血氧儀核心硬件電路設(shè)計(jì)及Multisim仿真

摘要：為了實(shí)時(shí)檢測(cè)血氧量，能使缺氧特別敏感的腦組織或心臟類(lèi)疾病患者得到及時(shí)治療，采用近紅外雙波長(zhǎng)透射式光電脈搏血氧測(cè)定法，以H橋電路對(duì)發(fā)射光源進(jìn)行控制及通用運(yùn)算放大器搭建濾波電路。運(yùn)用參數(shù)理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果相對(duì)比的方法，通過(guò)Multisim軟件對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與理論參數(shù)計(jì)算相吻合，證明了電路參數(shù)設(shè)計(jì)的可行性，為血氧儀的實(shí)物制作提供參考。
關(guān)鍵詞：Muhisim仿真；血氧飽和度；雙波長(zhǎng)透射式測(cè)量；光電二極管；濾波器參數(shù)計(jì)算；H橋驅(qū)動(dòng)電路

    腦組織新陳代謝率高，耗氧量占全身耗氧量的20％，而且對(duì)缺氧特別敏感，短時(shí)間缺氧就有可能造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)不可恢復(fù)的損傷。心臟病患者，易發(fā)心絞痛、心肌梗塞，這兩種情況，多數(shù)是因?yàn)檠芏氯?，?dǎo)致缺氧造成。心肌一旦缺氧，輕則感到胸悶，喘不上氣來(lái)；中度缺氧時(shí)，人會(huì)感覺(jué)心臟痛；重度時(shí)就是心肌梗塞了。血液中的氧含量可以用來(lái)表征這些癥狀，為適時(shí)適當(dāng)?shù)刂委熖峁﹨⒖肌Ｒ虼?，血氧含?br /> 的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)以及需補(bǔ)充的氧量確定等方面顯得尤為重要。
    目前社會(huì)上對(duì)血氧飽和度的測(cè)量普遍采用光電式脈搏血氧測(cè)定法，其原理是檢測(cè)血液對(duì)光吸收量的變化，測(cè)量氧合血紅蛋白(HbO2)占全部血紅蛋白(Hb)的百分比，從而直接求得SpO2，文中通過(guò)參數(shù)計(jì)算和軟件仿真的方法對(duì)核心硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，驗(yàn)證了此方法可實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量，也可作為實(shí)體制作參考。

1 總體框架
    考慮到便攜，容易測(cè)量，采用指夾式Nellcor血氧探頭。光電式脈搏血氧測(cè)定法原理是通過(guò)檢測(cè)交替點(diǎn)亮紅光(660 nm)、紅外光(940 nm)透射過(guò)手指的微弱光線，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換、濾波放大，再送往A／D轉(zhuǎn)換經(jīng)微處理器處理?？傮w結(jié)構(gòu)框圖與處理過(guò)程如圖1所示。

    利用MSP430的2個(gè)I／O接口通過(guò)H橋電路對(duì)紅光和紅外光通路進(jìn)行導(dǎo)通控制，光二極體可以分時(shí)接收透過(guò)手指的紅光和紅外光微弱信號(hào)，通過(guò)串接1 MΩ精密電阻實(shí)現(xiàn)I-V轉(zhuǎn)換，作為濾波放大電路的輸入端，經(jīng)過(guò)一階低通電路提取出直流信號(hào)，經(jīng)過(guò)帶通電路提取出有用頻段的交流信號(hào)，送由內(nèi)部具有ADC的MSP430微處理器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行每個(gè)周期內(nèi)紅光交直流信號(hào)之比、紅外光交直流信號(hào)之比和血氧飽和度的計(jì)算。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)
2．1 手指量測(cè)
    在量測(cè)部分使用手指作為感測(cè)來(lái)源，選擇紅光和紅外線作為發(fā)射波長(zhǎng)。使用光源投射方式，紅光和紅外線位于手指上方，手指下方為光二極體，接收光源的變化。
2．1．1 LED驅(qū)動(dòng)電路
    此處的驅(qū)動(dòng)電路是為了順序點(diǎn)亮紅光LED和紅外光LED，為了防止兩種光的相互干擾，采用間隔一定時(shí)間t交替點(diǎn)亮的方法：時(shí)序?yàn)榧t光亮，此時(shí)紅外光是熄滅的；t時(shí)間后兩燈都處于熄滅狀態(tài)；過(guò)t時(shí)間后，紅外燈亮，此時(shí)紅燈熄滅；t時(shí)刻后兩燈都熄滅；再過(guò)t時(shí)刻后，紅燈再亮，紅外燈再滅。以這種時(shí)序交替亮滅，讓光二極體對(duì)單個(gè)燈管的光進(jìn)行檢測(cè)，以盡量減少兩種光的串?dāng)_。
2．1．2 光檢測(cè)電路
    接收電路部分，采用光二極體接受紅光和紅外線信號(hào)，光電二極管是一種PN結(jié)型半導(dǎo)體元件，當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)電子受到激發(fā)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電勢(shì)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在一定的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流的大小幾乎與反向電壓的高低無(wú)關(guān)。在入射照度一定時(shí)，光電二極管相當(dāng)于一個(gè)恒流源，其輸出電壓隨負(fù)載電阻增大而升高。可通過(guò)串接一精密電阻，將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。
2．2 信號(hào)濾波處理
    由于光二極體接收到的信號(hào)包括血壓波信號(hào)(約0．7～3 Hz)，還有其他的一些干擾信號(hào)，需要分別取出其直流、交流分量。因此設(shè)計(jì)低通濾波電路取出直流分量，帶通濾波電路取出有用的交流分量，具體的參數(shù)設(shè)計(jì)參照?qǐng)D2和圖3。

