手指脉搏血氧饱和度光电检测装置的研制

钱建秋, 忻尚芝, 侯 文

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093)

1 血氧饱和度定义

血氧饱和度是人体新陈代谢的重要体征指标之一,也是人体呼吸系统和循环系统疾病诊断的重要生理参数,很多疾病的临床表现都会引起人体相关组织和器官中的血氧饱和度变化,从而导致缺氧,甚至危及生命[1-4].所以,安全有效地检测血氧饱和度非常重要.目前,血氧饱和度检测多采用测量脉搏血氧饱和度SpO2是指动脉脉搏血液中已与氧结合的氧合血红蛋白HbO2(Oxyhemoglobin)的容量占全部可结合的血红蛋白(氧合血红蛋白+还原血红蛋白Hb(Hemoglobin))容量的百分率.

式中,CHbO2,CHb为脉搏血液中HbO2和Hb的容量.

本装置采用非损伤的光电体积描记技术(PPG)测量SpO2,因为不需要采血,可避免感染,所以是一种安全可靠的检测方法,并且检测结果能及时得到,还能实现实时监测[5].

2 血氧饱和度检测原理

人体血液中的氧合血红蛋白HbO2和没被氧合的还原血红蛋白对于不同波长光的吸收系数是不同的.在波长600～700 nm的红光R(red)范围内,Hb的吸收系数比HbO2的大,而在波长800～1 000 nm的红外光IR(infra red)范围内,Hb的吸收系数比HbO2的小,在805 nm处两者相同,如图 1所示[6],k为吸光系数,λ为波长.由图1可见,在红光660 nm和红外光940 nm处吸收系数差异较大,目前,均采用该波长附近的红光和红外光进行双谱定量分析检测.并且在红光660 nm和红外光940 nm附近,Hb和HbO2的吸收系数变化曲线都比较平坦,受二极管发光波长误差的影响也较小,所以,本装置采用R 660 nm和IR 940 nm两种光源进行血氧饱和度的检测.

图1 还原血红蛋白(Hb)和氧合血红蛋白(HbO2)光吸收系数曲线Fig.1 Absorption spectra of Hemoglobin(Hb) and Oxyhemoglobin(HbO2)

血氧饱和度检测的理论依据是郎伯-比尔定律(Lambert-Beer Law),即一束单色光垂直穿过某均匀溶液时,透射光强I与入射光强I0之间的关系为

式中,k为溶液吸光系数;C为溶液中吸光物质的浓度;d为穿过溶液的光程.

当溶液中吸光物质的浓度发生变化(ΔC)时,透射光强也将相应发生变化(ΔI),其相对变化量为

式中,ΔI对应透射光强的交流分量,I近似对应透射光强的直流分量.

对于HbO2和Hb的混合液

式中,C为HbO2和Hb的浓度和,即Hb的浓度为

分别用红光R和红外光IR作为光源,血氧饱和度分别为

由式(5)和式(6)消去C和d,得

因红光和红外光对氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸光系数是常数,式(7)中所有的k均为定值,所以,血氧饱和度测量问题最终归结为测量交流信号和直流信号并计算其比值的问题,即先分别测量R和IR两种波长的脉动分量与直流分量,得到比值ΔIIR/IIR和ΔIR/IR,进行标准化,再求出红外光IR与红光R的相对透光强度的比值由式(7)可计算出脉搏血氧饱和度SpO2的值.

3 设计方案

3.1 系统结构框图

系统框图如图2所示,包括信号采集光电传感器、信号控制与处理电路、通讯和输出显示电路.

图2 系统结构框图Fig.2 Block diagram of hardware setup

传感器电路包括红光和红外光发射和接收电路、发光二极管LED驱动电路、电流电压(I/V)转换电路.交替发出的红光或红外光透过手指被光电二极管接收,经I/V电路转换为电压信号v输出到后继信号处理电路.为提高信噪比,由单片机MCU通过数模转换端口DAC0自动调节红光或红外发光二极管的发射光强,使对应的PIN光电二极管电流转换的电压信号v达到最大,而且不失真.由于动脉血的脉动作用,该电压信号v是由较大的直流分量V和较小的交流分量Δ V组成的.对于直流分量V,单片机在数据处理时只需将v通过ADC(数模转换)获取的数据取平均值即可;对于交流分量ΔV,为保证精度,由单片机将v与通过数模转换端口DAC1送出的直流分量V相减,将得到的交流分量ΔV经适当放大再送入ADC转换,然后由单片机进行有效值计算.

