多波長脈搏色素密度譜光電傳感器的研制

趙慶平, 姜恩華

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多波長脈搏色素密度譜光電傳感器的研制

趙慶平*, 姜恩華

(淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院, 安徽 淮北, 235000)

傳統(tǒng)對(duì)于ICG濃度的測量采用有創(chuàng)測量方法, 此方法操作過程繁瑣, 不易進(jìn)行連續(xù)多次測量, 并且會(huì)對(duì)患者造成痛苦甚至感染. 本文研究的光電傳感器可以應(yīng)用于無創(chuàng)測量, 主要依據(jù)是基于脈搏分光光度法原理, 利用光源照射被測部位, 根據(jù)在接收端接收到的光信號(hào)計(jì)算人體內(nèi)ICG的濃度, 最后得到肝儲(chǔ)備功能的相關(guān)信息.

脈搏分光光度法; ICG 光電傳感器; 單片機(jī)C51

吲哚氰綠排泄試驗(yàn)是Hunton等人于20世紀(jì)60年代初首先應(yīng)用的, 自從利用吲哚氰綠評(píng)價(jià)肝臟儲(chǔ)備功能面世以來, 就被認(rèn)為是目前評(píng)價(jià)肝臟儲(chǔ)備功能的最重要試驗(yàn)方法之一[1]. 通過計(jì)算吲哚氰綠血漿清除率()和吲哚氰綠15 min儲(chǔ)留率(15)可以準(zhǔn)確地得到肝細(xì)胞的存儲(chǔ)能力[2], 這種方法能系統(tǒng)全面地反映人肝儲(chǔ)備功能的好壞. 但對(duì)于ICG濃度的測量傳統(tǒng)方法都是采用有創(chuàng)測量, 這種測量方式操作過程繁瑣, 不利于連續(xù)多次測量, 因此限制了這種方法在臨床醫(yī)療上的推廣使用.

本文研究的無創(chuàng)檢測技術(shù), 應(yīng)用光電傳感器測出人手指末端的動(dòng)脈血流的光吸收脈動(dòng)信號(hào), 根據(jù)吸光度的不同計(jì)算ICG濃度, 完成基于分光光度原理的無創(chuàng)和連續(xù)的色素濃度測量. 本研究的主要路徑是設(shè)計(jì)光源發(fā)射電路和光源接收電路, 同時(shí)設(shè)計(jì)分時(shí)驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)分流電路, 研制由660、805和940 nm構(gòu)成的多波長吲哚氰綠色素密度譜光電傳感器, 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步檢測和處理, 并與相應(yīng)的測量儀器連接, 實(shí)現(xiàn)基于分光光度原理的無創(chuàng)和連續(xù)的色素濃度測量.

1 多波長脈搏色素密度譜光電傳感器總體方案設(shè)計(jì)

不同的物質(zhì)對(duì)光有著不一樣的吸收系數(shù), 如果血液中有2種不同的物質(zhì), 用2種一定波長的光照射時(shí), 由于人體血管內(nèi)的物質(zhì)具有不同的吸光度, 透過人體接收的光強(qiáng)度是不同的, 根據(jù)朗伯—比爾定律可以算出血液中這2種不同物質(zhì)的濃度比, 這被稱為脈搏光度法(pulse photometry)[3].

1.1 光電容積脈搏波描記法

光電容積脈搏波描記法是借助光電手段在活體組織中檢測血液容積變化的一種無創(chuàng)傷檢測方法[4]. 其主要原理是當(dāng)人體指端皮膚表面受到光照時(shí), 用光電接收器在手指末端接收反射光束或者透射光束. 這樣, 就可以得到經(jīng)過人體指端皮膚肌肉和血液等組織的吸收與衰減后的弱光強(qiáng). 經(jīng)過光電管進(jìn)行所接收到的是疊加的復(fù)雜信號(hào), 這其中包括2個(gè)分量:

① 直流分量(DC): 由人體的骨骼肌肉組織和毛細(xì)血管等部分對(duì)光的吸收量組成;

② 脈動(dòng)變化的交流分量(AC): 主要是由于心臟的收縮和舒張使得血管內(nèi)的容積量呈周期脈動(dòng)性變化, 對(duì)光的吸收情況不同的反映.

