基于C8051F021单片机的脉搏血氧饱和度测量仪的研制（可编辑）

基于C8051F021单片机的脉搏血氧饱和度测量仪的研制（可编辑） 国防科学技术大学 硕士学位 基于C8051F021单片机的脉搏血氧饱和度测量仪的研制 姓名:游荐波 申请学位级别:硕士 专业:电子与通信工程 指导教师:刘希顺 20080401国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 摘 要 随着改革开放的发展,社会的进步,人民生活水平逐渐提高,各类心脑血管 疾病也呈高发趋势;同时,军事领域里的复杂电磁环境下战场救护及高海拔缺氧 地区部队人员体征信号监测也是一个很现实的课;解决这些问题涉及到的一个 重要测量参数是肌体的血氧饱和度。传统的测量会产生创伤而且不能进行连 续实时的测量。光电检测技术的发展可弥补这一不足,基于光电转换原理的血氧 饱和度测量方法日渐得到研究人员的广泛关注。 本文阐述了基于单片机的脉搏血氧饱和度测量仪的总体思 路、相应软硬件的设计方法及调试过程。 本课题主要完成了以下工作: .硬件电路设计 根据脉搏血氧饱和度测量仪的测量原理,设计了以单片机为核心 的脉搏血氧饱和度测量仪的硬件电路,包括光驱动电路、程序控制增益调节电路、 低通滤波和放大电路、直流偏置电路、液晶显示电路和电源等。 。软件设计 编程产生时序,控制光源驱动电路;编程实现数据采集、实现检测结果液晶 显示及控制整个硬件系统;编程实现信号的增益调节;采用数字滤波技术减少噪 声干扰和减少基线漂移;采用自学习阈值判别方法消除运动伪影干扰:采用五点 差分法提取脉搏波的特征点。 .数值定标 在完成血氧饱和度测量仪硬件系统和信号处理之后,对脉搏血氧饱和度测量 仪进行试验以验证测量精度。为了能在实际应用中得到可信的结果,应对测量仪 进行数值定标,以取得最准确的定标参数。 主题词:单片机: 血氧饱和度; 脉搏血氧测定法 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 , ’ .,. , . 曲一 . . .. , , . : ., , , ,. , ,,. , . ,, , , ;; ; .. : . , , , . ; ; :? ; 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 表 目 录 表.两种模型的比较. 表.指令条数与执行所需系统时钟周期?. 表. 位二进制输入编码与十进制数的对应关系? 表.控制部分管脚定义??.. 表.驱动部分管脚定义??一 表.接口信号组合功能表?. 表. 寄存器的配置? 表. 寄存器的配置?.. 表. 寄存器的配置?.. 表. :定时器高字节表. :定时器低字节表. 寄存器的配置.??.. 表. 寄存器的配置??.. 表. 寄存器的配置.. 表. 寄存器的配置. 表.数据对比测试?. 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图 目 录 图. 和的吸收光谱特性.. 图. 组织对光的吸收曲线? 图. 和的标准关系曲线图. 图. 脉搏血氧饱和度测量仪系统框图图. 的内部原理框图? 图. 数字交叉开关原理框图 图. 光信号的产生驱动电路 图. 信号的前置放大电路? 图. 的内部原理框图??.. 图. 低通滤波电路? 图. 直流偏置电路图. 程序控制增益调节电路 图. .电阻网络 图. 电路示意图 图. 程控增益放大电路的简化电路??. 图. 程控增益放大电路?. 图. 位功能框图 图. 的时序图??.. 图. 等效输入电路.. 图. 原理框图? 图. 与单片机适配时序 图. 液晶显示电路图??. 图 键盘连接电路.. 图. 电源产生电路??. 图. 电源产生电路?. 图. 系统软件流程图 图. 时序信号示意图.. 图. 方式原理框图?.. 图. 时序信号流程图. 图. 增益控制流程图?:?.. 图. 数据的采样流程图图. 