透射式脈搏血氧飽和度檢測系統的設計與實現

劉婷 ，黃明，叢茂檸

1.江蘇省中西醫結合醫院 設備科，江蘇 南京 210028；

2.江蘇聯合職業技術學院南京護理分院 醫電教研組，江蘇 南京 210038

0 前言

人體的新陳代謝過程是生物氧化過程，而新陳代謝過程中所需要的氧（O2）是通過呼吸系統進入人體血液，與血液紅細胞中的血紅蛋白（Hb ）結合成氧合血紅蛋白（HbO2），再輸送到人體各部分組織細胞中去。在全部血液中，被氧結合的HbO2容量占全部可結合容量的百分比稱為血氧飽和度（SaO2）。監測動脈SaO2可以對肺的氧合和血紅蛋白攜氧能力進行估計。

目前，SaO2的測量分為電化學法和光學法兩類：

傳統的電化學法SaO2測量要先進行人體采血（最常采用的是取動脈血），再利用血氣分析儀進行電化學分析，在數分鐘內測得動脈氧分壓（PaO2），并計算出動脈PaO2。化學法的優點是測量結果精確可靠，缺點是不能進行連續的監測，是一種有損傷的血氧測定法。

光學法是一種連續無損傷血氧測量方法，可用于急救病房、手術室、恢復室和睡眠研究中。目前采用最多的是近紅外雙波長透射式脈搏血氧測定法。

1 基本原理

透射式脈搏SaO2測量基于動脈血液、因脈動對光的吸收量產生變化的原理。以指端作為檢測部位，當光透過這些部位時，非動脈組織（皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等）對光的吸收恒定不變，為直流信號（DC），而動脈血脈動時，吸光度產生與之對應的變化量△A，為交流信號（AC）。當用兩種特定波長的恒定光λ1、 λ2照射手指時，運用Lambert-Beer定律并根據血氧飽和度的定義，可推出血氧飽和度的近似公式：

其中，R為兩波長光吸收度變化的比值，A、B為常數，與儀器硬件結構、測量環境有關[1-2]。

很多研究論著中有論證，根據Hb和HbO2的光譜響應特征，一般選取660 nm的紅光和940 nm的紅外光作為入射光。目前，大量的醫學實驗總結出接收到紅光和紅外光的交流部分與直流部分的經驗公式[3]：

本系統的主要任務即采集到紅光、紅外光的交、直流信號，獲得R值后計算出SaO2。

2 設計思路

采用AT89C51單片機產生發光時序脈沖，控制透射式血氧飽和度傳感器發射檢測信號，經過人體組織后，由于組織對光的吸收和散射作用，在入射光對側由檢測元件OPT301檢測透射光信號，模擬開關CD4066將紅光和紅外信號分離后，對信號進行放大、濾波處理，將分別代表紅光直流量、紅光交流量、紅外光直流量、紅外光交流量的4路信號送入ADC0809模數轉換電路，轉換后的數字信號由AT89C51單片機計算處理，對最后得到SaO2值用LCD顯示。系統原理框圖，見圖1。

3 系統設計與實現

3.1 時序控制電路

時序控制電路有3個作用：① 產生控制紅光和紅外光的時序信號；② 產生控制環境光的脈沖信號；③ 產生控制分離紅光和近紅外光的同步檢測信號。

利用單片機定時/計數器T0的定時功能（工作方式1），使P1.0輸出1kHz的方波，經D觸發器分頻和與門，產生紅光和紅外光的時序信號和控制環境光的脈沖信號。

實現過程：AT89C51單片機的振蕩頻率為12 MHz，T0定時器采取工作方式1，計算出定時初值為FE0CH，并修正為FE12H，從P2.6口輸出1 kHz頻率的方波脈沖。通過74LS74分頻和74LS08與門，產生發光驅動信號，見圖2。

為了控制環境光對系統的干擾，時序控制電路產生的驅動信號，將實現依次紅光、環境光、紅外光、環境光為一周期的發光時序，以便于后續電路處理。

3.2 光傳感器

3.2.1 發光電路

采用H橋驅動發光，具體電路，見圖3。

輸入分別接時序控制電路產生的紅光驅動信號和紅外光驅動信號。圖中用信號發生器模擬紅光驅動信號，運行后，Q6導通 ，然后Q1和Q5也導通，電源通過Q1的集電極加到紅光管的陽極，使其導通點亮；類似地，紅外光二極管由紅外光驅動信號控制發光[4]。按照紅光、環境光、紅外光、環境光的發光時序，在兩個發光二極管均熄滅時，檢測電路接收到的是環境光帶來的干擾信號，從紅光和紅外光信號中將其減去，可以提高信噪比。

以上電路參數對應發光二極管的正向壓降約1.66 V，電流值要達到5 mA才會發光，具體通過可變電阻調節，保證發光二極管工作在安全范圍內和適宜的發光強度。

3.2.2 OPT301檢測電路

透過指端的光信號經過光電二極管檢測后，需要進行電流/電壓轉換和放大，傳統的分立設計往往存在漏電流誤差、混入噪聲和雜散電容引起的增益尖峰等難以克服的缺陷，美國BURR-BROWN公司生產的OPT301將光電二極管和放大器集成在同一塊芯片上，最大程度地消除了這些不利因素。

