一種便捷式脈搏氧飽和度模擬系統(tǒng)的研制

袁懋結(jié)，葉繼倫, ，張旭, ，劉杰，文斌，竇可建 深圳大學(xué) 醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，58060 2 廣東省生物醫(yī)學(xué)信息檢測(cè)與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，58060 深圳市生物醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，58060

0 引言

血氧儀是一種能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)人體或動(dòng)物動(dòng)脈血氧飽和度的新型醫(yī)療器械，在臨床上有著廣泛的應(yīng)用。在臨床上，很多疾病會(huì)因氧供給的缺乏而影響人體正常的新陳代謝，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){到人的生命。在人體生命體征的測(cè)量上，檢測(cè)動(dòng)脈血中的氧含量是判斷人體呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)是否缺氧的重要指標(biāo)[1]。作為一種正在發(fā)展的生命監(jiān)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，血氧儀在生產(chǎn)和應(yīng)用中還是存在定標(biāo)和校驗(yàn)的問(wèn)題需要完善和解決。目前市場(chǎng)上雖有一些國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品，但其價(jià)格昂貴，得不到廣泛使用。這影響了血氧儀在生產(chǎn)或使用過(guò)程中的生產(chǎn)成本和維修成本，因而探索一種便捷式血氧模擬儀是很有必要的。

本研究主要是從血氧儀的工作原理以及結(jié)合血氧儀的血氧標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)入手，根據(jù)各血氧儀的工作性能，提出了血氧模擬儀的關(guān)鍵技術(shù)及解決方案。本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)血氧飽和度、脈率、灌注指數(shù)這幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的模擬輸出。在硬件上，主要通過(guò)兩個(gè)不同的濾光鏡對(duì)紅光和紅外信號(hào)進(jìn)行前期的分離，經(jīng)放大后，再通過(guò)邏輯調(diào)理電路進(jìn)行紅光紅外信號(hào)進(jìn)一步分離，與此同時(shí)，通過(guò)DA數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片模擬輸出各種狀態(tài)下的血氧信號(hào)。

1 血氧模擬儀的工作原理

血氧濃度的測(cè)量通常分為電化學(xué)法和光學(xué)法兩類[2]。起初是使用有創(chuàng)的血氧儀來(lái)對(duì)血氧進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)直接算出血液中氧合血紅蛋白占氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白之和的百分比[3]，當(dāng)然要研制對(duì)應(yīng)的血氧模擬儀也只能通過(guò)搭建類似的環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方法極為不方便。出于有創(chuàng)血氧飽和度的檢測(cè)對(duì)人體傷害大，對(duì)血氧無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因而人們研究出了無(wú)創(chuàng)血氧飽和度測(cè)量?jī)x，其原理是血液中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對(duì)紅光以及紅外的吸收程度的不同，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)式血氧的監(jiān)測(cè)[3-4]。與之對(duì)應(yīng)的模擬儀也是利用這一點(diǎn)來(lái)模擬人體手指，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的產(chǎn)生。其實(shí)質(zhì)是模擬人體手指對(duì)660 nm的紅光和940 nm的紅外光的吸收衰減作用[5-7]。

本系統(tǒng)需要模擬的參數(shù)技術(shù)指標(biāo)分別為血氧飽和度、脈搏波形、脈率以及灌注指數(shù)。如圖1、圖2所示，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的脈搏波進(jìn)行擬合及歸一化，實(shí)現(xiàn)信號(hào)來(lái)源的可靠性以及各種血氧模擬狀態(tài)的產(chǎn)生。

圖1 脈搏波標(biāo)準(zhǔn)波形Fig.1 standard waveform of pulse wave

圖2 脈搏波歸一化Fig.2 Pulse wave normalization

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本文通過(guò)光電轉(zhuǎn)換以及電光轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)血氧技術(shù)參數(shù)的模擬輸出。圖3為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。通過(guò)PC上位機(jī)上對(duì)不同血氧參數(shù)指標(biāo)的選擇來(lái)控制血氧模擬器下位機(jī)的工作模式。此外，本課題中血氧模擬探頭機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也很重要，圖4為本課題的模擬探頭部分，上面黑色的是紅外光電管，另外一個(gè)是光電池。圖5為血氧模擬器板卡，出于便捷式和集成應(yīng)用，設(shè)計(jì)為60×60 mm尺寸大小的板卡。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