液晶显示流程图 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图. 曲线显示流程图 图 . 硬件电路提取的脉搏图 图 . 低通滤波处理的脉搏图 . 图 移动平均滤波后的脉搏图. 图 平均移动算法原理图? 图.平均移动滤波后的脉搏图图. 数字低频滤波器滤波后的脉搏图 图.抛物线拟合五点法滤波后的脉搏图? 图.抛物线拟合七点法滤波后的脉搏图? 图.抛物线拟合九点法滤波后的脉搏图? 图.抛物线拟合十一点法滤波后的脉搏图 图.两种测量数据的拟合曲线第页独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我末.:。圭导:‘亏考导:进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知,除了文中特另土::专注智致谢的地方外,论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果,也不乞台为获荐国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料:与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目: 基王堡旦:皇垃扭煎壁接鱼氢丝塑廑迦量邀鲍盟剑 年缈月//日 日期:乃刀 学位论文作者签名:芝蕴芝邋 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子 文档,允许论文被查阅和借阅;可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据 库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密学位论文在解密后适用本授权书。 日期:加驴罗年缈月日 学位论文作者签名:茏釜荔毽一 日期:沁前年旷月,~日 作者指导教师签名:辫算红国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第一章 绪论 .血氧饱和度的概念及研究意义 氧是人类生命活动的基础,氧的供应对人体组织的正常生理活动至关重要。 生命的基本过程就是机体细胞摄入氧排出二氧化碳产生能量的过程,人的这 种新 陈代谢过程是生物氧化过程。 通过呼吸系统进入人体肺部的氧,遇到由于心脏的收缩和舒张脉动地流过肺 部肺泡的血液时,氧分子和血液红细胞中血红蛋白分子能进行可逆的结合,血红 蛋白由氧合血红蛋白和还原血红蛋白组成。当血液中氧分压升高 时,还原血红蛋白与氧气结合,形成氧合血红蛋白;当氧气分压 降低时,氧合血红蛋白与氧气分离,形成还原血红蛋白。所以氧气分压越高,则 氧合血红蛋白在整个血红蛋白的比例越高。血液中的氧绝大部分都可与血红蛋白 一. 的 结合在一起,只有约%氧溶解在血浆中,血红蛋白可结合. 氧气,这些血液通过动脉系统一直到达全身的毛细血管。在毛细血管中,氧合血 红蛋白释放氧,为组织新陈代谢所利用,从而还原为还原血红蛋白。最后血液经 静脉系统回流到心脏,开始下一轮的循环。对于健康成年人,若每 血液中 。 血液能结合氧气的最大量为 血液中 血红蛋白的量为,则 血红蛋白能结合氧气的最大量叫做血红蛋白氧容量, 血液中血红蛋白所实 际结合的氧气的量叫做血红蛋白氧含量,血红蛋白氧含量占全部血红蛋白可 结合 氧容量的百分比,叫做血氧饱和度。 :丝垡× % 血氧饱和度的正常值是%,它与氧分压、酸碱度、体温变化等有 关。当血氧饱和度%时为供氧不足。许多临床疾病会造成氧供给的缺乏,这将 直接影响细胞的正常新陈代谢,严重的还会威胁人的生命,所以动脉血氧浓度的 实时监测在临床救护中非常重要。 我国进行的改革开放使得社会不断进步,人民的生活水平逐年提高,随之而 来的是各种心脑血管疾病的高发病率;同时,军事斗争领域里的复杂电磁环境下 战场救护及对驻高海拔地区部队人员体征信号监测都是很突出的问题;如何及时 准确的测量人体的血氧饱和度,减少病人的痛苦,不断提高设备的稳定性和可靠 性,是摆在科研人员面前的难题;随着微电子技术的迅猛发展,高性能的单片机 具有了比较强的运算能力和比较高的可靠性以及相对便宜的价格。