透射式脈搏血氧飽和度檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉婷 ，黃明，叢茂檸

1.江蘇省中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院 設(shè)備科，江蘇 南京 210028；

2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京護(hù)理分院 醫(yī)電教研組，江蘇 南京 210038

0 前言

人體的新陳代謝過程是生物氧化過程，而新陳代謝過程中所需要的氧（O2）是通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體血液，與血液紅細(xì)胞中的血紅蛋白（Hb ）結(jié)合成氧合血紅蛋白（HbO2），再輸送到人體各部分組織細(xì)胞中去。在全部血液中，被氧結(jié)合的HbO2容量占全部可結(jié)合容量的百分比稱為血氧飽和度（SaO2）。監(jiān)測動脈SaO2可以對肺的氧合和血紅蛋白攜氧能力進(jìn)行估計。

目前，SaO2的測量分為電化學(xué)法和光學(xué)法兩類：

傳統(tǒng)的電化學(xué)法SaO2測量要先進(jìn)行人體采血（最常采用的是取動脈血），再利用血氣分析儀進(jìn)行電化學(xué)分析，在數(shù)分鐘內(nèi)測得動脈氧分壓（PaO2），并計算出動脈PaO2。化學(xué)法的優(yōu)點是測量結(jié)果精確可靠，缺點是不能進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測，是一種有損傷的血氧測定法。

光學(xué)法是一種連續(xù)無損傷血氧測量方法，可用于急救病房、手術(shù)室、恢復(fù)室和睡眠研究中。目前采用最多的是近紅外雙波長透射式脈搏血氧測定法。

1 基本原理

透射式脈搏SaO2測量基于動脈血液、因脈動對光的吸收量產(chǎn)生變化的原理。以指端作為檢測部位，當(dāng)光透過這些部位時，非動脈組織（皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等）對光的吸收恒定不變，為直流信號（DC），而動脈血脈動時，吸光度產(chǎn)生與之對應(yīng)的變化量△A，為交流信號（AC）。當(dāng)用兩種特定波長的恒定光λ1、 λ2照射手指時，運用Lambert-Beer定律并根據(jù)血氧飽和度的定義，可推出血氧飽和度的近似公式：

其中，R為兩波長光吸收度變化的比值，A、B為常數(shù)，與儀器硬件結(jié)構(gòu)、測量環(huán)境有關(guān)[1-2]。

很多研究論著中有論證，根據(jù)Hb和HbO2的光譜響應(yīng)特征，一般選取660 nm的紅光和940 nm的紅外光作為入射光。目前，大量的醫(yī)學(xué)實驗總結(jié)出接收到紅光和紅外光的交流部分與直流部分的經(jīng)驗公式[3]：

本系統(tǒng)的主要任務(wù)即采集到紅光、紅外光的交、直流信號，獲得R值后計算出SaO2。

2 設(shè)計思路

采用AT89C51單片機產(chǎn)生發(fā)光時序脈沖，控制透射式血氧飽和度傳感器發(fā)射檢測信號，經(jīng)過人體組織后，由于組織對光的吸收和散射作用，在入射光對側(cè)由檢測元件OPT301檢測透射光信號，模擬開關(guān)CD4066將紅光和紅外信號分離后，對信號進(jìn)行放大、濾波處理，將分別代表紅光直流量、紅光交流量、紅外光直流量、紅外光交流量的4路信號送入ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由AT89C51單片機計算處理，對最后得到SaO2值用LCD顯示。系統(tǒng)原理框圖，見圖1。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 時序控制電路

時序控制電路有3個作用：① 產(chǎn)生控制紅光和紅外光的時序信號；② 產(chǎn)生控制環(huán)境光的脈沖信號；③ 產(chǎn)生控制分離紅光和近紅外光的同步檢測信號。

利用單片機定時/計數(shù)器T0的定時功能（工作方式1），使P1.0輸出1kHz的方波，經(jīng)D觸發(fā)器分頻和與門，產(chǎn)生紅光和紅外光的時序信號和控制環(huán)境光的脈沖信號。

實現(xiàn)過程：AT89C51單片機的振蕩頻率為12 MHz，T0定時器采取工作方式1，計算出定時初值為FE0CH，并修正為FE12H，從P2.6口輸出1 kHz頻率的方波脈沖。通過74LS74分頻和74LS08與門，產(chǎn)生發(fā)光驅(qū)動信號，見圖2。

