無(wú)創(chuàng)血氧飽和度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了無(wú)創(chuàng)血氧飽和度測(cè)量原理，即紅外光根據(jù)人體組織中不同的血紅蛋白氧合狀態(tài)具有不同的光吸收譜特征，利用這些特征即可檢測(cè)人體組織血氧飽和度。系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F020為核心，設(shè)計(jì)了無(wú)創(chuàng)血氧飽和度檢測(cè)儀的各硬件部分和軟件流程圖，并通過可控?cái)?shù)字電位器替代了傳統(tǒng)的反饋電阻實(shí)現(xiàn)了增益自動(dòng)調(diào)節(jié)，克服了個(gè)體差異造成的血氧信號(hào)只通過固定增益影響了測(cè)量精度的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，功耗小，成本低，為臨床測(cè)量提供連續(xù)有效的監(jiān)測(cè)信息，適用于臨床測(cè)量與研究，具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：近紅外光譜；血氧飽和度；自動(dòng)增益；C8051F020

0 引言
    氧是維持人體組織細(xì)胞正常功能、生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。人體的絕大多數(shù)組織細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換都是在氧的參與下完成的。所以，實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)人體組織中氧的代謝及運(yùn)輸過程，可以間接獲得細(xì)胞的代謝狀態(tài)，在生命科學(xué)的研究領(lǐng)域有重要的意義。
    要了解人體組織中氧的代謝及運(yùn)輸過程，即掌握動(dòng)脈血管內(nèi)的血氧運(yùn)輸代謝情況，人們通常采用兩種有效實(shí)用的方法。第一種方法：直接采集人體動(dòng)脈血樣進(jìn)行血?dú)夥治?。它包括血液的pH，PO2，PCo2的測(cè)定值，還包括經(jīng)計(jì)算求出的血氧飽和度等參數(shù)，但這種方法是有創(chuàng)測(cè)量，且對(duì)血液標(biāo)本采集有一些限制要求，不能作為實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的方法。第二種方法：利用無(wú)創(chuàng)血氧測(cè)量技術(shù)來(lái)檢測(cè)動(dòng)脈血氧飽和度。它是利用近紅外光在組織中血紅蛋白氧合狀態(tài)不同時(shí)具有獨(dú)特的光吸收譜特征來(lái)檢測(cè)組織血氧飽和度。
    傳統(tǒng)的無(wú)創(chuàng)血氧儀器通過光電檢測(cè)傳感器采集透射過血液組織中脈動(dòng)光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)過固定增益放大和濾波后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出血氧飽和度值。本文設(shè)計(jì)了基于C8051F020單片機(jī)配合可控?cái)?shù)字電位器實(shí)現(xiàn)增益自動(dòng)調(diào)節(jié)的無(wú)創(chuàng)血氧飽和度測(cè)試儀，解決了個(gè)體差異對(duì)血氧信號(hào)的影響，有效地提高了血氧飽和度的精度。

1 檢測(cè)原理
    無(wú)創(chuàng)血氧飽和度的檢測(cè)原理是根據(jù)Beer-Lambert定律，引出分光光度法進(jìn)行物質(zhì)定性分析和定量分析。根據(jù)這個(gè)理論基礎(chǔ)，由氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白對(duì)不同波長(zhǎng)色光的吸光度不同和血氧飽和度的定義，推導(dǎo)出動(dòng)脈血管中的血氧飽和度計(jì)算公式。
    根據(jù)朗伯-比爾定律可以得出單色光透過某均勻溶液后透射光強(qiáng)I與溶液諸參數(shù)的關(guān)系是：
   
    式中：E表示該溶液對(duì)某特定單色光的吸光系數(shù)；C表示該溶液的濃度；D表示光透過溶液所經(jīng)光程長(zhǎng)度。
    若定義吸光度A為：
    A=ln(I0／I)=ECD      (2)
    假如均勻組織為血管，當(dāng)動(dòng)脈血脈動(dòng)時(shí)，D將有一個(gè)△D的改變，此時(shí)透射光I也將有一個(gè)△I的改變，此時(shí)吸光度A的改變△A為：
    △A=ln[I／(I-△I)]=EC×△D     (3)
    根據(jù)醫(yī)學(xué)定義，由于含氧血紅蛋白和還原血紅蛋白處于同一血液溶液中，他們的含量之比即為濃度之比，這樣血氧飽和度為：

    式中：△W即為該色光光電信號(hào)的交直流成份之比，由以上表達(dá)式再根據(jù)數(shù)學(xué)變換，當(dāng)有兩路光源透射過手指后最終可以推出血氧飽和度的計(jì)算表達(dá)式為：
   
    式中：Ei表示不同物質(zhì)的吸光系數(shù)，對(duì)于一定波長(zhǎng)和一定組織成分而言，Ei是確定的常量。將上式寫為如下形式，并展開成二階泰勒級(jí)數(shù)為：
   