正是这些原因 最终促使我们研制了基于单片机的脉搏血氧饱和度测量仪。 第页 .国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 .脉搏血氧饱和度测量仪的原理 在临床实践中,对氧合血红蛋白携氧能力进行估计有多种方法,以往常采用 电化学法,如临床和实验室常用的血气分析仪,此方法是提取动脉血,在数分钟 内测量动脉氧分压,并计算动脉血氧饱和度。尽管此方法可以 得到精确结果,但需要动脉穿刺或者插管,对病人有痛苦,并且不能连续监测, 在病人处于危险状况时,就不易使病人得到及时的治疗。因此,一种采用无损光 谱学方法连续检测人体的动脉血氧含量的方法应运而生。无创动脉血氧饱和度的 测量是在世纪年代初发展起来的一种监测技术,可以在不需要穿透血管的 情况下,连续测量人体内动脉血氧饱和度。是基于以下两个基本的物理学原理进 行的研究,一是氧合血红蛋白和还原血红蛋白对特定波长的光的吸收存在差异, 即光电比色原理;二是随着每次脉搏搏动动脉血容量亦发生变化,这导致动脉血 对两个不同波长的光的吸收赋予脉动成分。计算机对此现象处理后,可使它与静 脉、毛细血管及组织对光的吸收区别开来,即脉搏容积描记法原理。由于是根据 脉搏搏动进行动脉血氧饱和度测量的所以该装置叫脉搏血氧饱和度测量仪,简称 脉搏血氧仪‘副。 .脉搏血氧饱和度测量仪的发展历程 脉搏血氧饱和度测量仪的发展已有很长的历史。基于.定律的血 氧饱和度测量的研制可以追溯到十九世纪。.定律描述了光的传播与光 密度的关系。和于年改进分光光度计和随后不久 和?对血色素的氧气运输功能的阐述,为血氧饱和度测量的发展铺平 了道路。 年,和这两位科学家研制接近于现今使用的脉搏血氧饱 和度测量仪。年,研制了第一个双波长的耳部血氧测量探头。这种设 备可以实现脉搏血氧饱和度的测量。但这种设备测量缓慢,需要频繁地校准,需 要大量的辅助设备,并且不能有效的区分动脉和静脉血流。这种早期设备采用红 光和绿光作为光源,改进后改用红光和红外光,提高了该设备的测量精确度。采 用红光和红外光作为光源是我们现在实现脉搏血氧饱和度的基础。 年,使用一个加温的耳部探头的脉搏血氧饱和度测量仪对飞行 员在飞机大过载情况下发生短时丧失知觉的现象进行研究。将脉搏血氧饱 和度测量仪装备在飞机上。年,重新设计了脉搏血氧仪,给它加了一 个气囊,气囊的作用是将耳部的血液挤走以获得绝对零点来改进血氧饱和度 测量 的准确性。当气囊放气时,血液重新灌注到测量点,这样可以得到一个零点和一 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 个峰值,进而计算出血氧饱和度的值。由于这种设备对光源稳定性有较高要求, 没有应用于临床实践中“。采用的这种方法在世纪年代成为一种最佳 的无损伤检测血氧饱和度的方法。如 型血氧计,血氧饱和度测量范 围%时,精度超过?.%。这种方法采用两种波长,对红外光和红光的 吸收进行测量,要求满足两个条件:?“无血条件”,即施加约 的压 力把血从耳垂部挤走;?正常的血流,即用透照光使耳垂动脉化。在第一个条件 下,测量的信号是与组织有关的光吸收,如肌肉、骨骼、皮肤等,但不包括血液 的光吸收;在第二个条件下,测量的信号是与组织和血液有关的光吸收。第二个 条件下测量的透射光强,减去第一个条件下测量的透射光强,最后剩下与动脉血 光吸收有关的透射光强信号,由此去除了组织本身光吸收的影响;通过测量两个 光波长的透射光强信号,利用公式算出血氧饱和度。然而和在经 过对受压耳朵的透射光研究后指出,即使加上 的压力,在耳轮里仍然 保留着一些血。另外,色素的消光系数在整体血里随着血细胞数目变化而变化; 在血细胞数目较低的情况下,消光系数和浓度之间的关系曲线变为非线性,以致 使用此方法产生的无血组织的光吸收与实际充血组织的光吸收量是不一样的。