生物醫(yī)學工程二班 彭東旭 雙波長頻分式血氧飽和度測量電路 設(shè)計報告 08 ...

生物醫(yī)學工程二班 彭東旭雙波長頻分式血氧飽和度測量電路設(shè)計報告08生物醫(yī)學工程二班3008202339彭東旭雙波長頻分式血氧飽和度測量電路血氧飽和度(SO2)是指是血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的濃度，它是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。監(jiān)測動脈血氧飽和度(SaO2)可以對肺的氧合和血紅蛋白攜氧能力進行估計，對于某些疾病的監(jiān)測與診斷有著十分重要的意義。正常人體動脈血的血氧飽和度為98% ，靜脈血為75%。 （Hb為血紅蛋白，hemoglobin，簡寫Hb）。血氧飽和度的計算公式為：雙波長頻分式血氧飽和度測量儀，是利用光電轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計相關(guān)電路獲取相關(guān)信號，對獲取信號進行頻域的分離再通過人體組織對不同波長的紅光和紅外光的吸光度變化率之比(R/IR值)推算出組織的動脈血氧飽和度的儀器。一、重要定律和理論基礎(chǔ)1.朗伯比爾定律：物質(zhì)在一定波長處的吸光度與其濃度呈正比郎伯比爾定律可用下式表示：式中：I0為入射光強，I為透射光強，為吸光物質(zhì)的吸光系數(shù)，c為吸光物質(zhì)的濃度，l為吸光物質(zhì)的傳輸距離（吸收層厚度）。該定律反映了物質(zhì)在一定波長處的吸光度與其濃度成正比的光學吸收規(guī)律。若選擇適宜波長的光，測量物質(zhì)的吸光系數(shù)即可求其濃度。然而，該定律存在以下幾點限制條件：(1) 入射光為平行單色光且垂直照射；(2) 吸光物質(zhì)為均勻非散射體系；(3) 吸光質(zhì)點之間無相互作用；(4) 輻射與物質(zhì)之間的作用僅限于光吸收,無熒光和光化學現(xiàn)象發(fā)生. 生物組織是一種強散射介質(zhì)，而郎伯比爾定律不適用于發(fā)生散射的情況，故根據(jù)光的粒子性和組織的吸收特性對光傳播距離的影響，在此引入修正的郎伯比爾定律：式中：A為吸光度， I0為入射光強，I為透射光強，為分子的消光系數(shù)，c為吸光物質(zhì)的濃度，l為光在組織中的平均光程，G是由散射引起的光損失。2.動態(tài)光譜理論：分別對多個波長入射光所對應的光電脈搏波中，提取相應的脈動動脈血液的吸光度，由這些吸光度組成的光譜，稱之為動態(tài)光譜。動態(tài)光譜提取法（頻域）可以直接提取各波長中僅由血液成分產(chǎn)生的吸光度光譜，消除測量中由于皮膚組織和肌肉組織產(chǎn)生的個體差異。由于動脈的脈動現(xiàn)象，使血管中的血流量呈周期性變化，而血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性較血液中大數(shù)十倍。因此，脈搏搏動的變化必然引起近紅外光譜吸光度的變化，而得出的信號也與脈搏波對應，如圖1所示。圖1 動態(tài)光譜檢測原理二、待測量信號分析1.脈搏波的產(chǎn)生：脈搏波是以心臟搏動為動力源，通過血管系統(tǒng)得傳導而產(chǎn)生的容積變化和振動現(xiàn)象的反映。當心臟收縮時，有血液進入原已充滿血液的動脈中使得該處血管壁擴張；心臟停止收縮時，原來擴張的血管也隨之收縮，并驅(qū)動血液向前流動，從而又使前面的血管壁擴張，如此往復。此過程類似于波在介質(zhì)中的傳播，因而稱為脈搏波，它包含了許多重要的生理信息，也因此成為提取信息的重要媒介，圖2表示的是一個典型的脈搏波形。電路將來要得出的應該是一系列周期變換的類似的波形。圖2 一個典型的脈搏波波形2.吸光性曲線由血氧飽和度的計算公式可以看出，血氧飽和度的值受HbO2和HbR濃度的影響，而通過對人體測量時二者吸光能力的分析可以相對應地得出其濃度關(guān)系，再進一步計算便可，本設(shè)計的理念也便在此，圖3是兩者的吸光曲線：圖3 HbO2和HbR的吸光曲線三、相關(guān)計算公式、參數(shù)間關(guān)系以及重要參數(shù)的選定1.