無創(chuàng)血氧飽和度檢測儀的設(shè)計

摘要：介紹了無創(chuàng)血氧飽和度測量原理，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人體組織血氧飽和度。系統(tǒng)采用單片機C8051F020為核心，設(shè)計了無創(chuàng)血氧飽和度檢測儀的各硬件部分和軟件流程圖，并通過可控數(shù)字電位器替代了傳統(tǒng)的反饋電阻實現(xiàn)了增益自動調(diào)節(jié)，克服了個體差異造成的血氧信號只通過固定增益影響了測量精度的缺點。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，功耗小，成本低，為臨床測量提供連續(xù)有效的監(jiān)測信息，適用于臨床測量與研究，具有廣闊的應用前景。
關(guān)鍵詞：近紅外光譜；血氧飽和度；自動增益；C8051F020

0 引言
    氧是維持人體組織細胞正常功能、生命活動的基礎(chǔ)。人體的絕大多數(shù)組織細胞的能量轉(zhuǎn)換都是在氧的參與下完成的。所以，實時監(jiān)護人體組織中氧的代謝及運輸過程，可以間接獲得細胞的代謝狀態(tài)，在生命科學的研究領(lǐng)域有重要的意義。
    要了解人體組織中氧的代謝及運輸過程，即掌握動脈血管內(nèi)的血氧運輸代謝情況，人們通常采用兩種有效實用的方法。第一種方法：直接采集人體動脈血樣進行血氣分析。它包括血液的pH，PO2，PCo2的測定值，還包括經(jīng)計算求出的血氧飽和度等參數(shù)，但這種方法是有創(chuàng)測量，且對血液標本采集有一些限制要求，不能作為實時監(jiān)護的方法。第二種方法：利用無創(chuàng)血氧測量技術(shù)來檢測動脈血氧飽和度。它是利用近紅外光在組織中血紅蛋白氧合狀態(tài)不同時具有獨特的光吸收譜特征來檢測組織血氧飽和度。
    傳統(tǒng)的無創(chuàng)血氧儀器通過光電檢測傳感器采集透射過血液組織中脈動光強信號，經(jīng)過固定增益放大和濾波后送入單片機進行數(shù)據(jù)處理得出血氧飽和度值。本文設(shè)計了基于C8051F020單片機配合可控數(shù)字電位器實現(xiàn)增益自動調(diào)節(jié)的無創(chuàng)血氧飽和度測試儀，解決了個體差異對血氧信號的影響，有效地提高了血氧飽和度的精度。

1 檢測原理
    無創(chuàng)血氧飽和度的檢測原理是根據(jù)Beer-Lambert定律，引出分光光度法進行物質(zhì)定性分析和定量分析。根據(jù)這個理論基礎(chǔ)，由氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白對不同波長色光的吸光度不同和血氧飽和度的定義，推導出動脈血管中的血氧飽和度計算公式。
    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I與溶液諸參數(shù)的關(guān)系是：
   
    式中：E表示該溶液對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，當動脈血脈動時，D將有一個△D的改變，此時透射光I也將有一個△I的改變，此時吸光度A的改變△A為：
    △A=ln[I／(I-△I)]=EC×△D     (3)
    根據(jù)醫(yī)學定義，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的交直流成份之比，由以上表達式再根據(jù)數(shù)學變換，當有兩路光源透射過手指后最終可以推出血氧飽和度的計算表達式為：
   
    式中：Ei表示不同物質(zhì)的吸光系數(shù)，對于一定波長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數(shù)為：
   
    只要測量出色光光電信號的交直流成份之比△W’／△W與標準血氧計測量的血氧飽和度，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)驗公式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    根據(jù)血氧飽和度的測量原理，基于C8051F020單片機的血氧飽和度測量儀的組成結(jié)構(gòu)參見圖1。該系統(tǒng)的基本工作過程是由單片機產(chǎn)生的時序控制信號，交替驅(qū)動兩個光二極管分時照射手指，將光電接收器輸出的信號通過放大濾波處理后送入單片機進行數(shù)據(jù)處理并計算出血氧飽和度。

2．1 探頭電路
    無創(chuàng)血氧飽和度的探頭是由兩個不同波長(紅光、紅外光)的發(fā)光二極管、一個光電接收器組成。探頭部分的電路如圖2所示。C8051F020單片機產(chǎn)生時序控制信號，交替驅(qū)動紅光和紅外光二極管作為測量信號。由于紅光和紅外光是分時驅(qū)動的，所以測量信號可以共用同一信號通道進行放大和濾波，而不會相互產(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轉(zhuǎn)換成與透射光強成正比的電壓信號，由于實際檢測的光電流很小，反饋電阻大小取20MΩ，同時兩端并聯(lián)一個小電容形成積分電路，可以進一步減小輸入電流噪聲。實際電路如圖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送出的血氧信號通常帶有不同程度的高頻干擾，需要進行低通濾波進一步濾出檢測過程中產(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。信號通過該濾波器后，能有效地提高信噪比，抑制噪聲。

2．4 自動增益電路
    信號經(jīng)過濾波以后，進入自動增益環(huán)節(jié)。自動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)置四個電位器，每個電位器由64個電阻串聯(lián)而成，通過數(shù)字接口控制電阻觸點的開關(guān)實現(xiàn)滑動端的滑動，從而改變了反饋電阻的阻值，實現(xiàn)了反饋電阻64級可調(diào)。該環(huán)節(jié)克服了個體差異造成的血氧信號只通過固定放大倍數(shù)后影響了測量精度的缺點，實現(xiàn)了了增益自動調(diào)節(jié)的目的。

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

4 實驗結(jié)果
    為了檢驗所設(shè)計的無創(chuàng)血氧飽和度有效性，用該儀器與國際著名的BCI脈搏血氧監(jiān)護儀對20名實驗人群進行了血氧飽和度的對比檢測，圖7給出線性擬合曲線。這一對比實驗結(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，說明兩者測試結(jié)果基本相同，本檢測儀器能夠準確反映血氧飽和度結(jié)果。

5 結(jié)論
    血氧飽和度是一項非常重要的生命體征指標，在臨床監(jiān)護和搶救危重病人時具有重要參考作用。本文研制的血氧飽和度測量系統(tǒng)是基于C8051F020芯片，有效利用血紅蛋白對紅光與紅外光的吸收特性，并通過自動增益控制解決了個體差異對測量信號的影響，實現(xiàn)了對人體無創(chuàng)、實時監(jiān)測功能。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功耗小、成本低，為臨床測量提供連續(xù)有效的監(jiān)測信息，適用于臨床測量與研究，具有廣闊的應用前景。