也 就是说,此法不能取消组织本身如肌肉、骨骼、皮肤等的影响。再者,由于 每个人的组织成分不同,因此每次测量都需繁琐地调整。 年,设计了一种八波长的自身调整的耳部血氧计喳。如 到 型耳部血氧计。它的优点是避免了上述繁琐的调整技术,从 的八个波长的光波,提供了一些有关耳朵组织内大量吸收物质的一些数据。动脉 血氧饱和度按下式计算 岛?鸽凤 砌瓦再函雨霹矸砑鬲 ? 寺丑 其中~,五代表不同的光波长,,是与光吸收系数有关的常数,并 可以通过经验确定。该仪器的光纤传感器安放在耳垂上,仪器内部每分钟转 的转盘四周上,均匀放置八个窄带滤光片,当其中一个滤光片转到光源前时,某 一波长的光束通过滤光片经光纤传到耳垂部位,耳垂部位的光电转换器检测到这 个波长的透射光信号,又经过光纤传回到仪器并记录下来:同理,其余波长的透 射光信号也依次被记录下来。通过测量八个波长的光密度,,避免繁琐地调整, 排除色素、皮肤、骨骼、肌肉的吸收干扰,计算出血氧饱和度。在%以上的血 氧饱和度范围内,与采集的动脉血样测量的血氧饱和度进行比较后,相关甚好。 尽管该仪器实用、准确且宜于调整,但是由于设备价格昂贵和体积较大,且其耳 夹结构复杂,长期戴着不舒适、易损坏,因此只在从事心肺功能研究的实验室里 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 得到了应用。 年,日本人 对传统的脉搏血氧饱和度测量仪进行了重大 的改进,他采用红光和红外光穿过测量部位中脉动的动脉血管,直接利用光吸收 曲线法计算出脉搏血氧饱和度值而不需要繁琐地校准?。开创了无创式血氧 饱和度 测量的先河;年世界上第一台无创式脉搏血氧仪问世:年公司 研制出一种性能更好的脉搏血氧饱和度仪.,并形成了一种标准模式,即采用 发光两极管作为光源、硅管作为光传感器、微型计算机进行信号处理。血氧饱和 度的测量从此进入了一个新的时代。 .脉搏血氧饱和度测量仪的现实应用 脉搏血氧饱和度测量仪的便于操作和非介入式的实时测量,已经使其基本上 取代了通过采血体外测量血氧饱和度的方法。目前常被用于以下几个方面: ..军事作战上应用 一、应用于战场救护 世纪的战争形态已经由以前的立体作战转变为复杂电磁环境下的信息化战 争。信息化战争中战场的救护,一是要及时后送;二是要连续监护与救治。这就 要求运送和救治过程中不仅要速度快,更要有先进的医疗监护设施,能在转送中 完成生理体征的监护,以实时掌握伤员的身体状况,实现急救后送、战地医院一 体化,确保救治的效果。 二、应用于高海拔地区部队的人员身体监测 为了研究和掌握人员在高海拔地区作战和训练的规律,确保科学的组织和指 导部队在高海拔地区的遂行作战和训练任务,可以使用脉搏血氧饱和度测量 仪及 时对被采集人员身体机能和生化指标等信息进行采集分析,收集积累资料,研究 高海拔地区人员的身体变化规律,科学制定、合理组织训练,为作战和训练 的完成提供决策依据,确保部队战斗力的生成。 ,。民用医疗上应用 一、连续的氧合估计 血氧测量仪可以进行连续的氧合估计,特别是在对危急病人的手术当中,它 能快速提供血氧信息,没有动脉插孔方法所带来的潜在危险?’。病人自手术室转送 至恢复室的过程中,监测血氧饱和度可提高麻醉的安全性,如果血氧饱和度发生 变化,可立即进行处理‘。 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 二、术前用药和术后镇痛的检测 血氧测量还可用于手术前用药和手术后镇痛的监测,手术前后,由于药物作 用,病人会对不同药物以及用药剂量的变化产生不同反应,检测血氧饱和度可以 及时对病人的状况进行监控,确保病人的安危?训。 三、新生儿的监护 新生儿出生后处于相对低氧状态,由于采血很困难,血量也有限,因此无损 伤性血氧测量仪对新生儿的组织氧合功能监测非常有用,可通过调整氧气,避免 对脑、肺、眼的损害,起到气道处理及呼吸复苏的效果?。 