最終應用公式及相關(guān)公式的說明：式中：I0為入射光強，I為透射光強，l為光路長度，a1和a2分別為HbO2和Hb在波長1處的吸光系數(shù)，c1和c分別為HbO2和Hb的濃度。進一步整理：a1、a2、b1、b2都是吸光系數(shù)，不需要通過測量得出，故Q為上式中唯一變量，而動態(tài)光譜分析中Q值用以下方式計算：要測量出Q值，可設(shè)法測得Imin和Imax2.參數(shù)的選定：驅(qū)動信號充當?shù)氖钦{(diào)制過程的載波，其頻率應當選用工頻的整數(shù)倍以降低工頻干擾，這里先選擇400Hz和800Hz，今后再視情況而更改。（待完善）四、電路基本流程圖：流程圖如圖4所示雙帶通濾波電路濾波電流電壓轉(zhuǎn)換電路二極管發(fā)光電路單片機輸出方波驅(qū)動信號雙低通濾波電路濾波輸出信號增益放大電路雙檢波電路分析計算電源圖4 設(shè)計流程圖五、器件選擇和電路實現(xiàn)：1、驅(qū)動信號的產(chǎn)生：驅(qū)動信號充當?shù)氖钦{(diào)制過程中的載波，一般來說可以采用方波，也可以采用正弦波，從頻域來看，正弦波是單一頻率的信號，而由方波的傅立葉變換：ft=4Asint+13sin3t+15sin5t可以得出：方波是由某一頻率的正弦波及其各級諧波組成的，方波信號實際上包含了很多個頻率的正弦信號，這樣的話容易造成調(diào)制信號最后難以精確的解調(diào)，因此設(shè)計時采用正弦波信號驅(qū)動。然而，正弦波的產(chǎn)生又有以下幾種途徑：a.RC文氏橋振蕩電路：圖5 文氏橋RC振蕩電路b.555定時器（+低通濾波電路）：圖6 555定時器方波產(chǎn)生電路該電路的理念是，555定時器產(chǎn)生方波信號，然后，由于方波是由正弦波及其多重諧波合成的，可以用一個低通濾波器濾出想要的正弦波；c.單片機+低通濾波電路：和上一個電路相仿，只是改成單片機負責產(chǎn)生方波信號。以上三種電路是最常見的設(shè)計方案，但是由于電路中各器件的不穩(wěn)定性致使整體電路不穩(wěn)定，相比之下，第三種方案最為可靠，便于調(diào)節(jié)。出于成本考慮，本設(shè)計先行選擇第二種方案，若實際調(diào)節(jié)相當困難再選擇第三種方案。2、低通濾波電路：由于采用的是555定時器和低通濾波器組成的正弦波發(fā)生電路，因此要用一個低通或者帶通電路來將方波中正弦分量分離出來；3、驅(qū)動電路：如圖7所示電路，兩輸入端分別接1和2組成的正弦波產(chǎn)生電路，該電路使兩個二極管發(fā)光作用于人體組織（手指），這實質(zhì)上是一個調(diào)制的過程。圖7 驅(qū)動電路4、電流電壓轉(zhuǎn)換電路該電路通過光敏二極管受光作用，產(chǎn)生電流，從而實現(xiàn)本設(shè)計跨越性的一步光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，使問題可以由電路方式解決（參數(shù)待選），如圖8所示:圖8 電流電壓轉(zhuǎn)換電路5、帶通濾波電路：實現(xiàn)此環(huán)節(jié)有兩種可選方式，一種是利用芯片，另一種是直接搭建電路，當然，后者的穩(wěn)定性相對較差，如果實際操作比較難以調(diào)試的話，可選用芯片方式。當前可依照圖所示電路調(diào)試（參數(shù)可先借助軟件Filter Wiz Pro來確定，再由實際調(diào)試而最終確定）圖9 四階巴特沃斯帶通濾波電路5、檢波電路：檢波是解調(diào)的一種，是幅度調(diào)制的解調(diào)，檢波的常用方式有兩種同步檢波和包絡檢波，同步檢波比較難于做到，因而采用包絡檢波.包絡檢波的基本電路如圖所示，圖10 包絡檢波一般電路采用包絡檢波時應該注意參數(shù)的選擇，否則會導致以下兩種失真：圖11 包絡檢波之惰性失真圖12 包絡檢波之底部切割失真參數(shù)選擇的幾項依據(jù)（待查）6、放大電路：由于信號經(jīng)過前幾步后依然不好準確測量（幅值較?。虼嗽鲈O(shè)了此項增益放大模塊，如圖13所示。圖13 放大電路模塊7、電源：電源采用電子工藝課程上曾經(jīng)搭建過的電路，也是大家最普遍應用的電路，如圖所示：圖14 穩(wěn)壓電源六、分析、計算：有待完善；七、總結(jié)：有待完善；15