三波長血氧飽和度測量儀的研制

1、 導師：周山宏 高工答辯人：林政劍電子科技大學生命科學與技術(shù)學院1 課題背景、研究意義和血氧儀的發(fā)展2 血氧飽和度測量的光學理論基礎(chǔ)3 低血氧儀系統(tǒng)的研制4 干擾信號的處理方法分析5 結(jié)論和展望l1.1 血氧飽和度（SaO2）的概念 lSaO2(HbO2Hb) 100lHb=Hb+HbO2+COHb+MetHb l SaO2（HbO2HbO2+Hb）100l檢測動脈血中的氧含量，是判斷人體呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)是否缺氧的重要指標。血氧監(jiān)護在臨床麻醉手術(shù)新生兒和危重病人監(jiān)護應用中為醫(yī)生提供了直接快速有效的臨床依據(jù)，在腦外科新血管外科及新生兒早產(chǎn)兒監(jiān)護等領(lǐng)域有著重要的意義。l1932年，Nicolai

2、和Kramer兩位科學家研制出接近現(xiàn)代使用的脈搏血氧飽和度測量儀。l1935年，Matthes研制了第一個雙波長的耳部血氧測量探頭，可以實現(xiàn)脈搏血氧飽和度的測量，不過這種設(shè)備測量緩慢，需要頻繁校準而且不能區(qū)分動脈和靜脈血流。l 1942年，MilliKan使用一個加溫的耳部探頭的脈搏血氧飽和度測量儀，用在飛機上對飛行員測量。l1949年，Wood設(shè)計的脈搏血氧飽和度測量儀將耳部的血液擠走以獲得絕對零點來改進測量精度，這種設(shè)備光源穩(wěn)定性要求高，每次測量需要繁瑣調(diào)整，因而沒有得到廣泛應用。l 1964年，Shaw設(shè)計了一種八波長的自身調(diào)整的耳部血氧計，優(yōu)點是避免了繁瑣的調(diào)整，從650nm到1050

3、nm的八個光波，但該設(shè)備體積較大，結(jié)構(gòu)復雜，容易損壞而且價格昂貴。l1972年，日本人Aoyagi用紅光和紅外光穿過測量部位中脈動的動脈血管，可以直接計算出脈搏血氧飽和度,采用發(fā)光二極管減少了血氧探頭的體積，投入到了商業(yè)應用中。l1974年，日本的青柳卓雄等人發(fā)表了脈搏血氧計測試法原理，第一臺脈搏血氧飽和度測量儀OLV5100問世。l1982年，Nellcor研制出一種性能更好的脈搏血氧計N-100，并形成了一種標準模式，系利用發(fā)光二極管做為光源，硅管作為光傳感器，微型計算機進行信息處理，從而使脈搏血氧飽和度測量儀進入了新時代。l90年代以后，基于雙波長的各種血氧計不斷研制出來，脈搏血氧飽和度

4、測量儀已經(jīng)在臨床實踐上得到了廣泛的應用，成為一種不可缺少的臨床診斷設(shè)備。 l2.1 Lambert-Beer定律定律l透光率 T=It/I0l吸光度 A=- logT = bclLambert-Beer定律 光脈搏容積波Hb和HbO2的吸光系數(shù)曲線dccodccIFII2211221110100dccIIA)(log22110 （2-1） （2-2） dccIIIIIIIIA221100logloglog （2-3） dccIIIAE2211log10lnlogmaxmaxmaxmaxmaxIIIIIE （2-4）21221212112dccEcccSaO （2-5）10lnmaxmaxIIE

5、 （2-6） 21221212112dccEcccSaO (2-7)1212222/EEEESaO (2-8)bEEkEESaO1221222/ (2-9)bkRbIIIIkSaOmaxmaxmaxmax2/ （2-10）發(fā)射光波長660nm和940nm 發(fā)射光波長735nm和890nm 圖2-9 光平均穿透深度曲線圖2-10 相對路徑變化曲線l用595nm、 735nm 、890nm三個波長的光來測量，相當于用兩組雙波長（每組波長中都需要有兩種血紅蛋白吸光系數(shù)近似相等的波長的光，公式（2-10）才能成立）光的測量值取了一次均值。對595nm和890nm兩種波長的光，利用公式（2-10）得Sa

6、O2=k1R1 +b1,同理對735nm和890nm可得SaO2=k2R2+b2l最后 SaO2 =（k1R1+b1）+（k2R2+b2)/2l =AR1+BR2+C圖2-11 6001000nm段HbO2吸光系數(shù)曲線圖2-12 600-1000nm段脈動與非脈動光強比值曲線圖2-13 450-600nm段HbO2吸光系數(shù)曲線圖2-14 450-600nm段脈動與非脈動光強比值曲線l3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計圖3-1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖l江蘇穩(wěn)潤光電有限公司生產(chǎn)的JY-5143UYC，JY-3024HD，JY-3024IRC型號三種發(fā)光二極管和JY2017PDB型號的光敏二極管。三個發(fā)光二

