反射式血氧飽和度測量系統(tǒng)的設(shè)計

反射式血氧飽和度測量系統(tǒng)的設(shè)計

0反射式血氧飽和度測量系統(tǒng)研制血氧飽和度是衡量人體血液攜氧能力的重要生理參數(shù)之一。血氧飽和度的檢測可以為醫(yī)生的臨床診斷提供一定的依據(jù)。目前透射式血氧飽和度測試方法己成為較成熟的醫(yī)療監(jiān)護手段,但由于透射式血氧探頭使用范圍的限制,在體表部位(如前額、胸部等)不能使用透射式血氧探頭傳感器進行血氧飽和度檢測,因此,筆者研制了基于光電傳感技術(shù)、單片機技術(shù)、電子技術(shù)的反射式血氧飽和度測量系統(tǒng),實現(xiàn)了無創(chuàng)、經(jīng)濟、準(zhǔn)確、可靠的血氧飽和度值,彌補了透射式血氧飽和度測量儀存在攜帶不便的不足。1系統(tǒng)全球設(shè)計1.1和度及和度分析血氧飽和度一般是指血液中(血紅蛋白)實際結(jié)合的氧氣(氧含量)占血液中(血紅蛋白)所能結(jié)合氧氣的最大量(氧容量)的百分比。因此,血氧飽和度可表示為DSaΟ2=CΗbΟ2/(CΗbΟ2+CΗb)(1)其中CHbO2和CHb分別表示組織中氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度,DSaO2表示血氧飽和度值。無創(chuàng)脈搏血氧的檢測以朗伯比爾定律和光電學(xué)容積脈搏波描記法為理論基礎(chǔ)。由擴散傳輸理論可知,用反射方式所接收到的反射光強和透射式的透射光強的變化率是相同的,考慮到反射深度和血紅蛋白的吸光率,所以選擇660nm和940nm兩個波長的光。1.2hba和hbo2檢測以透射式的測量方法為例,根據(jù)朗伯比爾定律可得,一定波長的光射到體表時,其透射后的光強度為Ι(DC+AC)=Ι0e-ε0C0D1e-εΗbΟ2CΗbΟ2(D1+D2)e-εΗbCΗb(D1+D2)=Ι0e-ε0C0D1e-(εΗbΟ2CΗbΟ2+εΗbCΗb)(D1+D2)(2)其中I0為初始光強度,D1,D2分別表示恒定光程和脈動光程;ε0,C0分別表示指端組織中非脈動成分和靜脈血總的吸光系數(shù)和吸收光的物質(zhì)的濃度;εHbO2,CHbO2分別表示動脈血液中HbO2的吸光系數(shù)和濃度;εHb,CHb分別表示動脈血液中Hb的吸光系數(shù)和濃度。若選用兩種不同波長的光進行照射,則脈動吸光率分別表示為Aλ1=-ln(Ιλ1(DC+AC)/Ιλ1DC)=(ελ1ΗbΟ2Cλ1ΗbΟ2+ελ1ΗbCλ1Ηb)D2(3)Aλ2=-ln(Ιλ2(DC+AC)/Ιλ2DC)=(ελ2ΗbΟ2Cλ2ΗbΟ2+ελ2ΗbCλ2Ηb)D2(4)吸光率變化的比值為Q=Aλ1Aλ2=-ln(Ιλ1(DC+AC)/Ιλ1DC)-ln(Ιλ2(DC+AC)/Ιλ2DC)=ελ1ΗbΟ2Cλ1ΗbΟ2+ελ1ΗbCλ1Ηbελ2ΗbΟ2Cλ2ΗbΟ2+ελ2ΗbCλ2Ηb(5)將式(5)與血氧飽和度的定義式相聯(lián)立,得到利用脈搏血氧儀所測得的血氧飽和度值DSpΟ2=ελ2ΗbQ-ελ1Ηb(ελ2Ηb-ελ2ΗbΟ2)Q-(ελ1Ηb-ελ1ΗbΟ2)(6)根據(jù)血液中Hb、HbO2在紅光紅外光譜區(qū)獨特的吸收特性選擇兩種波長光,可將式(6)進一步化簡。實驗表明,在波長800～950nm之間,Hb、HbO2兩者的吸光系數(shù)差異很小,含氧血紅蛋白的吸光度近似等于脫氧血紅蛋白的吸光度。在實際的應(yīng)用中,由于光電器件的差異和測試人個體之間的差異,血氧飽和度的計算公式常用線性函數(shù)和二次函數(shù)的關(guān)系表示為DSpΟ2=aQ+bDSpΟ2=aQ2+bQ+c(7)其中a、b、c為常數(shù),可通過比對試驗進行標(biāo)定。1.3a/d轉(zhuǎn)換電路根據(jù)血氧飽和度測量原理,設(shè)計的系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。在系統(tǒng)工作過程中,首先由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動光源的方波脈沖,再由接收器接收并放大經(jīng)過照射人體反射后的紅光和紅外光,經(jīng)信號分離電路把紅光和紅外光復(fù)合信號分為單獨的兩路信號,每路都設(shè)有低通濾波和高通濾波電路,進而提取其中的直流部分和交流部分,再經(jīng)過STC12C5A60S2單片機把數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換并計算最終的血氧飽和度值,顯示在1602液晶屏上。