基于CMOS影像傳感器的血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)

1 引言

動脈血氧飽和度是反映人體呼吸功能及氧含量是否正常的重要生理參數(shù)。

目前，監(jiān)護用脈搏血氧飽和度測量儀普遍采用塑料指夾套保持手指與發(fā)光管的穩(wěn)定接觸并起到屏蔽外界光的作用，紅光與紅外光兩個發(fā)光二極管交替發(fā)光，光敏二極管感受透射或反射光強并將其轉化為電流量輸出。其便于操作和非介入式的優(yōu)點，已經使其基本上取代了通過有創(chuàng)傷的體外采血測量血氧飽和度的方法，而成為一種不可缺少的監(jiān)護診斷設備，在新生兒生理參數(shù)監(jiān)測、手術、麻醉等臨床實踐中得到廣泛的應用。

除了對人體內氧缺失的監(jiān)測外，一些研究發(fā)現(xiàn)脈搏血氧飽和度監(jiān)測儀亦可用于對微小組織的健康及發(fā)育情況進行檢測，其對血液灌注的敏感顯示了監(jiān)測血管外圍疾病的能力。此外，另一個潛在的應用領域是在對壓傷、潰瘍等傷口診斷、病變的提前預測等場合。據此，本文提出了一種基于CMOS影像傳感器的脈搏血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)，用CMOS傳感器陣列取代了傳統(tǒng)血氧儀中的光敏探測，實現(xiàn)了血氧飽和度及脈搏波的無接觸測量，并闡述了其在組織發(fā)育、傷口診斷、病變的提前預測等場合的潛在應用價值。

2 無創(chuàng)血氧飽和度測量理論基礎

無創(chuàng)脈搏血氧飽和度測量是以郎伯-比爾定律為基礎，利用近紅外光譜吸光光度測量原理，由于血液中不同成分對同一種光線的吸收率各不相同，通過測量穿過血液的不同光線的衰減程度可以換算出血液中不同成分的含量。

當波長為λ的入射光射入厚度為D的均勻組織時，入射光I0與透射光I的關系為

假設E1，C1分別表示動脈血液巾HbO2的吸光系數(shù)和濃度；E2，C2分別表示動脈血液中Hb的吸光系數(shù)和濃度。L表示動脈血液的光路長度，則由式(2)可得動脈血液的吸光度

假設均勻組織的吸光度不變，當動脈血脈動時，透射光路L將會有一個△L的改變，此時透射光強I將有一個△I的改變，則吸光度A的改變△A為

為了消除式(5)中C1+C2和△L兩個參數(shù)，采用另一路波長為λ的單色光對手指組織同時照射，可得

式中Ω=△E′／△E。

由于在紅光譜區(qū)(600～700 nm)氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的吸收差別很大，而在紅外光譜區(qū)(800～1000 nm)其吸收差別較小，在805 nm左右為等吸收點。如圖1所示。

由圖可知當波長為805 nm時，將式(3)代入，式(6)可簡化為

只要測定兩路透射光最大光強I′max，Imax以及由于脈搏搏動而引起的透射光強最大變化量△I′max，△Imax，代人式(7)即可計算得到動脈血液的血氧飽和度。

3 血氧儀組成及工作原理

基于影像傳感器的無創(chuàng)脈搏血氧飽和度測量原理如圖2所示。

3.1 MSP430微處理器與ET21X110A影像傳感器

設計的脈搏血氧飽和度檢測系統(tǒng)采用的是TI公司生產的MSP430149單片機，該單片機是美國TI公司最新推出的MSP430系列超低功耗混合信號16位單片機的一種。它采用RISC精簡指令集，125 ns指令周期，片內含有硬件乘法器，大大節(jié)省了運算時間。該芯片采用低功耗設計，1.8～3.6 V的供電電壓，在2.2 V電壓32 kHz晶振系統(tǒng)中工作電流7μA，在2.2 V電壓，1 MHz晶振系統(tǒng)中工作電流250μA。該單片機功耗極低而且外圍模擬電路模塊十分豐富，因此非常適合于設計微型化、低功耗產品。

由中國臺灣義統(tǒng)電子有限公司設計的ET21X110A是一款內含CMOS影像傳感陣列、信號處理電路和8位微控制器的集成傳感芯片，具有集成度高、價格低、功耗低和體積小的優(yōu)點，可工作在行掃描成像輸出模式和等效亮點輸出模式，一幀圖像掃描時間為3.5～4 ms(外接3.58 MHz晶振)。

3.2 系統(tǒng)工作原理

單片機控制760 nm紅光及880 nm紅外光兩個單色發(fā)光管對手指組織進行交替照射，觸發(fā)脈沖同時激勵CMOS傳感器采集手指透射圖像，系統(tǒng)驅動時序如圖3所示，由此采集圖像的間隔幀反映每個發(fā)光管的透射光強。傳感器以60幀／s的速度采集手指光強圖像，在保證合適的數(shù)據解算血氧飽和度和脈率的情況下，也使影像傳感器有足夠的時間將數(shù)據處理與傳輸。傳感器通過串口直接與PC機相連，采用MATLAB軟件對圖像進行處理分析，計算出脈率及血氧飽和度。

4 結 語

在大量實驗基礎上，本文所設計的血氧飽和度樣機較傳統(tǒng)的血氧儀測得的飽和度值偏低，誤差偏大，主要原因在于，傳統(tǒng)的血氧儀有效地屏蔽了外界光源噪聲的干擾，而攝像頭則同時暴露在近紅外發(fā)光管與外界光源中。此外，傳統(tǒng)的血氧儀還采用查表法及大量的經驗參數(shù)校正來減少誤差。

為提高靈敏度并減少誤差，進一步可采用在兩個發(fā)光管均不觸發(fā)的情況下采集圖像，通過相減來削弱外界光源的干擾。此外，為使系統(tǒng)可以成功的應用于傷口診斷，反射式系統(tǒng)的開發(fā)也將成為必然。