7、極管鑲嵌在一塊黑色小泡膜板上，發(fā)光二極管管頂成正三角形，邊長為5mm，光敏二極管嵌在另外一塊黑色小泡膜板上，兩塊泡膜板略下凹成弧形，再用粘合劑把兩塊小泡膜板分別粘在手指夾套的兩面上，光敏二極管光接收窗口正對準正三角形的中心，三個發(fā)光二極管略向正三角形的中心傾斜，保證發(fā)光二極管管頂能對準光敏二極管光接收窗口。 譯碼器 Atmel公司生產(chǎn)的AT89C52單片機性能良好，價格低廉。 選用的A/D轉(zhuǎn)換器件8位ADC0809是作為外部數(shù)據(jù)存儲器來使用的。采用硬件譯碼器SN7447。單片機處理后的十進制BCD數(shù)09，通過單片機P1.0P1.3口送到譯碼器輸入端A、B、C、D，輸出端就可以輸出字符的“段碼”

8、，且自帶驅(qū)動，可直接連接數(shù)碼管。 圖3-5 電源供電電路原理圖圖3-6 光電檢測電路圖3-7 截止頻率為40Hz的二階低通濾波器圖3-8 截止頻率為0.1Hz的二階高通濾波器0.22u1K10K200K3261874OP-070.22u400K10K10K3261874OP-07l語言環(huán)境簡介l本系統(tǒng)程序使用編寫51匯編語言。l開發(fā)系統(tǒng)簡介圖3-10 WF-2000/L+的集成開發(fā)環(huán)境l在一個心動周期，大約0.8秒時間內(nèi)，控制 595nm、 735nm 、890nm三種波長光周期性發(fā)光，發(fā)光時間為72us，每隔4ms啟動一個發(fā)光管發(fā)光，保證一個周期內(nèi)采樣100次，測出三種波長光的透射光強對應的

9、最大電壓和最小電壓值，進而求出各自最大電壓和最小電壓差值與最大電壓值的比值k1、 k2、k3，然后再求出k1與k3之比值R1和k2與k3之比值R2 。圖3-11 主程序流程圖圖3-12 中斷服務(wù)程序流程圖lprotel 軟件進行PCB版圖設(shè)計的基本步驟：調(diào)入元件封裝；布局；布線；電氣檢查。PCB電路設(shè)計和制作完成后，采用Tektronix公司的TDS3032數(shù)字示波器進行硬件調(diào)試，從硬件電路提取的脈搏波信號 。圖3-13 脈搏波信號l系統(tǒng)設(shè)計完成后，根據(jù)公式SaO2=A R1+BR2+C 對儀器進行定標。即確定公式中的系數(shù)AB和C。l為了創(chuàng)造對儀器進行定標的低血氧條件，實驗時每個人用橡皮筋稍微

10、扎緊食指并憋氣20-30秒鐘的時間，讓食指短時處于低血氧狀態(tài)，對每個實驗對象通過單片機測出對應的R1和R2的值 。l通過求解方程組的方法得到公式中的定標系數(shù)。l SaO2=109.35-8.56 R1-6.97R2 l本血氧儀由于采用了三種波長的光作為測試光波，作為定標依據(jù)的參量有兩個，比雙波長血氧儀新增了參量R1，由于R1的值較大，在一定程度上增大了儀器的檢測靈敏度。l影響測量精度的因素 l血流灌注小的影響;手指插入的深度和方向;監(jiān)測部位受壓;環(huán)境光線太強l干擾信號的處理方法l削弱背景光l傳感器密閉系統(tǒng),保證傳感器不透光,即密閉法 l自準信號抵消環(huán)境光變化的影響，即電氣補償法 l防止電磁干擾

11、和工頻干擾的方法 采用接地性好、導電性好磁導率高、封閉性好的屏蔽材料對電路進行包裹形成封閉的屏蔽體，屏蔽體通過對電磁波的反射和吸收, 屏蔽輻射干擾源所產(chǎn)生的電場和磁場分量。l消除運動偽差和降低運動噪聲 身體的運動會造成血液充盈狀況、光路徑長度等因素發(fā)生變化 l理論上全面闡述了低血氧飽和度的測量原理和方法。l提出了用三個發(fā)光波長（595nm 、735nm、 890nm）作為測試光波長的算法，可以提高低血氧飽和度的測量精度。突破了傳統(tǒng)上只使用600 nm以上的光作為測試光波長。l完成了基于51單片機的性價比高的硬件電路的設(shè)計和制作。l用51匯編語言完成了從信號采集、處理到顯示全部源程序的編制。l本血氧儀需要進一步改進的方向：一方面，傳感器的制作還需要更精密設(shè)計，選