3 各硬件部分參數(shù)設(shè)計(jì)及在Multisim中的仿真結(jié)果
3．1 LED驅(qū)動(dòng)電路
    檢測(cè)光源分別來(lái)源于紅光和紅外光，并且要分時(shí)發(fā)射，因此設(shè)計(jì)中采用H橋電路對(duì)其進(jìn)行控制，讓二者反向?qū)樱捎诙O管的單向?qū)щ娦裕趦啥穗妷鹤兓瘯r(shí)能保證只有一個(gè)二極管導(dǎo)通，電路圖如圖2所示。
    如圖2中所示，Q1，Q2，Q3，Q4基極分別通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)J1～J4接到相對(duì)應(yīng)的電壓和地，來(lái)模擬微控制器的P口輸出電壓對(duì)三極管進(jìn)行控制。Q1，Q2設(shè)計(jì)為開(kāi)關(guān)三極管，因基極電流較大，使三極管工作在飽和區(qū)，分別處于導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)。Q3，Q4基極通過(guò)接合適的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)集電極電流的控制，工作在放大區(qū)，使LED所在支路工作在合適的電流狀態(tài)下，如圖2中各支路儀表所示，LED的工作電流控制在6.25 mA，此值可通過(guò)調(diào)整Vcc，R5，R6的值來(lái)得到，各支路的電流、電壓儀表分別列于圖2右側(cè)。
    J1，J4組成紅光燈通路，J2，J3組成紅外燈的通路，兩種組合分時(shí)工作，按照固定頻率順序?qū)ā?br /> 3．2 光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理
    光電二極管接反向電壓后串接一個(gè)1 MΩ的精密電阻，將微弱的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，通過(guò)一個(gè)電壓跟隨器，降低后級(jí)電路對(duì)該信號(hào)的影響，提高帶負(fù)載的能力。因有用的血壓波信號(hào)約為0．7～3 Hz，考慮過(guò)渡帶的影響，在設(shè)計(jì)各低通、帶通電路時(shí)要對(duì)各截止頻率進(jìn)行合理的設(shè)定，電路圖如圖3所示。
    由于脈搏信號(hào)具有如下特點(diǎn)：(1)信號(hào)微弱，易引入背景干擾。(2)頻率低，主要頻譜分布在20 Hz以?xún)?nèi)。因此選用一交流信號(hào)源來(lái)模擬實(shí)際信號(hào)，在通過(guò)電壓跟隨器后，首先通過(guò)一階RC低通電路提取出直流信號(hào)，截止頻率通過(guò)將R1和C2代入公式f0=求得為0．015 9 Hz，可通過(guò)伯德儀XBP1觀察仿真結(jié)果，如圖4所示。

    帶通濾波電路首先讓信號(hào)通過(guò)兩個(gè)相同的二階低通濾波電路，讓超過(guò)截止頻率的信號(hào)以2倍于一階濾波的速率滑落，再通過(guò)一階高通濾波電路，使有用的頻率段信號(hào)通過(guò)。
    由于各運(yùn)放都有負(fù)反饋，所以工作在線性區(qū)，可利用“虛短”“虛斷”原則對(duì)各節(jié)點(diǎn)列寫(xiě)基爾霍夫方程式，整理得到輸出比輸入的關(guān)系式，求出比值為0．707時(shí)的頻率值，即為該濾波電路的截止頻率。
    二階低通濾波電路：下標(biāo)分別表示圖中各個(gè)節(jié)點(diǎn)，V10，V7相當(dāng)于此部分電路的輸入和輸出。
   
    將數(shù)值代入C4=C5=C，R2=R3=R，式（1）～式（3）整理為
   
    比值為0．707時(shí)的頻率即為截止頻率11.25Hz

    一階高通濾波電路：在高頻時(shí)電壓增益為低頻時(shí)接近于零，截止頻率，總體的帶通濾波效果如圖6所示。

    對(duì)分離出的交直流信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后由微處理器執(zhí)行運(yùn)算，得到—個(gè)周期內(nèi)紅光交直流信號(hào)之比與紅外光交直流信號(hào)之比的比值。根據(jù)血氧飽和度的定義和比爾蘭伯特定律對(duì)血氧飽和度進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可發(fā)現(xiàn)血氧飽和度與該比值的關(guān)系只與帶氧與不帶氧血紅素對(duì)各色光的吸收系數(shù)有關(guān)。由此，通過(guò)編程使微處理器根據(jù)不同的手指透光所對(duì)應(yīng)的比值計(jì)算出相應(yīng)的血氧飽和度。

4 結(jié)束語(yǔ)
    近紅外雙波長(zhǎng)透射式光電脈搏血氧測(cè)定法，已得到了業(yè)界的普遍認(rèn)同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體血氧量的無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此系統(tǒng)MSP系列微處理器的選擇降低了運(yùn)行功耗，由于內(nèi)部自帶一些模數(shù)轉(zhuǎn)換部件可減小整個(gè)設(shè)計(jì)的體積，可真正實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、靈活便攜地測(cè)量。通過(guò)Muhisim仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果與理論結(jié)果相吻合。