雙波長(zhǎng)頻分式血氧飽和度信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)報(bào)告 08級(jí)生物醫(yī)學(xué)（二）班

1、.雙波長(zhǎng)頻分式血氧飽和度信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)報(bào)告08級(jí)生物醫(yī)學(xué)（二）班李海波3008202330雙波長(zhǎng)頻分式血氧飽和度信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)報(bào)告摘要：本設(shè)計(jì)報(bào)告針對(duì)雙波長(zhǎng)頻分式血氧檢測(cè)系統(tǒng)展開，重點(diǎn)分析了雙波長(zhǎng)頻分式的測(cè)量原理與方法關(guān)鍵詞： 脈搏波 雙波長(zhǎng) 頻分 血氧飽和度一 離體血氧檢測(cè)原理1.1郎伯比爾定律這個(gè)定律揭示出了物質(zhì)對(duì)光吸收的物理規(guī)律:I=I0e-acl公式中I表示透射光的強(qiáng)度I0表示入射光的強(qiáng)度a為物質(zhì)的吸光系數(shù)，不同物質(zhì)對(duì)同一波長(zhǎng)光的吸光系數(shù)不同，同種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收系數(shù)也不一樣。（血氧飽和度的檢測(cè)就是根據(jù)氧和血紅蛋白與非氧和血紅蛋白對(duì)同一波長(zhǎng)的光吸光系數(shù)不同的原理來(lái)測(cè)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(cè)（離體情況下的測(cè)量）如下圖所示假如在一個(gè)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(zhǎng)在1處的吸光系數(shù)為一個(gè)常量，I0與 I可以通過(guò)光敏二極管測(cè)得，因此要想獲得血氧飽和度的值，必須知道兩個(gè)參數(shù)c：血紅蛋白的密度和l:光路長(zhǎng)度顯然還必須得到其他條件。此時(shí)假如再用一個(gè)波長(zhǎng)為2的光波重復(fù)以上過(guò)程就得到了另一個(gè)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(gè)一元（將cl看做一個(gè)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(shí)脈搏不變后面必須考慮到這一點(diǎn)）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(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)

4、的吸光度之比即 Q=-lnww0-lnII0=A1A2 6A1為血紅蛋白對(duì)1波長(zhǎng)的吸光度，A2為為血紅蛋白對(duì)2波長(zhǎng)的吸光度5式說(shuō)明SaO2 依賴于血紅蛋白對(duì)兩個(gè)不同波長(zhǎng)吸光度的比值，這樣就消除了c與l的影響了。以上推導(dǎo)限于血管直徑l不變，并且只有血紅蛋白吸收光波，這兩點(diǎn)在實(shí)際測(cè)量中是不現(xiàn)實(shí)的。二：實(shí)際人體血氧飽和度測(cè)量2.1 人體脈搏波 與PPG原理實(shí)際在測(cè)量人體血氧飽和度的時(shí)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(dòng)而導(dǎo)致血管直徑變化從而使血管產(chǎn)生搏動(dòng)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(lái)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)血管容積變化的方法。我們知道正常生理情況下，毛細(xì)血管和靜脈血管時(shí)不搏動(dòng)的，只有動(dòng)脈搏動(dòng)，如果我們用一定光強(qiáng)的一束光照射人的手指，那么皮膚，脂肪，肌肉，骨骼以及毛細(xì)血管，靜脈血管對(duì)光的吸收是恒定的，此外還要注意動(dòng)脈血中的非脈動(dòng)部分對(duì)光的吸收也是恒定的，只有動(dòng)脈的脈動(dòng)部分才是變化的，下面的圖可以幫助理解當(dāng)吸收光最小時(shí)透射光最大，當(dāng)吸收光最大時(shí)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(qiáng)成正比。對(duì)于像皮膚，脂肪，肌肉，骨骼以及毛細(xì)血管，靜脈血管，動(dòng)脈血管中的非脈動(dòng)部分對(duì)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(duì)于動(dòng)脈血中的脈動(dòng)

