手指脈搏血氧飽和度光電檢測裝置的研制

錢建秋, 忻尚芝, 侯 文

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院,上海 200093)

1 血氧飽和度定義

血氧飽和度是人體新陳代謝的重要體征指標之一,也是人體呼吸系統和循環系統疾病診斷的重要生理參數,很多疾病的臨床表現都會引起人體相關組織和器官中的血氧飽和度變化,從而導致缺氧,甚至危及生命[1-4].所以,安全有效地檢測血氧飽和度非常重要.目前,血氧飽和度檢測多采用測量脈搏血氧飽和度SpO2是指動脈脈搏血液中已與氧結合的氧合血紅蛋白HbO2(Oxyhemoglobin)的容量占全部可結合的血紅蛋白(氧合血紅蛋白+還原血紅蛋白Hb(Hemoglobin))容量的百分率.

式中,CHbO2,CHb為脈搏血液中HbO2和Hb的容量.

本裝置采用非損傷的光電體積描記技術(PPG)測量SpO2,因為不需要采血,可避免感染,所以是一種安全可靠的檢測方法,并且檢測結果能及時得到,還能實現實時監測[5].

2 血氧飽和度檢測原理

人體血液中的氧合血紅蛋白HbO2和沒被氧合的還原血紅蛋白對于不同波長光的吸收系數是不同的.在波長600～700 nm的紅光R(red)范圍內,Hb的吸收系數比HbO2的大,而在波長800～1 000 nm的紅外光IR(infra red)范圍內,Hb的吸收系數比HbO2的小,在805 nm處兩者相同,如圖 1所示[6],k為吸光系數,λ為波長.由圖1可見,在紅光660 nm和紅外光940 nm處吸收系數差異較大,目前,均采用該波長附近的紅光和紅外光進行雙譜定量分析檢測.并且在紅光660 nm和紅外光940 nm附近,Hb和HbO2的吸收系數變化曲線都比較平坦,受二極管發光波長誤差的影響也較小,所以,本裝置采用R 660 nm和IR 940 nm兩種光源進行血氧飽和度的檢測.

圖1 還原血紅蛋白(Hb)和氧合血紅蛋白(HbO2)光吸收系數曲線Fig.1 Absorption spectra of Hemoglobin(Hb) and Oxyhemoglobin(HbO2)

血氧飽和度檢測的理論依據是郎伯-比爾定律(Lambert-Beer Law),即一束單色光垂直穿過某均勻溶液時,透射光強I與入射光強I0之間的關系為

式中,k為溶液吸光系數;C為溶液中吸光物質的濃度;d為穿過溶液的光程.

當溶液中吸光物質的濃度發生變化(ΔC)時,透射光強也將相應發生變化(ΔI),其相對變化量為

式中,ΔI對應透射光強的交流分量,I近似對應透射光強的直流分量.

對于HbO2和Hb的混合液

式中,C為HbO2和Hb的濃度和,即Hb的濃度為

分別用紅光R和紅外光IR作為光源,血氧飽和度分別為

由式(5)和式(6)消去C和d,得

因紅光和紅外光對氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的吸光系數是常數,式(7)中所有的k均為定值,所以,血氧飽和度測量問題最終歸結為測量交流信號和直流信號并計算其比值的問題,即先分別測量R和IR兩種波長的脈動分量與直流分量,得到比值ΔIIR/IIR和ΔIR/IR,進行標準化,再求出紅外光IR與紅光R的相對透光強度的比值由式(7)可計算出脈搏血氧飽和度SpO2的值.

3 設計方案

3.1 系統結構框圖

系統框圖如圖2所示,包括信號采集光電傳感器、信號控制與處理電路、通訊和輸出顯示電路.

圖2 系統結構框圖Fig.2 Block diagram of hardware setup

傳感器電路包括紅光和紅外光發射和接收電路、發光二極管LED驅動電路、電流電壓(I/V)轉換電路.交替發出的紅光或紅外光透過手指被光電二極管接收,經I/V電路轉換為電壓信號v輸出到后繼信號處理電路.為提高信噪比,由單片機MCU通過數模轉換端口DAC0自動調節紅光或紅外發光二極管的發射光強,使對應的PIN光電二極管電流轉換的電壓信號v達到最大,而且不失真.由于動脈血的脈動作用,該電壓信號v是由較大的直流分量V和較小的交流分量Δ V組成的.對于直流分量V,單片機在數據處理時只需將v通過ADC(數模轉換)獲取的數據取平均值即可;對于交流分量ΔV,為保證精度,由單片機將v與通過數模轉換端口DAC1送出的直流分量V相減,將得到的交流分量ΔV經適當放大再送入ADC轉換,然后由單片機進行有效值計算.

