依賴于血紅蛋白對兩個不同波長吸光度的比值，這樣就消除了c與l的影響了。以上推導限于血管直徑l不變，并且只有血紅蛋白吸收光波，這兩點在實際測量中是不現(xiàn)實的。二：實際人體血氧飽和度測量2.1 人體脈搏波 與PPG原理實際在測量人體血氧飽和度的時候，人體的血管直徑是變化的，即受到脈搏波的影響。脈搏波是由于心臟的搏動而導致血管直徑變化從而使血管產(chǎn)生搏動的波，形象的稱為脈搏波（pulse wave）波形如下光電容積脈搏波掃描法（Photo Plethysmo Gra

5、phy）即PPG，是借助于光電手段來無創(chuàng)檢測血管容積變化的方法。我們知道正常生理情況下，毛細血管和靜脈血管時不搏動的，只有動脈搏動，如果我們用一定光強的一束光照射人的手指，那么皮膚，脂肪，肌肉，骨骼以及毛細血管，靜脈血管對光的吸收是恒定的，此外還要注意動脈血中的非脈動部分對光的吸收也是恒定的，只有動脈的脈動部分才是變化的，下面的圖可以幫助理解當吸收光最小時透射光最大，當吸收光最大時透射光最小光敏二極管接受到透射光產(chǎn)生電流，電流的大小與透射光強成正比。對于像皮膚，脂肪，肌肉，骨骼以及毛細血管，靜脈血管，動脈血管中的非脈動部分對光吸收恒定的表現(xiàn)在光敏二極管上電流也是恒定的即DC，對于動脈血中的脈動

6、部分則表現(xiàn)的是變化電流即AC。注意AC部分僅僅相當于DC部分的12%。這里介紹一種創(chuàng)新的計算理論：基于動態(tài)光（DS）譜理論計算血氧飽和度值。動態(tài)光譜即光電脈搏波周期上吸光度最大值與最小值構(gòu)成的光譜。如上所示設(shè)照射到動脈脈動部分的光強為I0，動脈擴張到最大時，透射光最弱為Imin，光吸收度為A1(對應(yīng)的光電電流為DC)，動脈收縮到最小時出射光最強為Imax，光吸收度為A2（對應(yīng)的光電電流為DC+AC），則動脈吸光度之差為：A= A1-A2=-lnIminI0-(-lnImaxI0) 7=lnImaxImin同時測量兩個波長的光吸收度之差A1與A2所以 Q=A1A2=lnImax1Imin1lnI

7、max2Imin2 8 將8式代入5式之中即可求的SaO2 而傳統(tǒng)的算法是直接將交直流分量代入計算A= lnAC+DCDC Q= Q=A1A2=lnAC1+DC1DC1lnAC2+DC2DC2 9比較8式與9式可以看出區(qū)別就在于8式中用Imin（最小光強）代替了直流分量DC（平均光強）。然而就是這個小小的區(qū)別使得精度相差了至少兩個數(shù)量級。這里由于條件的限制，我們不對血氧飽和度進行計算。三：系統(tǒng)的原理由以上分析可知要想得到血氧飽和度的值得知道Q值，要想得到Q值得知道 兩路信號的交直流分量的大小。即要向單片機分別輸入兩路信號的交直流分量。下面就討論如何得到這兩路交直流分量。3.1頻分與時

8、分我們知道要測得SaO2必須的得到不同波長的多路信號，對于多路信號我們不可能對于每個信號分別采用一路系統(tǒng)來處理，否則的話設(shè)備會非常的龐大，代價會很昂貴而且不穩(wěn)定因素會很多。我們這里采用的是雙波長頻分式即兩個不同波長660nm紅光和940nm紅外光，所以只用到了兩個不同頻率的載波560HZ和5560HZ。光敏二極管得到是兩路信號的疊加。然而血氧飽和度檢測可以采用四波長或者八波長甚至更多。在其他檢測中可能信號遠不止個位數(shù)。為了能使一個信道傳送多路信號我們可以采用多路復用技術(shù)。多路復用主要有兩種：頻率劃分法Frequency Divison Multiplex（簡稱頻分FDM），時間劃分Time D