6、部分則表現(xiàn)的是變化電流即AC。注意AC部分僅僅相當(dāng)于DC部分的12%。這里介紹一種創(chuàng)新的計(jì)算理論：基于動(dòng)態(tài)光（DS）譜理論計(jì)算血氧飽和度值。動(dòng)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(dòng)脈脈動(dòng)部分的光強(qiáng)為I0，動(dòng)脈擴(kuò)張到最大時(shí)，透射光最弱為Imin，光吸收度為A1(對(duì)應(yīng)的光電電流為DC)，動(dòng)脈收縮到最小時(shí)出射光最強(qiáng)為Imax，光吸收度為A2（對(duì)應(yīng)的光電電流為DC+AC），則動(dòng)脈吸光度之差為：A= A1-A2=-lnIminI0-(-lnImaxI0) 7=lnImaxImin同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)波長(zhǎng)的光吸收度之差A(yù)1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(jì)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(qiáng)）代替了直流分量DC（平均光強(qiáng)）。然而就是這個(gè)小小的區(qū)別使得精度相差了至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這里由于條件的限制，我們不對(duì)血氧飽和度進(jìn)行計(jì)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(hào)的交直流分量的大小。即要向單片機(jī)分別輸入兩路信號(hào)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(shí)

8、分我們知道要測(cè)得SaO2必須的得到不同波長(zhǎng)的多路信號(hào)，對(duì)于多路信號(hào)我們不可能對(duì)于每個(gè)信號(hào)分別采用一路系統(tǒng)來(lái)處理，否則的話設(shè)備會(huì)非常的龐大，代價(jià)會(huì)很昂貴而且不穩(wěn)定因素會(huì)很多。我們這里采用的是雙波長(zhǎng)頻分式即兩個(gè)不同波長(zhǎng)660nm紅光和940nm紅外光，所以只用到了兩個(gè)不同頻率的載波560HZ和5560HZ。光敏二極管得到是兩路信號(hào)的疊加。然而血氧飽和度檢測(cè)可以采用四波長(zhǎng)或者八波長(zhǎng)甚至更多。在其他檢測(cè)中可能信號(hào)遠(yuǎn)不止個(gè)位數(shù)。為了能使一個(gè)信道傳送多路信號(hào)我們可以采用多路復(fù)用技術(shù)。多路復(fù)用主要有兩種：頻率劃分法Frequency Divison Multiplex（簡(jiǎn)稱頻分FDM），時(shí)間劃分Time D

9、ivision Multiplex（簡(jiǎn)稱時(shí)分TDM）.FDM:頻分的核心思想是頻譜搬移。即將傳感器收集來(lái)的各路信號(hào)去調(diào)制（調(diào)制與解調(diào)稍后詳談）不同頻率的載波信號(hào)得到不同頻率的已調(diào)信號(hào)然后將這幾路信號(hào)疊加在一起通過(guò)一個(gè)信道傳送出去。如果是無(wú)線發(fā)射的話還要對(duì)這一路信號(hào)進(jìn)行二次調(diào)制得到高頻或者極高頻的射頻信號(hào)以便通過(guò)無(wú)線發(fā)射出去。當(dāng)然我們這里不需要二次調(diào)制。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)一路傳輸來(lái)到處理終端時(shí)我們需要分離得到各個(gè)信號(hào)，這里的過(guò)程就是前面調(diào)制的逆過(guò)程即解調(diào)。時(shí)分法的核心思想是分時(shí)采樣。前面我們說(shuō)了頻分法，頻分中兩個(gè)頻率的時(shí)序如下圖所示顯然紅光和紅外光會(huì)同時(shí)發(fā)光，同時(shí)不發(fā)光，僅紅光發(fā)光，僅紅外光發(fā)光。而時(shí)分