一般情況下, 交流分量是幅值較小的弱信號(hào), 疊加在直流分量上.

1.2 脈搏色素濃度傳感器的總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)1.1節(jié)所述, 在測量時(shí), 可以有2種不同的選擇方案, 即根據(jù)發(fā)光管和光電接收管所放置的位置的不同, 可以有透射式和反射式2種測量方式可供選擇. 通過光電接受管接收到的信號(hào)是光束穿透過人體衰減后疊加信號(hào), 需要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行分離, 得到3路直流信號(hào)和交流信號(hào)即脈搏信號(hào), 由此確定了傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案(圖1).

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 多波長脈搏色素密度譜光電傳感器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 光源發(fā)射電路設(shè)計(jì)

在光源發(fā)射部分, 選擇日本epitex公司研制的SMT660N/805/940a的三色發(fā)光管, 它可發(fā)出波長660、805和940 nm的陽極常見的輻射波段, 通過矩形波對(duì)光源進(jìn)行了調(diào)制, 同時(shí)也利用矩形波時(shí)序控制發(fā)光管的發(fā)光時(shí)序, 使發(fā)光管按照一定頻率依次產(chǎn)生660、805和940 nm三種波長的光波.

在電路實(shí)現(xiàn)方面[5—6], 采用C51單片機(jī)程序控制使其產(chǎn)生200 Hz的矩形波時(shí)序電路, 后經(jīng)過三極管驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)發(fā)光管發(fā)光, 就可以得到所需要的波長, 在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中有2種方案可供選擇 (圖2).

圖2 2種驅(qū)動(dòng)電路

圖3 光電二極管接收電路

2.2 光電接收電路

采用美國Vishay公司研制的BPW34硅PIN光電二極管作為光電接收管, 它的光譜響應(yīng)范圍為370～1 100 nm, 在3個(gè)波長660、805和940 nm處都有較好的頻率響應(yīng)狀態(tài), 因此其可以完成設(shè)計(jì)要求. 在具體電路實(shí)現(xiàn)方面采用常見光電管接收電路(見圖3).

當(dāng)光電管有光照射時(shí), 使得光電二極管導(dǎo)通, 這樣就使R5上面的電壓隨著光的強(qiáng)度變化, 即可把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成所需要的電信號(hào), 以便于下一步的應(yīng)用.

2.3 信號(hào)前置放大電路

由于所接收到的光電信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后是非常弱小的電信號(hào), 不利于信號(hào)分離與提取, 因此必須對(duì)此信號(hào)進(jìn)行放大, 選擇AD620儀用作放大器(圖4). 通過控制電阻R13的大小, 來控制放大倍數(shù)及電信號(hào)的輸出以便于下一步的信號(hào)分離.

圖4 前置放大電路

2.4 信號(hào)分離電路

通過光電二極管接收后, 得到的是3個(gè)波長的復(fù)合電信號(hào), 由此設(shè)計(jì)信號(hào)分離電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合信號(hào)的分離, 以便得到所需要的信號(hào). 選用CD4066作為信號(hào)分離器件, 在本設(shè)計(jì)中, 使用單片機(jī)C51編程控制CD4066的連通與截止, 在控制時(shí)序中當(dāng)一路為高電平時(shí), 其余2路皆為低電平, 這樣高電平所控制端選通, 同時(shí)高電平輸出經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路供給發(fā)光管使其發(fā)光, 就得到了發(fā)光波長相對(duì)應(yīng)的接收光電信號(hào), 就把這個(gè)波長的信號(hào)從原來的復(fù)合信號(hào)中分離出來了.