AD5754為16位DA輸出芯片，精度足夠高，能夠提供更加微弱的模擬脈搏信號(hào)。AD5754與MCU采用高速的SPI數(shù)據(jù)通信方式。同時(shí)，該芯片為雙通道獨(dú)立輸出，可以通過(guò)配置寄存器來(lái)控制各自通道的輸出，進(jìn)而輸出兩個(gè)互不相干的模擬紅光信號(hào)電信號(hào)以及紅外電信號(hào)。通過(guò)控制兩個(gè)通道傳輸速率、幅值和交直流信號(hào)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)血氧模擬信號(hào)的輸出。軟件流程框圖如圖6所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of system

圖4 血氧模擬探頭Fig.4 Probe of blood oxygen simulation

圖5 血氧模擬器板卡Fig.5 Blood oxygen simulator board

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

為檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試的準(zhǔn)確性，以及該方法的可行性，將本設(shè)計(jì)在不同的血氧儀上進(jìn)行了驗(yàn)證。本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室的血氧平臺(tái)、錦瑞血氧儀以及邁瑞血氧儀上進(jìn)行了逐一的驗(yàn)證測(cè)試。由于本系統(tǒng)需要測(cè)試的參數(shù)比較多，為了方便測(cè)試，采用了控制變量法來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試組：

（1）脈率設(shè)定為70 bpm，PI設(shè)為12.01%，變量血氧值以步長(zhǎng)為1從0到100 bpm的范圍進(jìn)行設(shè)置。

圖6 軟件流程框圖Fig.6 Software flow diagram

測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

表1 血氧值的測(cè)試結(jié)果Tab.1 Blood oxygen test results

（2）血氧值設(shè)定為98%，PI設(shè)為12.01%，變量脈率值以步長(zhǎng)為1，從0到300 bpm的范圍進(jìn)行設(shè)置。

測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

表2 脈率的測(cè)試結(jié)果Tab.2 Pulse rate test result

（3）血氧值設(shè)定為98%，脈率設(shè)為70 bpm，變量灌注指數(shù)值以步長(zhǎng)為0.1%，從0到20%的范圍進(jìn)行設(shè)置。測(cè)試結(jié)果，如表3所示。

表3 灌注指數(shù)的測(cè)試結(jié)果Tab.3 Perfusion index test results

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)多種產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)與測(cè)試，該裝置能夠滿足各種血氧飽和度、脈率以及灌注指數(shù)的測(cè)試需求，相比于目前各種血氧模擬儀性能更優(yōu)，體積更小，成本更低?？梢詽M足目前血氧產(chǎn)品在生產(chǎn)和使用中的重復(fù)性檢測(cè)，并通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)在血氧儀生產(chǎn)中的自動(dòng)化的血氧、脈率及灌注指數(shù)的重復(fù)性檢測(cè)。目前已經(jīng)針對(duì)這款系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在進(jìn)一步做系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)惟拓力公司R曲線的模擬信號(hào)輸出[8]，后續(xù)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多種R曲線的設(shè)置與選擇，應(yīng)對(duì)不同公司的產(chǎn)品測(cè)試需要，逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工程轉(zhuǎn)化，希望能夠得到推廣應(yīng)用，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)改進(jìn)這個(gè)系統(tǒng)的性能與功能，如增加運(yùn)動(dòng)干擾功能、環(huán)境光干擾功能以及針對(duì)脈搏氧探頭的測(cè)試功能等，完善系統(tǒng)的測(cè)試功能，增強(qiáng)該系統(tǒng)的系統(tǒng)功能，擴(kuò)展應(yīng)用范圍。