10、中驅(qū)動(dòng)紅光與紅外光的時(shí)序如下所示：顯然紅光與紅外光必須不同時(shí)發(fā)光即分時(shí)發(fā)光。對(duì)于每個(gè)時(shí)段只有一個(gè)燈發(fā)光。在信號(hào)的接受端有一個(gè)與紅光和紅外光發(fā)光時(shí)序相同的時(shí)序開關(guān)，可以在對(duì)應(yīng)時(shí)序中選通對(duì)應(yīng)的信號(hào)分別從兩路輸出，這樣就得到了兩路信號(hào)了。在電路實(shí)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(shí)分解復(fù)用的電路原理就是先通過(guò)幀同步信號(hào)和位同步信號(hào)把各路信號(hào)數(shù)據(jù)分開,然后通過(guò)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(gè)信號(hào)就能分別互相分開，互不干擾并不失真地還原出原來(lái)的信號(hào)。這種信號(hào)分離的方法是從時(shí)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(hào)的調(diào)制與解調(diào)調(diào)制即用調(diào)制信號(hào)（調(diào)制信號(hào)就是要傳送的信號(hào)也叫做基帶信號(hào)）去改變高頻載波信號(hào)的某些參數(shù)，使其具有調(diào)制信號(hào)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(wú)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(gè)作用：頻率變換：在無(wú)線傳送時(shí)將低頻段信號(hào)調(diào)制高頻段。頻率分配：保證各個(gè)電臺(tái)發(fā)出的信號(hào)互不干擾。實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用：將信號(hào)互不干擾的安排在同一物理信道中傳輸即頻分復(fù)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(cè)電路中我們采用560HZ與5560HZ的正弦波去驅(qū)動(dòng)兩個(gè)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(dāng)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(guò)乘法器實(shí)現(xiàn)的。這里有幾個(gè)小細(xì)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(shí)際上發(fā)光二極管的頻響是沒有問(wèn)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(lái)決定的。不同的LED性能不一樣，一般來(lái)說(shuō)頻響在100MHZ之內(nèi)是沒有問(wèn)題的?，F(xiàn)在我們用的光纖通訊實(shí)現(xiàn)的是1000M的帶寬，它所采用的電子壽命<1us。檢測(cè)透射光的光強(qiáng)時(shí)也要考慮中的問(wèn)

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(wú)法做到。選擇時(shí)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(lái):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(hào)頻譜極有可能會(huì)重疊，這樣后面就無(wú)法分離出來(lái)了。退一步說(shuō)即使頻譜沒有重疊但是間隔也會(huì)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(duì)后

14、面的帶通濾波器的要求很高。不容易實(shí)現(xiàn)。下面討論一下解調(diào)的過(guò)程。解調(diào)即是從已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)出解調(diào)信號(hào)。我們這里就是從振幅受260HZ的1360HZ載波調(diào)制的已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)。得到的信號(hào)與高頻信號(hào)（一般來(lái)說(shuō)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(hào)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(gè)乘法器。它的特點(diǎn)是用一個(gè)頻率和相位與載波相同的信號(hào)與已調(diào)信號(hào)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(shí)間很短，放電時(shí)間很長(zhǎng)，從而在沖放電的過(guò)程中保持住包絡(luò)線，這樣就檢出了已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)了。四：電路

15、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)正弦波的產(chǎn)生 發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng) 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(jī)計(jì)算SaO2下面具體討論一下各框圖的意義及具體電路的實(shí)現(xiàn)。正弦波的產(chǎn)生方案一：用定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生560HZ和5560HZ的方波,然后用一個(gè)低通濾波器濾出基波分量，就得到了正弦波。555定時(shí)器電路圖如下： 560 5560但是555定時(shí)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(jī)配合低通濾波器實(shí)現(xiàn)輸出正弦波。首先用單片機(jī)輸

16、出一個(gè)方波，然后再用一個(gè)低通濾波器，就得到了正弦波。（濾波器部分在最后）濾出來(lái)之后這樣的信號(hào)還不能驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光還得加個(gè)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(gè)直流分量，這里驅(qū)動(dòng)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(gè)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(qiáng)呈線性，從而能夠測(cè)得光強(qiáng)大小。由于光敏二極管得到的是一個(gè)電流信號(hào)，這里我們采用一個(gè)運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換，同時(shí)進(jìn)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(jì)。帶通濾波器帶通濾波器這里起到的作用就是前面所說(shuō)的信號(hào)分離的作用。這里對(duì)帶通濾波器的要求比較高，再設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)260HZ和1360HZ的已調(diào)信號(hào)分離了，解調(diào)就是要從這個(gè)已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)原信號(hào)。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(shuō)的還有一種相干檢波法，它要求用一個(gè)與調(diào)制嚴(yán)格相同的時(shí)序與已調(diào)信號(hào)相乘再通過(guò)一個(gè)低通濾波器即是原信號(hào)。由于