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        透射式脈搏血氧飽和度檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

        2012-11-19 03:39:42劉婷黃明叢茂檸
        中國醫(yī)療設備 2012年12期
        關(guān)鍵詞:環(huán)境光通濾波紅外光

        劉婷 ,黃明,叢茂檸

        1.江蘇省中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院 設備科,江蘇 南京 210028;

        2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院南京護理分院 醫(yī)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(tǒng)進入人體血液,與血液紅細胞中的血紅蛋白(Hb )結(jié)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(jié)合的HbO2容量占全部可結(jié)合容量的百分比稱為血氧飽和度(SaO2)。監(jiān)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(tǒng)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(shù)分鐘內(nèi)測得動脈氧分壓(PaO2),并計算出動脈PaO2?;瘜W法的優(yōu)點是測量結(jié)果精確可靠,缺點是不能進行連續(xù)的監(jiān)測,是一種有損傷的血氧測定法。

        光學法是一種連續(xù)無損傷血氧測量方法,可用于急救病房、手術(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(jù)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(shù),與儀器硬件結(jié)構(gòu)、測量環(huán)境有關(guān)[1-2]。

        很多研究論著中有論證,根據(jù)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(yī)學實驗總結(jié)出接收到紅光和紅外光的交流部分與直流部分的經(jīng)驗公式[3]:

        本系統(tǒng)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(chǎn)生發(fā)光時序脈沖,控制透射式血氧飽和度傳感器發(fā)射檢測信號,經(jīng)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(cè)由檢測元件OPT301檢測透射光信號,模擬開關(guān)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(shù)轉(zhuǎn)換電路,轉(zhuǎn)換后的數(shù)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(tǒng)原理框圖,見圖1。

        3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

        3.1 時序控制電路

        時序控制電路有3個作用:① 產(chǎn)生控制紅光和紅外光的時序信號;② 產(chǎn)生控制環(huán)境光的脈沖信號;③ 產(chǎn)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(shù)器T0的定時功能(工作方式1),使P1.0輸出1kHz的方波,經(jīng)D觸發(fā)器分頻和與門,產(chǎn)生紅光和紅外光的時序信號和控制環(huán)境光的脈沖信號。

        實現(xiàn)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(chǎn)生發(fā)光驅(qū)動信號,見圖2。

        為了控制環(huán)境光對系統(tǒng)的干擾,時序控制電路產(chǎn)生的驅(qū)動信號,將實現(xiàn)依次紅光、環(huán)境光、紅外光、環(huán)境光為一周期的發(fā)光時序,以便于后續(xù)電路處理。

        3.2 光傳感器

        3.2.1 發(fā)光電路

        采用H橋驅(qū)動發(fā)光,具體電路,見圖3。

        輸入分別接時序控制電路產(chǎn)生的紅光驅(qū)動信號和紅外光驅(qū)動信號。圖中用信號發(fā)生器模擬紅光驅(qū)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(qū)動信號控制發(fā)光[4]。按照紅光、環(huán)境光、紅外光、環(huán)境光的發(fā)光時序,在兩個發(fā)光二極管均熄滅時,檢測電路接收到的是環(huán)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(shù)對應發(fā)光二極管的正向壓降約1.66 V,電流值要達到5 mA才會發(fā)光,具體通過可變電阻調(diào)節(jié),保證發(fā)光二極管工作在安全范圍內(nèi)和適宜的發(fā)光強度。

        3.2.2 OPT301檢測電路

        透過指端的光信號經(jīng)過光電二極管檢測后,需要進行電流/電壓轉(zhuǎn)換和放大,傳統(tǒng)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(chǎn)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(zhuǎn)換放大于一體的光電集成器件。其中,電流/電壓轉(zhuǎn)換放大器由精密的場效應管輸入運算放大器和片內(nèi)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(tài)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(nèi)部有1 MΩ的反饋電阻,可以直接將1μA光電流轉(zhuǎn)變?yōu)?V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(guān),CD4066內(nèi)部有4個獨立的模擬開關(guān),每個模擬開關(guān)有輸入、輸出、控制3個端子。

        實現(xiàn)過程:將紅光和紅外光驅(qū)動信號分別連接CD4066的兩組控制端口,獲得與發(fā)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(tǒng)采用有源濾波器。

        50 Hz陷波實現(xiàn):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(shù),見圖5。

        低通濾波實現(xiàn):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(xiàn):對透射信號中的直流成分,首先經(jīng)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(wěn)定性,R4與R2取值相同。

        3.4 A/D轉(zhuǎn)換

        系統(tǒng)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(nèi)部清零,下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換;③OE為高電平單片機可以讀取轉(zhuǎn)換好的數(shù)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(shù)據(jù)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(jīng)CD4013觸發(fā)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(zhuǎn)換; 與P2.7腳或非后連ADC0809的OE,EOC信號經(jīng)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(zhuǎn)換,MOVX A,@R0讀取轉(zhuǎn)換數(shù)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(zhuǎn)換,一次轉(zhuǎn)換僅100μs左右,很快跳入中斷

        DATA_CONVENTER:MOVX A,@R0 ;讀轉(zhuǎn)換結(jié)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(jù)經(jīng)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(xiàn)錯誤結(jié)果,且單片機錯判為非法運算導致無法求出R值,因此轉(zhuǎn)化成兩次乘法、一次除法運算。仿真結(jié)果證明算法可行。

        3.5.2 LCD顯示

        采用LCD1602進行系統(tǒng)結(jié)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(tǒng)各部分的設計,在虛擬仿真中得到理想的論證。系統(tǒng)引用光電集成塊OPT301和50 Hz陷波器設計,增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。由于系統(tǒng)采用經(jīng)驗公式計算脈氧值,可能產(chǎn)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(jié)構(gòu)的不同也會影響A、B值。為消除硬件結(jié)構(gòu)對A、B值的影響,確保檢測結(jié)果的準確,可以在現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,通過建立標準定標曲線來修正經(jīng)驗公式中的A、B值。這將在后續(xù)的研究中進一步完善。

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