9、ivision Multiplex（簡稱時分TDM）.FDM:頻分的核心思想是頻譜搬移。即將傳感器收集來的各路信號去調(diào)制（調(diào)制與解調(diào)稍后詳談）不同頻率的載波信號得到不同頻率的已調(diào)信號然后將這幾路信號疊加在一起通過一個信道傳送出去。如果是無線發(fā)射的話還要對這一路信號進行二次調(diào)制得到高頻或者極高頻的射頻信號以便通過無線發(fā)射出去。當然我們這里不需要二次調(diào)制。當信號經(jīng)過一路傳輸來到處理終端時我們需要分離得到各個信號，這里的過程就是前面調(diào)制的逆過程即解調(diào)。時分法的核心思想是分時采樣。前面我們說了頻分法，頻分中兩個頻率的時序如下圖所示顯然紅光和紅外光會同時發(fā)光，同時不發(fā)光，僅紅光發(fā)光，僅紅外光發(fā)光。而時分

10、中驅(qū)動紅光與紅外光的時序如下所示：顯然紅光與紅外光必須不同時發(fā)光即分時發(fā)光。對于每個時段只有一個燈發(fā)光。在信號的接受端有一個與紅光和紅外光發(fā)光時序相同的時序開關(guān)，可以在對應(yīng)時序中選通對應(yīng)的信號分別從兩路輸出，這樣就得到了兩路信號了。在電路實現(xiàn)上要采用集成塊雙向移位寄存器74LS194，分頻器74LS163和鎖存器74LS175。.時分解復用的電路原理就是先通過幀同步信號和位同步信號把各路信號數(shù)據(jù)分開,然后通過移位寄存器構(gòu)成的并/串轉(zhuǎn)換電路輸出串行的數(shù)據(jù)，各個信號就能分別互相分開，互不干擾并不失真地還原出原來的信號。這種信號分離的方法是從時間上分離的不同于上面從頻域上分離。分離之后的步驟和頻分式

11、的相同。3.2下面介紹一下信號的調(diào)制與解調(diào)調(diào)制即用調(diào)制信號（調(diào)制信號就是要傳送的信號也叫做基帶信號）去改變高頻載波信號的某些參數(shù)，使其具有調(diào)制信號的某些特征。假如改變的是載波的幅值即調(diào)幅Amplitude Modulation(AM).如果改變的是頻率則為Frequency Modulation（FM）。如果改變的是相位則是Phase Modulation(PM)。調(diào)制與解調(diào)是無線電發(fā)射的核心，但是在低頻中也不可小覷。它有如下四個作用：頻率變換：在無線傳送時將低頻段信號調(diào)制高頻段。頻率分配：保證各個電臺發(fā)出的信號互不干擾。實現(xiàn)多路復用：將信號互不干擾的安排在同一物理信道中傳輸即頻分復用。這也是

12、我們調(diào)制的目的。提高發(fā)射能力減小天線尺寸。在血氧檢測電路中我們采用560HZ與5560HZ的正弦波去驅(qū)動兩個二極管發(fā)光，即紅光與紅外光以560HZ與5560HZ的頻率閃爍，照射手指，這就相當于載波被脈搏波調(diào)制了。但是在一般情況下調(diào)制是通過乘法器實現(xiàn)的。這里有幾個小細節(jié)：一開始我們考慮發(fā)光二極管能不能以5560HZ的頻率去發(fā)光。實際上發(fā)光二極管的頻響是沒有問題的。發(fā)光二極管的頻響是由PN結(jié)中的少數(shù)載流子的壽命來決定的。不同的LED性能不一樣，一般來說頻響在100MHZ之內(nèi)是沒有問題的。現(xiàn)在我們用的光纖通訊實現(xiàn)的是1000M的帶寬，它所采用的電子壽命<1us。檢測透射光的光強時也要考慮中的問