    只要測(cè)量出色光光電信號(hào)的交直流成份之比△W’／△W與標(biāo)準(zhǔn)血氧計(jì)測(cè)量的血氧飽和度，利用最小二乘法二次曲線擬合技術(shù)，確定常數(shù)A，B，C就可以得到血氧飽和度經(jīng)驗(yàn)公式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    根據(jù)血氧飽和度的測(cè)量原理，基于C8051F020單片機(jī)的血氧飽和度測(cè)量?jī)x的組成結(jié)構(gòu)參見圖1。該系統(tǒng)的基本工作過程是由單片機(jī)產(chǎn)生的時(shí)序控制信號(hào)，交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)光二極管分時(shí)照射手指，將光電接收器輸出的信號(hào)通過放大濾波處理后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并計(jì)算出血氧飽和度。

2．1 探頭電路
    無(wú)創(chuàng)血氧飽和度的探頭是由兩個(gè)不同波長(zhǎng)(紅光、紅外光)的發(fā)光二極管、一個(gè)光電接收器組成。探頭部分的電路如圖2所示。C8051F020單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)序控制信號(hào)，交替驅(qū)動(dòng)紅光和紅外光二極管作為測(cè)量信號(hào)。由于紅光和紅外光是分時(shí)驅(qū)動(dòng)的，所以測(cè)量信號(hào)可以共用同一信號(hào)通道進(jìn)行放大和濾波，而不會(huì)相互產(chǎn)生干擾，避免了雙通道傳輸中由于通道特性不相同而引起的誤差。
2．2 I／V轉(zhuǎn)換電路
    I／V轉(zhuǎn)換電路的作用是將光電接收器接收的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成與透射光強(qiáng)成正比的電壓信號(hào)，由于實(shí)際檢測(cè)的光電流很小，反饋電阻大小取20MΩ，同時(shí)兩端并聯(lián)一個(gè)小電容形成積分電路，可以進(jìn)一步減小輸入電流噪聲。實(shí)際電路如圖3所示。另外由于光電流很小，容易受外界干擾，所使用的運(yùn)算放大器必須具有高輸入電阻、低的偏執(zhí)電流和低的電壓噪聲，ADI公司出品的AD795能滿足上述要求，實(shí)現(xiàn)電流到電壓的精確轉(zhuǎn)換。

2．3 濾波電路
    由AD795送出的血氧信號(hào)通常帶有不同程度的高頻干擾，需要進(jìn)行低通濾波進(jìn)一步濾出檢測(cè)過程中產(chǎn)生的高頻噪聲?？紤]到使用二階濾波電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且具有良好的頻率特性，因此采用了巴特沃斯低通濾波器進(jìn)行低通濾波，該濾波電路的截止頻率為23 Hz。其電路如圖4所示。信號(hào)通過該濾波器后，能有效地提高信噪比，抑制噪聲。

2．4 自動(dòng)增益電路
    信號(hào)經(jīng)過濾波以后，進(jìn)入自動(dòng)增益環(huán)節(jié)。自動(dòng)增益電路由同向比例放大電路構(gòu)成，其電路如圖5所示，與固定增益放大不同的是：在運(yùn)放的反向端和輸入端跨接的不是普通電阻，而是通過總線控制的數(shù)字電位器X9241，每片X9241內(nèi)置四個(gè)電位器，每個(gè)電位器由64個(gè)電阻串聯(lián)而成，通過數(shù)字接口控制電阻觸點(diǎn)的開關(guān)實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)端的滑動(dòng)，從而改變了反饋電阻的阻值，實(shí)現(xiàn)了反饋電阻64級(jí)可調(diào)。該環(huán)節(jié)克服了個(gè)體差異造成的血氧信號(hào)只通過固定放大倍數(shù)后影響了測(cè)量精度的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了了增益自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    血氧檢測(cè)模塊軟件包括A／D采樣和數(shù)據(jù)濾波、自動(dòng)增益調(diào)節(jié)、血氧飽和度計(jì)算，其流程圖如圖6所示。定時(shí)器每隔10 ms產(chǎn)生一次中斷控制發(fā)光二極管分時(shí)發(fā)光，然后對(duì)光信號(hào)進(jìn)行A／D采樣和數(shù)據(jù)處理，只要能測(cè)量出光電信號(hào)的交直流成份之比，就能計(jì)算出血氧飽和度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的無(wú)創(chuàng)血氧飽和度有效性，用該儀器與國(guó)際著名的BCI脈搏血氧監(jiān)護(hù)儀對(duì)20名實(shí)驗(yàn)人群進(jìn)行了血氧飽和度的對(duì)比檢測(cè)，圖7給出線性擬合曲線。這一對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：血氧值在94％～99％的范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)為0．989 5，說(shuō)明兩者測(cè)試結(jié)果基本相同，本檢測(cè)儀器能夠準(zhǔn)確反映血氧飽和度結(jié)果。

5 結(jié)論
    血氧飽和度是一項(xiàng)非常重要的生命體征指標(biāo)，在臨床監(jiān)護(hù)和搶救危重病人時(shí)具有重要參考作用。本文研制的血氧飽和度測(cè)量系統(tǒng)是基于C8051F020芯片，有效利用血紅蛋白對(duì)紅光與紅外光的吸收特性，并通過自動(dòng)增益控制解決了個(gè)體差異對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功耗小、成本低，為臨床測(cè)量提供連續(xù)有效的監(jiān)測(cè)信息，適用于臨床測(cè)量與研究，具有廣闊的應(yīng)用前景。