四、用于辅助氧治疗 在对需要连续辅助氧治疗的病人的治疗过程中,脉搏血氧测量仪可按不同病 情设置不同的报警限,任何因素所致的呼吸暂停、心率减慢或心率加快以及氧合 改变均可以及时发现,对有慢性阻碍性气管疾病的病人,因怀疑有睡眠呼吸暂停 综合症或者夜间低氧饱和度症状的监测,是极有用的医疗设备。 五、循环功能的监测 、血液循环测试 压迫腕部挠动脉,把探头放在其远端手指,可了解尺动脉血液供应的侧支循 环情况。和超声多普勒法比,其有效率可达%。 、监测血管容量 脉搏波出现快速跳动或其功能呈间断性时,应考虑存在低血容量。已发现正 压通气中,脉搏容积波幅度的变化和低血容量具有相关性,中断正压通气秒, 如果血氧饱和度的容积波形恢复正常或变得更稳定,即可证实低血容量的诊断引。 .脉搏血氧饱和度测量仪的未来趋势 未来的医疗救治中,血氧饱和度作为监护的一个重要参数已经不仅仅满足于 常规病人的监测,它将采用更加有效的技术来改善抗运动和抗弱灌注性能, 使其 对新生儿和有血液病历等病人能够实施很好的血氧饱和度检测。具体发展方向有 如下几个方面: 、多个光探测器的探头结构 通过增加光探测器可以全方位更多的吸收由于人体末梢组织在运动等条件下 发生组织变形导致的光的反射和散射。能够更好的提高信号的质量,增加信噪比, 提高抗运动和抗弱灌注能力。 、采用更为有效的信号提取技术数字血氧技术 例如公司的信号萃取技术采用提供一个和与待处理信号中噪声相关 的参比信号,通过自适应滤波的方法,在高速处理芯片中进行信号处理,有 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 效的剔除噪声,提高了信噪比。未来在处理芯片的性价比不断提高的情况下,这 样的处理技术将有非常广阔的前景。 、无线信号传输与互联 通过增加无线传输模块,可以增加测量的灵活度,扩大应用范围。通过无线 互联进行统一管理,使分散的多个血氧测量仪的信号能显示集中在远端监控主机 上,大大节省人力资源。 .课题研究主要内容 实验已经表明,在 波长附近,还原血红蛋白的摩尔消光系数较大;在 处则氧合血红蛋白的消光系数大。利用不同波长光对两种血红蛋白吸收系 数不同,本文采用双波长比率法。因为探头不能鉴别不同的波长,所以用单片机 进行控制,按照一定时序分别发送两个发光二极管的驱动脉冲序列信号。这两个 发光二极管由时序电路驱动交替发光,即在“发红光、暗光、发红外光、暗光 的时序下交替工作,光电容积脉搏波信号被调制成脉冲调制波。调制时信号按时 间取样,取样的数据与脉冲参数一一对应。 周围环境中的杂散光对测量结果的准确性影响比较大,为了消除这种干扰, 可改进探头形状和制作材料,如本系统中选用不透明材料制作的指套式探头,测 量时将被测指端紧密包裹形成密闭的测量环境。发光器件和光检测器件选用的是 以 、 为中心波长的发光二极管和光电二极管,减少了其它频率光的 干扰。 通过人体组织的光衰减可分为直流部分和交流部分,静脉血、非血成分等的 吸收构成直流成分,随脉搏同步起伏变化的振动部分构成交流成分。如果假 定光 的衰减量完全是由动脉容积搏动引起的,我们就可以从光的衰减量中去除直流成 分,用余下的交流成分进行分析。由光电二极管输出的电流信号经电阻的.转换 后,送入仪用放大器进行信号放大,然后进行基线电压的抬升,保证信号为正电 平。随后信号进入一个单片机控制下的电阻网络来保持在一定的范围内而不 发生漂移。/转换充分利用单片机位的模块,得到较高的转换精度, 此过程使计算的数值尽可能达到较高的精度,这样才能使系统对血氧饱和度微小 的变化也能做出及时的反应。 为了增加系统的灵活性,扩大使用范围,我们还设计应用了液晶显示和键盘, 并且保留了能与计算机相连的接口,必要时能直接将信号送入计算机做进 一步的分析研究。 由于脉搏引起的光通量的变化是很微弱的低频信号,经多级放大必然会引入 外界噪声干扰,软件设计中应采用相应的措施予以处理。为此,我们分别用移动 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 平均滤波器平滑处理算法、八点强平均移动滤波算法、抛物线多项式逼近平滑处 理算法和椭圆型数字滤波器等方法来对采集到的脉搏信号进行处理,最后选 择了适合本系统的算法。 