血氧飽和度信號采集功能

1、昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院學(xué)生實驗報告（20162017 學(xué)年第一學(xué)期）課程名稱：醫(yī)用傳感器開課實驗室：信自104實驗日期：2016-12-30年級、專 業(yè)、班生醫(yī)141學(xué)號201410407114201410407110姓 名趙麗莎 劉海星成 績實驗項 目名稱血氧飽和度信號采集功能指導(dǎo)教師楊嘉林教 師 評 語教師簽名：年 月日、實驗原理（一）實驗原理1、血氧測量原理氧是維系人類生命的基礎(chǔ)，心臟的收縮和舒張使得人體的血液脈動地流過肺 部，一定量的還原血紅蛋白（HbR）與肺部中攝取的氧氣結(jié)合成氧和血紅蛋白（HbO2）,另有約2%的氧溶解在血漿里。這些血液通過動脈一直輸送到毛細(xì)血管， 然后在

2、毛細(xì)血管中將氧釋放，以維持組織細(xì)胞的新陳代謝。血氧飽和度（SO2）是血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白（HbO2）的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白（Hb）容量 的百分比，即血液中血氧的濃度，它是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。而功能性氧飽 和度為HbO舔度與HbO2 Htft度之比，有別于氧合血紅蛋白所占百分?jǐn)?shù)。因此， 監(jiān)測動脈血氧飽和度（SaO2）可以對肺的氧合和血紅蛋白攜氧能力進(jìn)行估計。血氧飽和度是衡量人體血液攜帶氧的能力的重要參數(shù)。血氧飽和度的測量目前廣泛應(yīng)用有透射法（或反射法）、雙波長（紅光R 660nmffi紅外光IR: 940nm 光電檢測技術(shù)，檢測紅光和紅外光通過動脈血的光吸收引起的交變成分之比

3、IIR/IR和非脈動組織（表皮、肌肉、靜脈血等）引起光吸收的穩(wěn)定分量（直流） 值，通過計算可得到血氧飽和度值 SPO2這里采用透射法雙波長光電檢測技術(shù)。 由于光電信號的脈動規(guī)律與心臟搏動的規(guī)律一致，所以根據(jù)檢出信號的周期可同 時確定脈率，因而亦稱該方法為脈搏血氧飽和度測量。這種測量方法用指套式血 氧飽和度傳感器測量紅光（660nm和紅外光（940nm波長光強(qiáng)度經(jīng)過手指后的 變化，計算其中的脈動量與直流量后，查表可以計算出血氧飽和度值。2、光源切換實驗采用雙波長透射光電檢測方法來測量血氧飽和度，所以必須使無光、 660nm的紅光和940nm的紅外光交替產(chǎn)生并采集得到各不同光時段的信號，通過 減去

4、無光時光電信號可以去除環(huán)境光的影響，并得到紅光與紅外光去除環(huán)境光影 響后通過動脈血的光吸收引起的交變成分之比。這里各種光的交替切換通過對單 片機(jī)的PF0, PF1端口編程得到。3、電流電壓轉(zhuǎn)換血氧傳感器輸出信號為微弱電流信號，輸出電流在 1uA5E右，經(jīng)過I-V轉(zhuǎn)換電 路后為電壓信號。其中AD79我有很好的直流特性，它的輸入偏置電流只有 1pA, 是精準(zhǔn)的電流電壓轉(zhuǎn)換放大芯片，滿足電流放大要求。C1與R3聯(lián)，起低通濾波作用并防止振蕩；后接C6, R砒行高通濾波，濾除直流分量；再接二階低通濾波 以濾除雜波，此時660nnffi940nmi勺光信號已經(jīng)轉(zhuǎn)為濾波后的電壓信號。4、電壓放大經(jīng)過電流電壓

5、轉(zhuǎn)換和高通低通濾波后所得的電壓信號由AD620睬集并進(jìn)行放大。放大倍數(shù)為：G=49.4/2+1=25.75、調(diào)零及濾波因光電的直流分量較大，高通濾波截止頻率過低會影響正確信號的波形，這 里由加法電路的原理設(shè)計了調(diào)零電路來去除部分直流分量，并進(jìn)行低通濾波和放大來改善波形。6、電壓跟隨器的應(yīng)用經(jīng)過有源二階低通濾波后所得的信號可能不是很穩(wěn)定，在這里我們應(yīng)用了電壓跟隨器，它的作用是限制最大輸出電壓、加大電流輸出和減小輸出阻抗等。7、50HZT頻濾波本功能模塊電路的輸出信號同樣需要經(jīng)過 50HZ：頻濾波，電路的輸出信號送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送至單片微處理器進(jìn)行處理，最后送至LCtM 示。、實驗內(nèi)容