為了控制環(huán)境光對系統(tǒng)的干擾，時序控制電路產(chǎn)生的驅(qū)動信號，將實現(xiàn)依次紅光、環(huán)境光、紅外光、環(huán)境光為一周期的發(fā)光時序，以便于后續(xù)電路處理。

3.2 光傳感器

3.2.1 發(fā)光電路

采用H橋驅(qū)動發(fā)光，具體電路，見圖3。

輸入分別接時序控制電路產(chǎn)生的紅光驅(qū)動信號和紅外光驅(qū)動信號。圖中用信號發(fā)生器模擬紅光驅(qū)動信號，運行后，Q6導(dǎo)通 ，然后Q1和Q5也導(dǎo)通，電源通過Q1的集電極加到紅光管的陽極，使其導(dǎo)通點亮；類似地，紅外光二極管由紅外光驅(qū)動信號控制發(fā)光[4]。按照紅光、環(huán)境光、紅外光、環(huán)境光的發(fā)光時序，在兩個發(fā)光二極管均熄滅時，檢測電路接收到的是環(huán)境光帶來的干擾信號，從紅光和紅外光信號中將其減去，可以提高信噪比。

以上電路參數(shù)對應(yīng)發(fā)光二極管的正向壓降約1.66 V，電流值要達(dá)到5 mA才會發(fā)光，具體通過可變電阻調(diào)節(jié)，保證發(fā)光二極管工作在安全范圍內(nèi)和適宜的發(fā)光強度。

3.2.2 OPT301檢測電路

透過指端的光信號經(jīng)過光電二極管檢測后，需要進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換和放大，傳統(tǒng)的分立設(shè)計往往存在漏電流誤差、混入噪聲和雜散電容引起的增益尖峰等難以克服的缺陷，美國BURR-BROWN公司生產(chǎn)的OPT301將光電二極管和放大器集成在同一塊芯片上，最大程度地消除了這些不利因素。

OPT301是一種集光電二極管與電流/電壓轉(zhuǎn)換放大于一體的光電集成器件。其中，電流/電壓轉(zhuǎn)換放大器由精密的場效應(yīng)管輸入運算放大器和片內(nèi)金屬薄膜電阻組成；受光面積為0.09英寸×0.09英寸的光電二極管在零偏下具有很好的線性和很低的暗電流，其靜態(tài)工作電壓為400μV。當(dāng)入射光為650 nm時，靈敏度為0.47 A/W，暗電流誤差2 mA，帶寬4 kHz。OPT301內(nèi)部有1 MΩ的反饋電阻，可以直接將1μA光電流轉(zhuǎn)變?yōu)?V的電壓輸出。OPT301工作時的基本電路連接，見圖4。

3.3 信號分離濾波

3.3.1 信號分離

OPT301的輸出信號里同時含有紅光和紅外光的透射光信號，在進(jìn)行放大濾波前需將兩個波長信號分離。采用CD4066模擬開關(guān)，CD4066內(nèi)部有4個獨立的模擬開關(guān)，每個模擬開關(guān)有輸入、輸出、控制3個端子。

實現(xiàn)過程：將紅光和紅外光驅(qū)動信號分別連接CD4066的兩組控制端口，獲得與發(fā)光電路一樣的時序。這樣，將紅光和紅外光信號分離后，分別進(jìn)行濾波處理獲取光信號中的直流、交流成分。

3.3.2 放大濾波

對紅光透射信號、紅外光透射信號低通濾波得到直流成分，帶通濾波得到交流成分?？紤]到ADC0809的輸入電壓范圍0～5 V，先將信號放大到符合ADC0809的輸入要求，然后濾波處理。無源濾波器輸入阻抗小，且不能對信號進(jìn)行放大，因此本系統(tǒng)采用有源濾波器。

50 Hz陷波實現(xiàn)：在信號傳送過程中，50 Hz交流電勢必造成工頻信號干擾，為此設(shè)計的50 Hz陷波器及電路參數(shù)，見圖5。

低通濾波實現(xiàn)：二階低通濾波器對截止頻率以下的信號沒有衰減，對截止頻率以上的信號衰減明顯，而一階低通濾波器對截止頻率以下的信號衰減不明顯，因此采用二階低通濾波器，用100 Hz的交流信號模擬0PT301的輸出。低通濾波電路設(shè)計，見圖6。