经实验验证,基于以上滤波算法的脉搏血氧饱和度测量方法,有效抑制了干 扰因素对测量结果的影响,达到了预期设计的目标。 .本章小节 本章首先介绍了测量脉搏血氧饱和度的概念和脉搏血氧饱和度测量仪研制意 义,然后从原理和现实应用方面对脉搏血氧饱和度测量仪的需求做了分析,回顾 了脉搏血氧饱和度测量仪的发展历程,并对未来的发展趋势进行了展望。对于本 课题主要完成的任务也做了简要介绍。 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第二章脉搏血氧饱和度的测量原理 .脉搏血氧饱和度测量中的光学原理 利用光学方法进行生物组织的无损检测目前有光谱学和光成像学两种方法, 其基本原理都是根据组织对光的固有特性,利用光在组织中传播的效应来获取和 研究生物组织生理的、代谢的和结构的有用信息,定量确定组织在不同光谱区的 光学特性,为临床实践和理论研究提供方便可靠的指标,具有安全、可靠、连续 及无损的特点,具有广泛的研究、应用前景和重要的应用意义。 ..郎伯一比尔.定律 光通过人体组织及血液后,由于组织及血液对光的吸收作用,会使透射光强 发生衰减。我们设计血氧饱和度仪的理论基础是郎伯一比尔.定律 ,即光辐射通过样品后的透射光强,与初始光强厶之比与吸收物质的摩尔浓 度 单位是、光路长度水单位是和摩尔消光系数从单位是?~?。 或?。之间有如下关系: 一 』/厶 式.可变换为: ,,、。 』/ 其中卜透射光强度 厶??入射光强度 卜摩尔消光系数 吸收物质的摩尔浓度 卜光路的长度,即吸收物质的厚度 么??样品的吸光度或光密度,无量纲 此定律使用要符合下列条件: 入射光为单色光。 吸收过程中各物质无相互作用。 辐射与物质的作用仅限于吸收过程,没有散射、荧光和光化学现象。 将式.利用级数展开公式 /. / 当时,可有 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 工? 因为幻讯,所以有 『一七耐 由.式可知,当光辐射穿过待测组织的长度和初始入射光强度厶一定 时,由于摩尔消光系数对某一种特定的待测组分是常数,故透过被测部位的 透 射光强度,仅是组分物质的密度的单值函数。血液中不同成份对同一种波长 光的 吸收率各不相同,通过测量穿过血液的不同波长光的透射光强度,得出每种 波长 的光衰减程度,可换算出血液中不同成份的含量蝴。 因为光线的变化是由血液中物质的变化量引起的,故有: 笪竺:五 』力 式中旯??测量点处波长为五的光线密度变化量 ,见??测量点处波长为力的光线的平均密度 兄??血液对波长为五的光线的衰减系数 ??血液浓度的变化量 研究中取见为血液中不同物质对光线衰减系数的线性组合,即: . 兄茎垒兰垒刍?茎墨兰垒竺?::::::?茎翌垒兰垒型 ? 式.中下标至表示不同物质的相应量,且有: ? ???? 所以式.可具体表示为: 兰型 ×? 五 × ? 五 名 』力 对应每一种波长的光线便可以得到一个.式,如果采用种不同波长的 光线,就可以得到个线性方程,并由此解得至有如下形式: ? 名名??坍 式中下标表示到种光线中的第个量,而: 名必 五 ?至为各种物质对应于不同波长的常系数,从而根据式.可算出每 种物质的含量如下: . 卢’.?,聊 氅 ? 在仅考虑氧合血红蛋白合还原血红蛋白吸收光的情况下,可以推出血液中的 氧含量为: 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 ?? 矸搿鬻筹转‰ 将其表达形式简化,即: 面可丽 式中可以在已知相应物理常数的情况下推导出来,也可以由比率兄 /五相对于标准血气分析的曲线进行拟合得到。 一般来说,任一物质的含量可表示为: ?..?..二????????二???????:?????????????????????????‘;????????‘???? 