三波長血氧飽和度測量儀的研制

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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 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 l 1.1 血 氧 飽 和 度 （ SaO2） 的 概 念 l SaO2 (HbO2 Hb) 100l Hb=Hb+HbO2+COHb+MetHb l SaO2 （ HbO2 HbO2 + Hb ） 100l 檢 測 動 脈 血 中 的 氧

2、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 。 l 1932年 ， Nicolai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 。l 1935年 ， Matthes研 制 了 第 一 個 雙 波

3、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 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 。 l 1949年 ， Wood設 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 備 光 源 穩(wěn) 定 性 要

4、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 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1050nm的 八 個 光 波 ， 但 該 設 備 體 積 較 大 ， 結(jié) 構(gòu) 復 雜 ，容 易 損 壞 而 且 價 格 昂 貴 。l 1972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

5、二 極 管 減 少 了 血 氧 探 頭 的 體 積 ， 投 入到 了 商 業(yè) 應 用 中 。 l 1974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 。l 1982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

6、 量 儀 進 入 了 新 時 代 。l 90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 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 備 。 l 2.1 Lambert-Beer定 律l 透 光 率 T=It/I0l 吸 光 度 A=- logT = bcl Lambert-Beer定 律 光 脈 搏 容 積 波 Hb和 HbO2的 吸 光 系 數(shù) 曲 線 dccodcc IFII 22112211 1010 0 dccIIA )(lo

7、g 22110 （ 2-1） （ 2-2） dccII IIIII IA 221100 logloglog （ 2-3） dccI IIAE 2211log 10lnlog max maxmax maxmax I II IIE （ 2-4） 21 2212121 12 dccEcc cSaO （ 2-5） 10lnmax max I IE （ 2-6） 21 22121 21 12 dccEcc cSaO (2-7) 1212 222 / EE EESaO (2-8)bEEkEESaO 12 212 22 / (2-9)bkRbII IIkSaO maxmax maxmax2 / （ 2-10

8、） 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）

9、 得 SaO2=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 2-11 600 1000nm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 l 3.1 系 統(tǒng) 硬 件 設 計 圖 3-1 硬 件 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 框 圖 l 江 蘇 穩(wěn) 潤

10、 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 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

11、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) 0 9， 通 過 單 片 機 P1.0 P1.3口 送 到 譯 碼器 輸 入 端

12、A、 B、 C、 D， 輸 出 端 就 可 以 輸 出 字 符 的“ 段 碼 ” ， 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 0.22u 1K 10K 200K 3 2 6 1 87 4 OP-07 0.22u 400K 10K 10K 3 2 6 1 87 4 OP-07 l 語 言 環(huán) 境 簡 介l 本 系 統(tǒng) 程 序 使 用 編 寫 51匯

13、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 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

14、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 程 序 流程 圖 l protel 軟 件 進 行 PCB版 圖 設 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 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 計 完

15、 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) A B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 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 R1-6.9

16、7R2 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 ,

17、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 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

18、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 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

19、 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 計 ， 選 用 波長 單 一 性 更 好 的 發(fā) 光 二 極 管 作 為 光 源 ； 另一 方 面 ， 測 量 算 法 還 有 許 多 需 要 完 善 的 地方 ， 比 如 利 用 數(shù) 字 濾 波 方 法 消 除 被 測 信 號中 的 噪 聲 和 干 擾 ， 用 數(shù) 字 濾 波 來 克 服 模 擬濾 波 器 的 不 足 。l 期 望 這 種 低 血 氧 飽 和 度 脈 搏 血 氧 計 可 以 和心 電 監(jiān) 測 技 術(shù) 融 合 為 一 體 ， 利 用 心 電 圖 的波 形 特 征 來 判 斷 脈 搏 波 的 有 效 性 準 確 地 撲捉 和 分 析 脈 搏 波 信 號 ， 使 其 成 為 可 以 同 時進 行 監(jiān) 測 血 氧 脈 搏 和 心 電 圖 的 儀 器 。 謝 謝 ！