二階低通濾波，R1=R2=400 kHz，C1=C2=47μF，所得截止頻率濾波效果，見圖7。

帶通濾波實現(xiàn)：對透射信號中的直流成分，首先經(jīng)INA128放大器差分放大，抑制共模信號，然后帶通濾波。帶通濾波電路設(shè)計，見圖8。由低通濾波、高通濾波和同相放大器組成，且低通濾波截止頻率大于高通濾波截止頻率。取中心頻率f0=10 Hz ，通帶寬度為20 Hz，C1=C2=C=1μF，R1=R5=R=15.92 kHz，R2=2R=31.84 kHz。為保證運放的穩(wěn)定性，R4與R2取值相同。

3.4 A/D轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)采用ADC0809與AT89C51匹配采集光電信號。ADC0809工作時序：① ALE的上升沿讀取通道號；②START上升沿ADC內(nèi)部清零，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換；③OE為高電平單片機可以讀取轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號。

考慮到AT89C51并無外擴RAM或I/O口，將ADC0809作為單片機的外擴RAM單元直接連接[5]，連接方式，見圖9。ADC0809數(shù)據(jù)輸出直接與單片機P0口相連，ADDC接地，ADDB、ADDA分別接P0.1、P0.0。單片機的ALE經(jīng)CD4013觸發(fā)器四分頻后連ADC0809的CLOCK，提供正常工作時鐘脈沖；單片機P2.7腳或非后連START和ALE，可同時讀取輸入通道號和啟動A/D轉(zhuǎn)換； 與P2.7腳或非后連ADC0809的OE，EOC信號經(jīng)或非后與單片機相連，開啟中斷[3]；編程時，通過MOVA，#0FCH送通道地址MOVX @R0，A；開啟A/D轉(zhuǎn)換，MOVX A，@R0讀取轉(zhuǎn)換數(shù)字量。此部分主要代碼[6-9]：

ORG 00H

SJMP MAIN ;進(jìn)主程序

ORG 0BH

LJMP DATA_CONVENTER ;進(jìn)中斷

MAIN:SETB EA ;INTO中斷使能

SETB EX0

MOV R2,#4 ;4個通道

MOV R1,#30H ;存儲空間、ADC地址初始化

CLR P2.7

MOV R4,#0FCH

AD_OPEN:MOV A,R4 ;選擇IN0通道

MOVX @R0，A ;開啟A/D轉(zhuǎn)換，一次轉(zhuǎn)換僅100μs左右，很快跳入中斷

DATA_CONVENTER:MOVX A，@R0 ;讀轉(zhuǎn)換結(jié)果

MOV @R1,A

INC R1

INC R4

DJNZ R2,AD_OPEN

RETI

END

3.5 單片機算法設(shè)計

3.5.1 R值計算

從ADC0809讀取的紅光、紅外光交直流成分存入單片機30H～33H單元，根據(jù)經(jīng)驗公式(1)計算。理論上，無論是紅光還是紅外光，透射光中的交流成分遠(yuǎn)小于直流成分，若編程直接進(jìn)行3次除法運算，會出現(xiàn)錯誤結(jié)果，且單片機錯判為非法運算導(dǎo)致無法求出R值，因此轉(zhuǎn)化成兩次乘法、一次除法運算。仿真結(jié)果證明算法可行。

3.5.2 LCD顯示

采用LCD1602進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)果顯示。單片機P1口接LCD1602的D0～D7，P2.0、P2.1、P2.2分別連接LCD1602的RS、RW、E端。單片機模塊連接，見圖9。

4 討論

本系統(tǒng)各部分的設(shè)計，在虛擬仿真中得到理想的論證。系統(tǒng)引用光電集成塊OPT301和50 Hz陷波器設(shè)計，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。由于系統(tǒng)采用經(jīng)驗公式計算脈氧值，可能產(chǎn)生兩方面的誤差：一是個人末梢指端的生物組織成分不單一，各成分對光的散射、吸收不同，A、B值會不同；二是硬件結(jié)構(gòu)的不同也會影響A、B值。為消除硬件結(jié)構(gòu)對A、B值的影響，確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確，可以在現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過建立標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)曲線來修正經(jīng)驗公式中的A、B值。這將在后續(xù)的研究中進(jìn)一步完善。

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