一 \‘ . 茎堡业?墨墨生生:::?圣丛盘 ?以五以如??.五,,,丸 式。中的/五和可以分别用检测信号的交流分量和直流分量来 代换。 由上述推导可见,要测量血液中多种物质的含量,所使用的光线波长种类数 必须至少等于物质的种类数。由于血氧饱和度主要由血液中氧合血红蛋白和 还原 血红蛋白的含量决定,所以可以得出结论:在无创血氧饱和度测量方法的研究中, 使用两种光线便可以测量血氧饱和度。 研究实验已经表明氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白对光谱的吸收明显不同。 为减少组织对测量精度的影响,选择光波波长时,要求氧合血红蛋白和非氧合血 红蛋白对该波长的吸光系数要大于非血液组织对它的吸光系数,但不要太大使透 /以下波长光吸光 过部分难于检测。由于氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白对 系数过大,不适宜血氧饱和度测量。 姐伽 如呲 伽 ,伽 吸光系数 毒 姗 驰 加 波长蛐 图. 和的吸收光谱特性 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 ~ 从图.中曲线上看出,在波长为 的红光区,还原血红蛋白 的吸收系数远比氧合血红蛋白的大, 波长处光对氧合血红蛋白和还原血红 ~ 蛋白吸收系数之差近似最大。但在波长为 的红外光区,还原血 一 红蛋白的吸收系数要比氧合血红蛋白的小,其中在 这个波长段, 两曲线变化较缓且接近重合,一般选 作为测量波长。当波长为 时, 还原血红蛋白和氧合血红蛋白具有相同的吸收系数,称为等吸收点。理论上,这 一波长也可以作为测量波长,但是该波长处的吸光系数随着波长变化的梯度较大, 因此当发光器件存在个体差异时不利于调试。 血液的光吸收程度主要与血红蛋白含量有关, 处吸光量的变化反映出 血红蛋白总量的变化。红外光吸光量的变化主要反映氧合血红蛋白含量的变化; 红光吸光量的变化主要反映还原血红蛋白含量的变化。因而红光吸光量的变化反 映出较多的静脉特性,主要反映静脉血的变化;而红外光吸光量的变化反映 出较 多的动脉特性,主要反映动脉血的变化。手指末端组织中动脉成分含量高,且组 织耗氧量低,静脉血氧饱和度接近动脉血氧饱和度,因而测得的血氧饱和度反映 出动脉血氧饱和度吩钔。 ..脉搏容积描记法理论 人体组织由动、静脉血和皮肤、肌肉、骨骼、脂肪,色素和结缔组织等非血 成分组成。血管在血液的冲击下有规律的波动,形成的脉搏波可看成是准周期信 号,频率范围为.一 。脉搏波是心脏脉冲式射血导致的血管壁应力波。通常 脉搏波动包括以下几个部分: .心脏快速射血期。动脉血压快速上升,管壁扩张。 .心室射血后期。血液速度减慢,进入动脉的血量少于流至外周的血量,舒张 的大动脉开始回缩,随后心室开始回缩,动脉血压开始降低,随后心室舒张,脉 搏波出现“降中峡”。 .主动脉内返流的血液受到关闭的主动脉瓣的阻挡使主动脉根部扩张,因此脉 搏波出现一个短暂的压力增高的“降中波。 .在主动脉弹性恢复力作用下,血液继续向外周流去,血管的压力、容积按指 数规律衰减。 冲击血管壁的血流脉动会使得血管容积发生变化,即引起了血液体积的变化, 当入射光通过含有丰富动脉的组织时,这一变化将导致透过组织的光吸收量发生 变化,进而使得组织另一侧接收到的光强也随之发生变化。如果采用光电二极管 记录光强的变化也就记录到了脉搏波的变化,这种方法被称为光电容积描计法 ‘钉。 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 经研究证实,静脉血和非血成分对红光和红外光的吸收系数是恒定的,不随 脉动过程而变化,因此它们只对光信号中的直流分量大小发生影响。血液中的氧 合血红蛋白和还原血红蛋白浓度随着血液的脉动作周期性的改变,因此它们对光 的吸收量也在脉动地变化,由此引起光电检测器件输出的信号强度随血液中的氧 合血红蛋自和还原血红蛋白的浓度比变化而脉动地改变,测量中需要的是脉动分 量。