手指脈搏血氧飽和度光電檢測裝置的研制

錢建秋, 忻尚芝, 侯 文

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)

1 血氧飽和度定義

血氧飽和度是人體新陳代謝的重要體征指標(biāo)之一,也是人體呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)疾病診斷的重要生理參數(shù),很多疾病的臨床表現(xiàn)都會引起人體相關(guān)組織和器官中的血氧飽和度變化,從而導(dǎo)致缺氧,甚至危及生命[1-4].所以,安全有效地檢測血氧飽和度非常重要.目前,血氧飽和度檢測多采用測量脈搏血氧飽和度SpO2是指動脈脈搏血液中已與氧結(jié)合的氧合血紅蛋白HbO2(Oxyhemoglobin)的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白(氧合血紅蛋白+還原血紅蛋白Hb(Hemoglobin))容量的百分率.

式中,CHbO2,CHb為脈搏血液中HbO2和Hb的容量.

本裝置采用非損傷的光電體積描記技術(shù)(PPG)測量SpO2,因?yàn)椴恍枰裳?可避免感染,所以是一種安全可靠的檢測方法,并且檢測結(jié)果能及時得到,還能實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測[5].

2 血氧飽和度檢測原理

人體血液中的氧合血紅蛋白HbO2和沒被氧合的還原血紅蛋白對于不同波長光的吸收系數(shù)是不同的.在波長600～700 nm的紅光R(red)范圍內(nèi),Hb的吸收系數(shù)比HbO2的大,而在波長800～1 000 nm的紅外光IR(infra red)范圍內(nèi),Hb的吸收系數(shù)比HbO2的小,在805 nm處兩者相同,如圖 1所示[6],k為吸光系數(shù),λ為波長.由圖1可見,在紅光660 nm和紅外光940 nm處吸收系數(shù)差異較大,目前,均采用該波長附近的紅光和紅外光進(jìn)行雙譜定量分析檢測.并且在紅光660 nm和紅外光940 nm附近,Hb和HbO2的吸收系數(shù)變化曲線都比較平坦,受二極管發(fā)光波長誤差的影響也較小,所以,本裝置采用R 660 nm和IR 940 nm兩種光源進(jìn)行血氧飽和度的檢測.

圖1 還原血紅蛋白(Hb)和氧合血紅蛋白(HbO2)光吸收系數(shù)曲線Fig.1 Absorption spectra of Hemoglobin(Hb) and Oxyhemoglobin(HbO2)

血氧飽和度檢測的理論依據(jù)是郎伯-比爾定律(Lambert-Beer Law),即一束單色光垂直穿過某均勻溶液時,透射光強(qiáng)I與入射光強(qiáng)I0之間的關(guān)系為

式中,k為溶液吸光系數(shù);C為溶液中吸光物質(zhì)的濃度;d為穿過溶液的光程.

當(dāng)溶液中吸光物質(zhì)的濃度發(fā)生變化(ΔC)時,透射光強(qiáng)也將相應(yīng)發(fā)生變化(ΔI),其相對變化量為

式中,ΔI對應(yīng)透射光強(qiáng)的交流分量,I近似對應(yīng)透射光強(qiáng)的直流分量.

對于HbO2和Hb的混合液

式中,C為HbO2和Hb的濃度和,即Hb的濃度為

分別用紅光R和紅外光IR作為光源,血氧飽和度分別為

由式(5)和式(6)消去C和d,得

因紅光和紅外光對氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的吸光系數(shù)是常數(shù),式(7)中所有的k均為定值,所以,血氧飽和度測量問題最終歸結(jié)為測量交流信號和直流信號并計(jì)算其比值的問題,即先分別測量R和IR兩種波長的脈動分量與直流分量,得到比值ΔIIR/IIR和ΔIR/IR,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,再求出紅外光IR與紅光R的相對透光強(qiáng)度的比值由式(7)可計(jì)算出脈搏血氧飽和度SpO2的值.

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)框圖如圖2所示,包括信號采集光電傳感器、信號控制與處理電路、通訊和輸出顯示電路.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of hardware setup

傳感器電路包括紅光和紅外光發(fā)射和接收電路、發(fā)光二極管LED驅(qū)動電路、電流電壓(I/V)轉(zhuǎn)換電路.交替發(fā)出的紅光或紅外光透過手指被光電二極管接收,經(jīng)I/V電路轉(zhuǎn)換為電壓信號v輸出到后繼信號處理電路.為提高信噪比,由單片機(jī)MCU通過數(shù)模轉(zhuǎn)換端口DAC0自動調(diào)節(jié)紅光或紅外發(fā)光二極管的發(fā)射光強(qiáng),使對應(yīng)的PIN光電二極管電流轉(zhuǎn)換的電壓信號v達(dá)到最大,而且不失真.由于動脈血的脈動作用,該電壓信號v是由較大的直流分量V和較小的交流分量Δ V組成的.對于直流分量V,單片機(jī)在數(shù)據(jù)處理時只需將v通過ADC(數(shù)模轉(zhuǎn)換)獲取的數(shù)據(jù)取平均值即可;對于交流分量ΔV,為保證精度,由單片機(jī)將v與通過數(shù)模轉(zhuǎn)換端口DAC1送出的直流分量V相減,將得到的交流分量ΔV經(jīng)適當(dāng)放大再送入ADC轉(zhuǎn)換,然后由單片機(jī)進(jìn)行有效值計(jì)算.