3.2 電路原理圖

電路原理圖如圖3所示,因系統信號處理和控制需要模數轉換器ADC、數模轉換器DAC和信號放大器,且對速度和分辨率有一定的要求,對軟件處理的速度也有一定要求,所以,采用C8051F006單片機MCU作為系統控制、處理與傳輸的核心,其內核CIP-51在復雜指令集計算機CISC結構及指令系統不變的基礎上實現其大部分指令僅使用1～2個時鐘周期,大大加快了單片機的運行速度,使其指令執行速度峰值可達25 MIPS,并且其內部集成了兩個12位高速D/A轉換器,一個9通道12位高速A/ D轉換器(100 ksps),一個可編程放大器(×16,×8, ×4,×2,×1,×0.5).模擬輸入端可配置為獨立的單端輸入,也可配置為差分輸入對.系統處理的結果可直接由液晶顯示器顯示,也可通過RS232串口輸出或送上位計算機PC進行處理和實時監測等.

圖3 電路原理圖Fig.3 Schematic illustration

發光二極管驅動電路由三極管T1、T2和T3等器件組成,其中,T1、T2組成兩電子開關,在兩控制信號P1.6和P1.7作用下,控制兩發光二極管R LED和IR LED交替發光.T3、R5和 R6組成電壓電流(V/I)轉換,由DAC0輸出的電壓控制兩發光二極管R LED或IR LED輪流發光時的電流大小.

光電二極管及I/V轉換電路采用光電集成器件OPT101,它集成有光電二極管器件和I/V轉換電路,由于都集成在內部,所以,光電器件與I/V轉換電路具有良好的匹配和信噪比.

3.3 單片機程序編制

主程序和定時器T3的溢出中斷處理程序流程圖如圖4所示(見下頁).

單片機內部相關資源的配置為:模擬信號輸入端口AIN0配置為獨立的單端輸入,AIN2、AIN3配置為差分輸入對,可編程放大器PGA增益在單端輸入(AIN0)時配置為1,用于測總量v,可編程放大器PGA增益在差分輸入對(AIN2、AIN3)時配置為16,用于測交流分量Δ V;定時器T3的溢出時間定為2 ms,并使能溢出中斷,用于交替驅動兩發光二極管R LED和IR LED工作,控制輸出DAC0更新相應的發光二極管發光功率,從AIN0或AIN2、AIN3讀取相應模擬量值并由單片機進行相關數據處理.

3.4 程序運行界面

在PC機上運行程序的測量界面截屏如圖5所示(見下頁).圖5中上半部分界面顯示由R和IR兩種光源檢測到的在線血液脈搏波形,斷點處為掃描點;下半部分界面顯示的是檢測過程中電路主要節點處信號模擬顯示條,分時驅動的紅光、紅外光透過手指被光電二極管接收的信號和經前置放大后送入單片機系統做進一步數據處理的信號,便于監控和調節.最終顯示了被檢對象血氧和心率的輸出值.因為,由脈搏波能非常容易地得到心率值,所以,把心率也顯示在檢測界面上,以便了解被檢對象在血氧檢測過程中的心率變化情況.

圖4 主程序和中斷處理程序流程圖Fig.4 Program flow chart of main and Interrupt of timer 3

圖5 血氧飽和度檢測系統PC運行界面Fig.5 Computer screen of SpO2detection device

4 結束語

本文設計了基于單片機C8051F006系統的手指脈搏血氧飽和度檢測系統的硬件電路和軟件程序,并設計了基于OPT101光電集成電路的指夾式光電傳感器,經計算機實時調試檢測,信號可靠、穩定,表明設計的合理性.這種用于手指的小型便攜式血氧飽和度檢測裝置在醫院和家庭的檢測和監護中具有非常廣闊的應用前景.進一步的研究將與臨床結合,完成該血氧飽和度檢測系統測量值的精確標定,以達到醫學測量的精準度要求.

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