OPT301是一種集光電二極管與電流/電壓轉換放大于一體的光電集成器件。其中，電流/電壓轉換放大器由精密的場效應管輸入運算放大器和片內金屬薄膜電阻組成；受光面積為0.09英寸×0.09英寸的光電二極管在零偏下具有很好的線性和很低的暗電流，其靜態工作電壓為400μV。當入射光為650 nm時，靈敏度為0.47 A/W，暗電流誤差2 mA，帶寬4 kHz。OPT301內部有1 MΩ的反饋電阻，可以直接將1μA光電流轉變為1V的電壓輸出。OPT301工作時的基本電路連接，見圖4。

3.3 信號分離濾波

3.3.1 信號分離

OPT301的輸出信號里同時含有紅光和紅外光的透射光信號，在進行放大濾波前需將兩個波長信號分離。采用CD4066模擬開關，CD4066內部有4個獨立的模擬開關，每個模擬開關有輸入、輸出、控制3個端子。

實現過程：將紅光和紅外光驅動信號分別連接CD4066的兩組控制端口，獲得與發光電路一樣的時序。這樣，將紅光和紅外光信號分離后，分別進行濾波處理獲取光信號中的直流、交流成分。

3.3.2 放大濾波

對紅光透射信號、紅外光透射信號低通濾波得到直流成分，帶通濾波得到交流成分。考慮到ADC0809的輸入電壓范圍0～5 V，先將信號放大到符合ADC0809的輸入要求，然后濾波處理。無源濾波器輸入阻抗小，且不能對信號進行放大，因此本系統采用有源濾波器。

50 Hz陷波實現：在信號傳送過程中，50 Hz交流電勢必造成工頻信號干擾，為此設計的50 Hz陷波器及電路參數，見圖5。

低通濾波實現：二階低通濾波器對截止頻率以下的信號沒有衰減，對截止頻率以上的信號衰減明顯，而一階低通濾波器對截止頻率以下的信號衰減不明顯，因此采用二階低通濾波器，用100 Hz的交流信號模擬0PT301的輸出。低通濾波電路設計，見圖6。

二階低通濾波，R1=R2=400 kHz，C1=C2=47μF，所得截止頻率濾波效果，見圖7。

帶通濾波實現：對透射信號中的直流成分，首先經INA128放大器差分放大，抑制共模信號，然后帶通濾波。帶通濾波電路設計，見圖8。由低通濾波、高通濾波和同相放大器組成，且低通濾波截止頻率大于高通濾波截止頻率。取中心頻率f0=10 Hz ，通帶寬度為20 Hz，C1=C2=C=1μF，R1=R5=R=15.92 kHz，R2=2R=31.84 kHz。為保證運放的穩定性，R4與R2取值相同。

3.4 A/D轉換

系統采用ADC0809與AT89C51匹配采集光電信號。ADC0809工作時序：① ALE的上升沿讀取通道號；②START上升沿ADC內部清零，下降沿啟動A/D轉換；③OE為高電平單片機可以讀取轉換好的數字信號。

考慮到AT89C51并無外擴RAM或I/O口，將ADC0809作為單片機的外擴RAM單元直接連接[5]，連接方式，見圖9。ADC0809數據輸出直接與單片機P0口相連，ADDC接地，ADDB、ADDA分別接P0.1、P0.0。單片機的ALE經CD4013觸發器四分頻后連ADC0809的CLOCK，提供正常工作時鐘脈沖；單片機P2.7腳或非后連START和ALE，可同時讀取輸入通道號和啟動A/D轉換； 與P2.7腳或非后連ADC0809的OE，EOC信號經或非后與單片機相連，開啟中斷[3]；編程時，通過MOVA，#0FCH送通道地址MOVX @R0，A；開啟A/D轉換，MOVX A，@R0讀取轉換數字量。此部分主要代碼[6-9]：

ORG 00H

SJMP MAIN ;進主程序

ORG 0BH

LJMP DATA_CONVENTER ;進中斷

MAIN:SETB EA ;INTO中斷使能

SETB EX0

MOV R2,#4 ;4個通道

MOV R1,#30H ;存儲空間、ADC地址初始化

CLR P2.7

MOV R4,#0FCH

AD_OPEN:MOV A,R4 ;選擇IN0通道

MOVX @R0，A ;開啟A/D轉換，一次轉換僅100μs左右，很快跳入中斷

DATA_CONVENTER:MOVX A，@R0 ;讀轉換結果

MOV @R1,A

INC R1

INC R4

DJNZ R2,AD_OPEN

RETI

END

3.5 單片機算法設計

3.5.1 R值計算

從ADC0809讀取的紅光、紅外光交直流成分存入單片機30H～33H單元，根據經驗公式(1)計算。理論上，無論是紅光還是紅外光，透射光中的交流成分遠小于直流成分，若編程直接進行3次除法運算，會出現錯誤結果，且單片機錯判為非法運算導致無法求出R值，因此轉化成兩次乘法、一次除法運算。仿真結果證明算法可行。

3.5.2 LCD顯示

采用LCD1602進行系統結果顯示。單片機P1口接LCD1602的D0～D7，P2.0、P2.1、P2.2分別連接LCD1602的RS、RW、E端。單片機模塊連接，見圖9。

4 討論

本系統各部分的設計，在虛擬仿真中得到理想的論證。系統引用光電集成塊OPT301和50 Hz陷波器設計，增強了系統的抗干擾能力。由于系統采用經驗公式計算脈氧值，可能產生兩方面的誤差：一是個人末梢指端的生物組織成分不單一，各成分對光的散射、吸收不同，A、B值會不同；二是硬件結構的不同也會影響A、B值。為消除硬件結構對A、B值的影響，確保檢測結果的準確，可以在現有硬件結構基礎上，通過建立標準定標曲線來修正經驗公式中的A、B值。這將在后續的研究中進一步完善。

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