2系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1控制信號波形調(diào)制光脈沖由方波發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動時序,首先由32.768kHz的晶振Y1和MC14060作為方波發(fā)生器產(chǎn)生256Hz和512Hz的方波,再利用與門和非門分別產(chǎn)生Red(紅光控制信號),IRed(紅外光控制信號),ˉRed(紅光截止控制信號),ˉΙRed(紅外光截止控制信號)4種控制信號,不但在光發(fā)射時會用到,在信號分離時也會用到。這樣便達(dá)到了在T1時間內(nèi)發(fā)射紅光\,T3時間內(nèi)發(fā)射紅外光\,T2和T4時間內(nèi)不發(fā)光的目的,控制信號波形如圖2所示。接收到的信號是交替的方波,選擇低功耗高精度儀用放大器AD620,它只要外接一個電阻便可實現(xiàn)1～1000增益的選擇,使用十分方便,放大倍數(shù)G=49.4kΩR10+1=49.4kΩ5.1kΩ+1≈10.72.2信號源設(shè)計前置放大器輸出的是復(fù)合信號,紅光和紅外光混合在一起,為下一步計算,需將其分成紅光通道和紅外光通道。電路如圖3所示。2.3低通濾波器人體脈搏信號的頻率集中在0.1～40Hz之間,為消除干擾信號,設(shè)計了一個二階壓控電壓源低通濾波器(見圖4)。令R1=R2=R=40Ω,C1=C2=C=0.1μF,AVF=A(0)=1+R4R3≈1,ωn=1RC=250,Q=13-AVF=0.5,濾波器的截止頻率為f=12πRC=40Hz。2.4通氣濾波器設(shè)計兩路信號經(jīng)過低通濾波器后得到伏特級別的直流信號。該兩路信號經(jīng)過高通濾波,濾除直流成分得到交流信號。設(shè)計的高通濾波器如圖5所示。令R8=2MΩ,R7=1MΩ,C4=C5=C=1μF,求得的截止頻率f=12π√R7R8C4C5=0.113Hz,經(jīng)過高通濾波以后即可得到脈搏波信號。2.5放大和升降電路高通濾波后得到的交流信號較弱,且交流成分中有負(fù)值存在,而A/D的采樣范圍是0～5V,所以,必須把整個交流信號的電平抬升,才能達(dá)到采樣范圍。放大和抬升電路如圖6所示。此外在交流和直流信號被送入A/D前還需經(jīng)過必要的保護和無源二階濾波電路(見圖7)。無源低通濾波器的截止頻率為f0=12πRC=12π×18×1=8.18Hz。2.6a/d轉(zhuǎn)換接口數(shù)據(jù)采集及處理電路選用STC12c5a60s2單片機作為核心芯片,內(nèi)部集成有10位ADC模塊,由P1口復(fù)用作A/D轉(zhuǎn)換接口,速度可達(dá)到250kHz,上電復(fù)位后P1口為普通的I/O接口,可通過軟件設(shè)置8路中的任意一路為A/D轉(zhuǎn)換不用的,但還可繼續(xù)作I/O口使用。在顯示方面由于只需要顯示計算的血氧飽和度值,所以選用1602液晶,單片機電路如圖8所示。3周期內(nèi)直流信號的提取根據(jù)數(shù)字信號處理中奈奎斯特定律,采樣頻率f1大于原信號中最高頻率的2倍,即f1>2f2,人體脈搏波的最高有效頻率為20Hz,采樣率為50Hz。為提高精度,選擇采樣率為300Hz,采樣點數(shù)為500。由于交流信號經(jīng)過電平提升,幅值的計算應(yīng)為最大值減最小值,對直流信號采取求平均值的方法,即對所采的500個點求算術(shù)平均值作為周期內(nèi)直流信號的有效值。假設(shè)兩路直流通道中增益分別為E和F,則實測電壓V1=vDC_redE和V2=vDC_ΙredF,在提取交流信號時,則提取經(jīng)高通濾波后一個周期內(nèi)信號的最大值和最小值,其峰值可作為兩通道的交流分量vAC。設(shè)兩路交流部分的增益分別為e和f,則實際電壓值V3=vAC_redEe和V4=vAC_ΙredFf,最后計算Q值得Q=(vAC_red/Ee)/(vDC_red/E)(vAC_Ιred/Ff)/(vDC_Ιred/F)=fevDC_ΙredvDC_redvAC_redvAC_Ιred(8)根據(jù)上面的理論和系統(tǒng)要求,設(shè)計的軟件流程如圖9所示。4放大后輸出波形紅光和紅外光信號經(jīng)過調(diào)制后在接收部分放大變成了二者的混合信號,圖10為AD620的6腳輸出信號;圖11為紅光經(jīng)過高通濾波后的波形;圖12為放大提升后輸出波形。紅外光信號的情況與此相同,只是放大的倍數(shù)與紅光不同。通過對幾名測試者和標(biāo)準(zhǔn)的血氧飽度測試儀(邁瑞iMP9800多功能監(jiān)護儀)進行測試和標(biāo)定,計算得出血氧飽和度如式(7)所示。即血氧飽和度值與Q的關(guān)系由a、b、c3個常數(shù)確定,經(jīng)過測試得到的數(shù)據(jù)如表1所