3.2 电路原理图

电路原理图如图3所示,因系统信号处理和控制需要模数转换器ADC、数模转换器DAC和信号放大器,且对速度和分辨率有一定的要求,对软件处理的速度也有一定要求,所以,采用C8051F006单片机MCU作为系统控制、处理与传输的核心,其内核CIP-51在复杂指令集计算机CISC结构及指令系统不变的基础上实现其大部分指令仅使用1～2个时钟周期,大大加快了单片机的运行速度,使其指令执行速度峰值可达25 MIPS,并且其内部集成了两个12位高速D/A转换器,一个9通道12位高速A/ D转换器(100 ksps),一个可编程放大器(×16,×8, ×4,×2,×1,×0.5).模拟输入端可配置为独立的单端输入,也可配置为差分输入对.系统处理的结果可直接由液晶显示器显示,也可通过RS232串口输出或送上位计算机PC进行处理和实时监测等.

图3 电路原理图Fig.3 Schematic illustration

发光二极管驱动电路由三极管T1、T2和T3等器件组成,其中,T1、T2组成两电子开关,在两控制信号P1.6和P1.7作用下,控制两发光二极管R LED和IR LED交替发光.T3、R5和 R6组成电压电流(V/I)转换,由DAC0输出的电压控制两发光二极管R LED或IR LED轮流发光时的电流大小.

光电二极管及I/V转换电路采用光电集成器件OPT101,它集成有光电二极管器件和I/V转换电路,由于都集成在内部,所以,光电器件与I/V转换电路具有良好的匹配和信噪比.

3.3 单片机程序编制

主程序和定时器T3的溢出中断处理程序流程图如图4所示(见下页).

单片机内部相关资源的配置为:模拟信号输入端口AIN0配置为独立的单端输入,AIN2、AIN3配置为差分输入对,可编程放大器PGA增益在单端输入(AIN0)时配置为1,用于测总量v,可编程放大器PGA增益在差分输入对(AIN2、AIN3)时配置为16,用于测交流分量Δ V;定时器T3的溢出时间定为2 ms,并使能溢出中断,用于交替驱动两发光二极管R LED和IR LED工作,控制输出DAC0更新相应的发光二极管发光功率,从AIN0或AIN2、AIN3读取相应模拟量值并由单片机进行相关数据处理.

3.4 程序运行界面

在PC机上运行程序的测量界面截屏如图5所示(见下页).图5中上半部分界面显示由R和IR两种光源检测到的在线血液脉搏波形,断点处为扫描点;下半部分界面显示的是检测过程中电路主要节点处信号模拟显示条,分时驱动的红光、红外光透过手指被光电二极管接收的信号和经前置放大后送入单片机系统做进一步数据处理的信号,便于监控和调节.最终显示了被检对象血氧和心率的输出值.因为,由脉搏波能非常容易地得到心率值,所以,把心率也显示在检测界面上,以便了解被检对象在血氧检测过程中的心率变化情况.

图4 主程序和中断处理程序流程图Fig.4 Program flow chart of main and Interrupt of timer 3

图5 血氧饱和度检测系统PC运行界面Fig.5 Computer screen of SpO2detection device

4 结束语

本文设计了基于单片机C8051F006系统的手指脉搏血氧饱和度检测系统的硬件电路和软件程序,并设计了基于OPT101光电集成电路的指夹式光电传感器,经计算机实时调试检测,信号可靠、稳定,表明设计的合理性.这种用于手指的小型便携式血氧饱和度检测装置在医院和家庭的检测和监护中具有非常广阔的应用前景.进一步的研究将与临床结合,完成该血氧饱和度检测系统测量值的精确标定,以达到医学测量的精准度要求.

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