生物医学工程二班 彭东旭 双波长频分式血氧饱和度测量电路 设计报告 08 ...

生物医学工程二班 彭东旭双波长频分式血氧饱和度测量电路设计报告08生物医学工程二班3008202339彭东旭双波长频分式血氧饱和度测量电路血氧饱和度(SO2)是指是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。监测动脉血氧饱和度(SaO2)可以对肺的氧合和血红蛋白携氧能力进行估计，对于某些疾病的监测与诊断有着十分重要的意义。正常人体动脉血的血氧饱和度为98% ，静脉血为75%。 （Hb为血红蛋白，hemoglobin，简写Hb）。血氧饱和度的计算公式为：双波长频分式血氧饱和度测量仪，是利用光电转换原理，设计相关电路获取相关信号，对获取信号进行频域的分离再通过人体组织对不同波长的红光和红外光的吸光度变化率之比(R/IR值)推算出组织的动脉血氧饱和度的仪器。一、重要定律和理论基础1.朗伯比尔定律：物质在一定波长处的吸光度与其浓度呈正比郎伯比尔定律可用下式表示：式中：I0为入射光强，I为透射光强，为吸光物质的吸光系数，c为吸光物质的浓度，l为吸光物质的传输距离（吸收层厚度）。该定律反映了物质在一定波长处的吸光度与其浓度成正比的光学吸收规律。若选择适宜波长的光，测量物质的吸光系数即可求其浓度。然而，该定律存在以下几点限制条件：(1) 入射光为平行单色光且垂直照射；(2) 吸光物质为均匀非散射体系；(3) 吸光质点之间无相互作用；(4) 辐射与物质之间的作用仅限于光吸收,无荧光和光化学现象发生. 生物组织是一种强散射介质，而郎伯比尔定律不适用于发生散射的情况，故根据光的粒子性和组织的吸收特性对光传播距离的影响，在此引入修正的郎伯比尔定律：式中：A为吸光度， I0为入射光强，I为透射光强，为分子的消光系数，c为吸光物质的浓度，l为光在组织中的平均光程，G是由散射引起的光损失。2.动态光谱理论：分别对多个波长入射光所对应的光电脉搏波中，提取相应的脉动动脉血液的吸光度，由这些吸光度组成的光谱，称之为动态光谱。动态光谱提取法（频域）可以直接提取各波长中仅由血液成分产生的吸光度光谱，消除测量中由于皮肤组织和肌肉组织产生的个体差异。由于动脉的脉动现象，使血管中的血流量呈周期性变化，而血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性较血液中大数十倍。因此，脉搏搏动的变化必然引起近红外光谱吸光度的变化，而得出的信号也与脉搏波对应，如图1所示。图1 动态光谱检测原理二、待测量信号分析1.脉搏波的产生：脉搏波是以心脏搏动为动力源，通过血管系统得传导而产生的容积变化和振动现象的反映。当心脏收缩时，有血液进入原已充满血液的动脉中使得该处血管壁扩张；心脏停止收缩时，原来扩张的血管也随之收缩，并驱动血液向前流动，从而又使前面的血管壁扩张，如此往复。此过程类似于波在介质中的传播，因而称为脉搏波，它包含了许多重要的生理信息，也因此成为提取信息的重要媒介，图2表示的是一个典型的脉搏波形。电路将来要得出的应该是一系列周期变换的类似的波形。图2 一个典型的脉搏波波形2.吸光性曲线由血氧饱和度的计算公式可以看出，血氧饱和度的值受HbO2和HbR浓度的影响，而通过对人体测量时二者吸光能力的分析可以相对应地得出其浓度关系，再进一步计算便可，本设计的理念也便在此，图3是两者的吸光曲线：图3 HbO2和HbR的吸光曲线三、相关计算公式、参数间关系以及重要参数的选定1.最终应用公式及相关公式的说明：式中：I0为入射光强，I为透射光强，l为光路长度，a1和a2分别为HbO2和Hb在波长1处的吸光系数，c1和c分别为HbO2和Hb的浓度。进一步整理：a1、a2、b1、b2都是吸光系数，不需要通过测量得出，故Q为上式中唯一变量，而动态光谱分析中Q值用以下方式计算：要测量出Q值，可设法测得Imin和Imax2.参数的选定：驱动信号充当的是调制过程的载波，其频率应当选用工频的整数倍以降低工频干扰，这里先选择400Hz和800Hz，今后再视情况而更改。（待完善）四、电路基本流程图：流程图如图4所示双带通滤波电路滤波电流电压转换电路二极管发光电路单片机输出方波驱动信号双低通滤波电路滤波输出信号增益放大电路双检波电路分析计算电源图4 设计流程图五、器件选择和电路实现：1、驱动信号的产生：驱动信号充当的是调制过程中的载波，一般来说可以采用方波，也可以采用正弦波，从频域来看，正弦波是单一频率的信号，而由方波的傅立叶变换：ft=4Asint+13sin3t+15sin5t可以得出：方波是由某一频率的正弦波及其各级谐波组成的，方波信号实际上包含了很多个频率的正弦信号，这样的话容易造成调制信号最后难以精确的解调，因此设计时采用正弦波信号驱动。然而，正弦波的产生又有以下几种途径：a.RC文氏桥振荡电路：图5 文氏桥RC振荡电路b.555定时器（+低通滤波电路）：图6 555定时器方波产生电路该电路的理念是，555定时器产生方波信号，然后，由于方波是由正弦波及其多重谐波合成的，可以用一个低通滤波器滤出想要的正弦波；c.单片机+低通滤波电路：和上一个电路相仿，只是改成单片机负责产生方波信号。以上三种电路是最常见的设计方案，但是由于电路中各器件的不稳定性致使整体电路不稳定，相比之下，第三种方案最为可靠，便于调节。出于成本考虑，本设计先行选择第二种方案，若实际调节相当困难再选择第三种方案。2、低通滤波电路：由于采用的是555定时器和低通滤波器组成的正弦波发生电路，因此要用一个低通或者带通电路来将方波中正弦分量分离出来；3、驱动电路：如图7所示电路，两输入端分别接1和2组成的正弦波产生电路，该电路使两个二极管发光作用于人体组织（手指），这实质上是一个调制的过程。图7 驱动电路4、电流电压转换电路该电路通过光敏二极管受光作用，产生电流，从而实现本设计跨越性的一步光信号到电信号的转换，使问题可以由电路方式解决（参数待选），如图8所示:图8 电流电压转换电路5、带通滤波电路：实现此环节有两种可选方式，一种是利用芯片，另一种是直接搭建电路，当然，后者的稳定性相对较差，如果实际操作比较难以调试的话，可选用芯片方式。当前可依照图所示电路调试（参数可先借助软件Filter Wiz Pro来确定，再由实际调试而最终确定）图9 四阶巴特沃斯带通滤波电路5、检波电路：检波是解调的一种，是幅度调制的解调，检波的常用方式有两种同步检波和包络检波，同步检波比较难于做到，因而采用包络检波.包络检波的基本电路如图所示，图10 包络检波一般电路采用包络检波时应该注意参数的选择，否则会导致以下两种失真：图11 包络检波之惰性失真图12 包络检波之底部切割失真参数选择的几项依据（待查）6、放大电路：由于信号经过前几步后依然不好准确测量（幅值较小），因此增设了此项增益放大模块，如图13所示。图13 放大电路模块7、电源：电源采用电子工艺课程上曾经搭建过的电路，也是大家最普遍应用的电路，如图所示：图14 稳压电源六、分析、计算：有待完善；七、总结：有待完善；15