圖5 方波控制時(shí)序

3 多波長脈搏色素密度譜光電傳感器的軟件設(shè)計(jì)

本部分的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)光源驅(qū)動(dòng)程序[5—7], 使其控制的光源按照一定的特殊順序發(fā)光, 由于人體的脈搏波為低頻波, 所以選擇的控制頻率為200 Hz, 這樣就可以使脈搏信號(hào)很好的疊加在控制信號(hào)中(圖5).

選擇單片機(jī)的3個(gè)輸出管腳分別輸出以上波形, 就可以很好的控制發(fā)光管按照要求的順序發(fā)光(圖6).

圖6 軟件流程圖

4 系統(tǒng)測試

4.1 發(fā)射光源部分測試

對(duì)C51單片機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖波形進(jìn)行測試及經(jīng)過三極管驅(qū)動(dòng)后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測試. 單片機(jī)P1.0、P1.1和P1.2三個(gè)腳按照驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)要求分別輸出200 Hz的方波, 圖7中通道2藍(lán)色波形為單片機(jī)輸出波形, 通道1黃色波形為經(jīng)過三極管反相驅(qū)動(dòng)后的輸出波形, 由于選擇的發(fā)光管為共陽極三色發(fā)光管, 所以黃色波形可以很好的控制發(fā)光管發(fā)光, 而藍(lán)色波形則用于CD4066的選通控制, 這樣就可以從復(fù)雜的信號(hào)中分離出來所需要的單波長光電信號(hào).

圖7 單片機(jī)輸出與三極管反相對(duì)比圖

4.2 光電接收管部分測試

對(duì)光電接收管所接收到的波形進(jìn)行測試, 光電接收管最開始接收到的原始信號(hào)為3種波長光電信號(hào)的復(fù)雜信號(hào)(圖8). 這個(gè)復(fù)雜信號(hào)經(jīng)過CD4066分離后就可以得到3種波長的單獨(dú)電信號(hào)(圖9).

圖8 光電管接收的3波長復(fù)雜信號(hào)

圖9 分離后得到3種波長的單獨(dú)電信號(hào)

5 結(jié)論

本文多波長脈搏色素濃度傳感器的設(shè)計(jì)主要包括光源驅(qū)動(dòng)電路、光電接收轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)分離電路、單片機(jī)程序控制4部分. 經(jīng)過系統(tǒng)測試, 本文設(shè)計(jì)的傳感器可以很好地采集人體血液中的脈搏波信號(hào), 達(dá)到測量人體血液中色素濃度的要求, 這種多波長脈搏色素濃度傳感器主要應(yīng)用于人體色素濃度的無創(chuàng)連續(xù)多次測量, 對(duì)于推廣無創(chuàng)人體肝臟儲(chǔ)備功能檢測和人體血氧飽和度測量具有一定重要意義.

[1] 黃堅(jiān). 吲哚氰綠排泄試驗(yàn)在評(píng)價(jià)肝臟儲(chǔ)備功能中的應(yīng)用價(jià)值[D]. 浙江大學(xué), 2009: 1—2.

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Development of pulse dye density spectrum photoelectric sensor with multi-wavelength

ZHAO Qing-ping, JIANG En-hua

(School of Physics and Electronic Information, Huaibei Normal University, Huaibei 235000, China)

Traditional measurement of ICG concentration adopts the invasive measurement method, but this method is too cumbersome and difficult to carry out continuous measurements and would cause pain or even infections to the patients. In this paper, the photoelectric sensor can be applied to non-invasive measurement which is mainly based on the measured part of the light source according to the principle of pulse spectrophotometry, calculating the ICG concentration in the human body according to the received optical signal at the receiving end and finally get the relevant information of hepatic functional reserve.

pulse spctrophotometry; ICG photoelectric sensor; C51

10.3969/j.issn.1672-6146.2013.03.008

TP 393

1672-6146(2013)03-0035-04

email: zhaoqingping1215@163.com.

2013-07-21

國家自然科學(xué)基金(41275027); 安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2013Z228)

(責(zé)任編校:劉剛毅)