3.2 電路原理圖

電路原理圖如圖3所示,因系統(tǒng)信號處理和控制需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和信號放大器,且對速度和分辨率有一定的要求,對軟件處理的速度也有一定要求,所以,采用C8051F006單片機(jī)MCU作為系統(tǒng)控制、處理與傳輸?shù)暮诵?其內(nèi)核CIP-51在復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)CISC結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其大部分指令僅使用1～2個時鐘周期,大大加快了單片機(jī)的運(yùn)行速度,使其指令執(zhí)行速度峰值可達(dá)25 MIPS,并且其內(nèi)部集成了兩個12位高速D/A轉(zhuǎn)換器,一個9通道12位高速A/ D轉(zhuǎn)換器(100 ksps),一個可編程放大器(×16,×8, ×4,×2,×1,×0.5).模擬輸入端可配置為獨(dú)立的單端輸入,也可配置為差分輸入對.系統(tǒng)處理的結(jié)果可直接由液晶顯示器顯示,也可通過RS232串口輸出或送上位計(jì)算機(jī)PC進(jìn)行處理和實(shí)時監(jiān)測等.

圖3 電路原理圖Fig.3 Schematic illustration

發(fā)光二極管驅(qū)動電路由三極管T1、T2和T3等器件組成,其中,T1、T2組成兩電子開關(guān),在兩控制信號P1.6和P1.7作用下,控制兩發(fā)光二極管R LED和IR LED交替發(fā)光.T3、R5和 R6組成電壓電流(V/I)轉(zhuǎn)換,由DAC0輸出的電壓控制兩發(fā)光二極管R LED或IR LED輪流發(fā)光時的電流大小.

光電二極管及I/V轉(zhuǎn)換電路采用光電集成器件OPT101,它集成有光電二極管器件和I/V轉(zhuǎn)換電路,由于都集成在內(nèi)部,所以,光電器件與I/V轉(zhuǎn)換電路具有良好的匹配和信噪比.

3.3 單片機(jī)程序編制

主程序和定時器T3的溢出中斷處理程序流程圖如圖4所示(見下頁).

單片機(jī)內(nèi)部相關(guān)資源的配置為:模擬信號輸入端口AIN0配置為獨(dú)立的單端輸入,AIN2、AIN3配置為差分輸入對,可編程放大器PGA增益在單端輸入(AIN0)時配置為1,用于測總量v,可編程放大器PGA增益在差分輸入對(AIN2、AIN3)時配置為16,用于測交流分量Δ V;定時器T3的溢出時間定為2 ms,并使能溢出中斷,用于交替驅(qū)動兩發(fā)光二極管R LED和IR LED工作,控制輸出DAC0更新相應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)光功率,從AIN0或AIN2、AIN3讀取相應(yīng)模擬量值并由單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理.

3.4 程序運(yùn)行界面

在PC機(jī)上運(yùn)行程序的測量界面截屏如圖5所示(見下頁).圖5中上半部分界面顯示由R和IR兩種光源檢測到的在線血液脈搏波形,斷點(diǎn)處為掃描點(diǎn);下半部分界面顯示的是檢測過程中電路主要節(jié)點(diǎn)處信號模擬顯示條,分時驅(qū)動的紅光、紅外光透過手指被光電二極管接收的信號和經(jīng)前置放大后送入單片機(jī)系統(tǒng)做進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理的信號,便于監(jiān)控和調(diào)節(jié).最終顯示了被檢對象血氧和心率的輸出值.因?yàn)?由脈搏波能非常容易地得到心率值,所以,把心率也顯示在檢測界面上,以便了解被檢對象在血氧檢測過程中的心率變化情況.

圖4 主程序和中斷處理程序流程圖Fig.4 Program flow chart of main and Interrupt of timer 3

圖5 血氧飽和度檢測系統(tǒng)PC運(yùn)行界面Fig.5 Computer screen of SpO2detection device

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)C8051F006系統(tǒng)的手指脈搏血氧飽和度檢測系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序,并設(shè)計(jì)了基于OPT101光電集成電路的指夾式光電傳感器,經(jīng)計(jì)算機(jī)實(shí)時調(diào)試檢測,信號可靠、穩(wěn)定,表明設(shè)計(jì)的合理性.這種用于手指的小型便攜式血氧飽和度檢測裝置在醫(yī)院和家庭的檢測和監(jiān)護(hù)中具有非常廣闊的應(yīng)用前景.進(jìn)一步的研究將與臨床結(jié)合,完成該血氧飽和度檢測系統(tǒng)測量值的精確標(biāo)定,以達(dá)到醫(yī)學(xué)測量的精準(zhǔn)度要求.

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