6、及步驟.功能板安裝。先關(guān)電，把血氧功能板通過上下兩個板間插件固定在主 電路板上；.血氧功能板固定在主板上后，此處電源線和信號輸出線都通過上下兩 個板間插件和主板連接在一起了，打開電源；.在不接傳感器的情況下，把示波器的探頭一端與 P6相連，另一端接 GND觀察示波器顯示的信號。如信號不在“0V時，通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)電位器RP1, 同時觀察示波器顯示的信號的變化，直至示波器的信號在“ 0V時，停止調(diào)節(jié) 電位器RP1之后，關(guān)電取下示波器的探頭；.以上二步完成后把血氧傳感器接到主板的輸入端 J15上，手指插入血 氧傳感器的指套中，開通電源。血氧傳感器所測的波形就可以在 LCD上顯示了；.可以用示波器依次測

7、試P1、P2、P3、P4 PS P6,根據(jù)所測的的情況 很容易得到各功能塊的作用；.在顯示界面上選擇“血氧信號采集”項，按“采樣”鍵，進(jìn)入血氧信 號顯示界面。.記錄血氧信號波形及數(shù)據(jù)。三、電路原理圖1、電流電壓轉(zhuǎn)換及濾波電路圖4-12、放大及調(diào)零電路VCCVLE圖4-23、濾波放大及跟隨電路圖4-34、電路分析1、電流電壓轉(zhuǎn)換及濾波電路在電流電壓轉(zhuǎn)換及濾波電路的第一個運算放大器AD795K畋t進(jìn)行了電流電 壓轉(zhuǎn)換，血氧傳感器輸出信號為微弱電流信號， 輸出電流在1uA左右，經(jīng)過I-V 轉(zhuǎn)換電路后為電壓信號。2、放大及調(diào)零電路在放大調(diào)零電路的運算放大器 AD620RE進(jìn)行電壓放大，經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換

8、 和高通低通濾波后所得的電壓信號由 AD620曲集并進(jìn)行放大。3、濾波放大及跟隨電路調(diào)零及濾波，因光電的直流分量較大，高通濾波截止頻率過低會影響正確信號的波形，這里由加法電路的原理設(shè)計了調(diào)零電路來去除部分直流分量，并進(jìn)行低通濾波和放大來改善波形。四、仿真結(jié)果（一）電流電壓轉(zhuǎn)換及濾波電路.信號波形圖圖4-4在AD795KNE進(jìn)行了電流電壓轉(zhuǎn)換，血氧傳感器輸出信號為微弱電流信號， 輸出電流在1uA左右，經(jīng)過I-V轉(zhuǎn)換電路后為電壓信號。輸出 250.0UV的電壓.幅頻特性曲線圖4-5C1與R2并聯(lián)，起低通濾波作用；后接 C4, R5進(jìn)行高通濾波，濾除直流分 量；再接二階低通濾波以濾除雜波，最后形成帶

9、通的幅頻特性曲線。（二）放大及調(diào)零電路1.信號波形圖圖4-6利用放大及調(diào)零電路中的滑動變阻器 R9調(diào)零，將R9的滑片置于中間位置， 可將電路進(jìn)行調(diào)零，輸出波形的起始點就從 0開始。輸出4.159mV的電壓。若將R9的滑片置于偏右的位置，輸出波形的起始點從大于0開始，輸出的電壓值大于調(diào)零時的電壓值，反之。2.幅頻特性曲線圖4-7圖4-8經(jīng)過濾波放大之后，輸出6.008mV的電壓。2.幅頻特性曲線圖4-9C17, C18產(chǎn)生二階低通濾波，進(jìn)行濾波之后最后形成低通的幅頻特性曲線。五、思考題1、預(yù)習(xí)血氧飽和度傳感器、Pclab-800嵌入式生物醫(yī)學(xué)電子實驗箱;2、計算42中AD620的放大倍數(shù)；放大倍

10、數(shù)為 G=49.4/2+1=25.73、計算圖4 3濾波電路的f2C12C15R13R51413.454HZ12 .10000 10 12 10000 10 12 11.26 103 11.26 103六、心得體會課程的最后兩周，我們進(jìn)行了實驗及測量。首先我們對 Pclab-800嵌入式生 物醫(yī)學(xué)電子實驗箱中的各模塊進(jìn)行了了解。 嵌入式生物醫(yī)學(xué)電子實驗箱為我們提 供了可充分地發(fā)揮思維的空間。知道了Pclab-800嵌入式生物醫(yī)學(xué)電子實驗箱可進(jìn)行脈搏信號采集模塊、呼吸信號采集模塊、溫度信號采集模塊、和心電信號 采集模塊、血氧信號采集模塊這六大部分功能。 同時對自己的各類生理指標(biāo)進(jìn)行 信號采集。然后我們選擇了血氧飽和度該模塊進(jìn)行深入探究。我們安裝了 Altium Designer軟件，進(jìn)行電路繪制并進(jìn)行仿真，其中遇到了 很多問題，如尋找對應(yīng)元器件并使之實現(xiàn)功能，信號的輸入輸出等。先解決小模塊功能，再合成總電，并運算仿真。實驗結(jié)束了，讓我們的感受頗為深刻。通過這次實習(xí)，我們知道了自己目前 所缺乏的東西，知道了自身存在的缺點， 同時也知道了自身以后的發(fā)展道路， 懂 得自己接下來應(yīng)該怎么做，應(yīng)該在哪方面下大工夫。同時懂得了應(yīng)該加大培養(yǎng)自 己的動手能力，畢