13、題。光敏三極管的轉(zhuǎn)換速率（壓擺率）不及光敏二極管因此選用光電二極管，但是普通光敏二極管無法做到。選擇時要注意選擇性能好的光敏二極管為什么載波不用方波而用正弦波？首先方波可以看成基波（同頻率的正弦波）和三次諧波，五次諧波等等。從傅里葉變換也可以看出來:ft=4Asint+13sin3t+15sin5t如果我們用560HZ與5560HZ的方波作為載波被脈搏波調(diào)制那么得到的調(diào)制信號頻譜極有可能會重疊，這樣后面就無法分離出來了。退一步說即使頻譜沒有重疊但是間隔也會變小使得分離變得非常困難。560 1680 2800 3920 5040 6160 7280 8400 5560 如上圖所示，這樣的間隔對后

14、面的帶通濾波器的要求很高。不容易實現(xiàn)。下面討論一下解調(diào)的過程。解調(diào)即是從已調(diào)信號中恢復出解調(diào)信號。我們這里就是從振幅受260HZ的1360HZ載波調(diào)制的已調(diào)信號中恢復出調(diào)制信號。得到的信號與高頻信號（一般來說都是用低頻去調(diào)制高頻）的包絡(luò)變化規(guī)律一致。從頻譜上看調(diào)制就是將調(diào)幅信號由高頻搬到低頻。解調(diào)的方法有兩種：包絡(luò)檢波與相干檢波。相干檢波的核心器件也是一個乘法器。它的特點是用一個頻率和相位與載波相同的信號與已調(diào)信號相乘。這里限于條件不予采用。另一種就是我們采用的是包絡(luò)檢波。它的核心思想是利用電路充電時間很短，放電時間很長，從而在沖放電的過程中保持住包絡(luò)線，這樣就檢出了已調(diào)信號的包絡(luò)了。四：電路

15、系統(tǒng)的實現(xiàn)正弦波的產(chǎn)生 發(fā)光二極管的驅(qū)動 光敏二極管電流電壓轉(zhuǎn)換 帶通濾波器帶通濾波器解調(diào)濾波器解調(diào)二極管 交直流分離交直流分離 放大電壓變換放大二極管濾波大濾波ADC單片機計算SaO2下面具體討論一下各框圖的意義及具體電路的實現(xiàn)。正弦波的產(chǎn)生方案一：用定時器來產(chǎn)生560HZ和5560HZ的方波,然后用一個低通濾波器濾出基波分量，就得到了正弦波。555定時器電路圖如下： 560 5560但是555定時器穩(wěn)定性和精度都很差只適用于一般要求的電路。這里舍棄555方案。方案二：利用RC橋式震蕩電路如下圖所示這種電路穩(wěn)定性也不高。舍棄這種方案方案三：用單片機配合低通濾波器實現(xiàn)輸出正弦波。首先用單片機輸

16、出一個方波，然后再用一個低通濾波器，就得到了正弦波。（濾波器部分在最后）濾出來之后這樣的信號還不能驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光還得加個直流電平:發(fā)光二極管由于前面已經(jīng)正弦波上加了一個直流分量，這里驅(qū)動二極管就不用再加其他元件了，如果有必要的話可以加一個電阻，阻值視正弦波幅值而定。光敏二極管方案一：光敏二極管輸出電流與輸入光強呈線性，從而能夠測得光強大小。由于光敏二極管得到的是一個電流信號，這里我們采用一個運放來實現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換，同時進行放大如下圖所示：方案二：利用集成芯片。這里采用TI的OPT101。原理圖如下它采用+ 2.7V + 36V 供電。只有120µA靜止電流。性能優(yōu)越，這里采用芯片設(shè)計。帶通濾波器帶通濾波器這里起到的作用就是前面所說的信號分離的作用。這里對帶通濾波器的要求比較高，再設(shè)計時要注意參數(shù)的選擇。（濾波器部分在最后）。解調(diào)上面一步的帶通濾波器已經(jīng)將兩個260HZ和1360HZ的已調(diào)信號分離了，解調(diào)就是要從這個已調(diào)信號中恢復原信號。方案一：包絡(luò)檢波法。電路圖如下所示：方案二：正如前面所說的還有一種相干檢波法，它要求用一個與調(diào)制嚴格相同的時序與已調(diào)信號相乘再通過一個低通濾波器即是原信號。由于