从而可知,非血成分和静脉血对光的吸收量是不变的,动脉血对光的吸收量 随脉搏同步振荡。光电信号的脉动规律与心脏搏动一致,因此检测出信号的 重复 周期,还能确定出心脏搏动频率。 输 出 分 光 强 度 无褥动血撼 搏动血流 图组织对光的吸收曲线 脉动容积搏动引起光衰减量的变化,其结果导致光程的变化,可将这变化的 部分看作交流成分,而静脉血和非血成分等吸收看作直流成分,由式.可得, 光辐射穿过待测组织的入射光强度厶和吸收物质的摩尔浓度一定时,由于摩 尔 消光系数对某一种特定的待测组分是常数,故透过被测部位的透射光强度仅 是 透射光路的长度的单值函数。 光线透过组织血管时,动脉血脉动引起光路长度的变化?么此时透射光 有一个?的改变,则此时吸光度的改变的鲋为: 厂 , 、 . 亡 \』一刖/ 脉搏血氧测定中,基于血液中氧合血红蛋白,和还原血红蛋白 的吸收光谱的特性,运用?定律,在体浅表动脉处用光电容积描记法 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 获取动脉脉搏波。并使输出光强信号在,。。和,。钿之间被调制而改变,将这 两个透 射光强信号中的脉动成分分离出来,经过放大和滤波后,分别由模数转换器 转换 成数字量,进行下一步的信号处理,进而得到血氧饱和度的值。根据理论分 析, 起决定作用的变量,是两个波长和厶的吸光度变化的比值,即 ,一/,?】一 . 。 鲋 【,一旯/,袖兄 式中幽,和鲋:分别表示吸光度的变化。这一双波长比率与的值是紧 密相关的。根据..的公式有 鼬丝堡×% ‘ : 兰生丝垄二生丝圣 ×% . 【如一如】一 其中旯表示物质在波长下的光吸收系数。对一定波长和一定的组织成 分而言,毛兄是确定的量。 式?中‰、‰五、七和‰五可以通过实验或经验公 式确定: . 勋助 对同时测量的比率与标准血氧计测量的血氧饱和度,利用最小二乘法二次 曲线拟合技术,确定式?中的常数彳、、得到血氧饱和度经验公式。如 果脉动血液里有第三种光吸收物质,只要含量不是很大,血氧饱和度仍可 按照公式计算。为了计算方便,也可适当选择使式中和比率之间 的关系近似呈线性关系。 勒【等 式中【差】是双波长的光吸收变化率,口和是一定传感器结构和生理条 件下的系数,通过对实验数据的统计分析来确定。 从技术方法及实现的可能性上,脉搏血氧测定法所采用的双波长信号通常用 红光和红外光两个波长。因为在红光区如 ,和的分子吸光系 数差别很大,主要反映的吸收;而在红外光区如 ,和的 分子吸光系数差别很小,反映和吸收的综合效果。当血氧饱和度变化时, 与 其值与 两个波长的相对光强之间存在较好的线性关系,因此选 择这两种波长可使测量血氧饱和度的灵敏度最大。 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 将含动脉血管的被测组织部位放置在两个发光管和一个光探测器之间。光探 测器所接收的光吸收或者光透射信号包含多种成分,主要分两类:一类是脉 动成 分即交流信号,它是由脉动的动脉血的光吸收引起的交变成分;另一类是 稳定成分即直流信号,它是各类非脉动组织如肌肉、骨骼等光吸收的 大小。能反映血氧饱和度变化的仅仅是两波长的交流信号幅度之比,两波长 的直 流信号可用于对交流信号定标。两个成分中交流成分在整个复合信号中所占 百 分比很小,而且两波长的百分比也是同步变化的,因此式.中的两波长比率 可定义为两波长的光信号比值只: , / 鱼盟鱼型盟聋竖 . 』 』/』 和红外光 的脉动增量光强度,反 式中厶和,是红光 映经动脉血后透射光的信号强度。和。。是光信号的交流成分,和 ‘。是光信号的直流成分髓。 其实组织内血管除了动脉搏动以外,静脉血管也有相应的搏动。现行脉搏血 氧模型由于不能区分动静脉搏动的贡献,因而假设血管容积搏动完全来自动脉, 并由此而推算出动脉血氧饱和度值。同一台脉搏血氧测量仪在同一人的不同部位 测量,其测量结果和脉搏波波形也有明显不同;其中指尖测的血氧饱和度最高, 脉搏波形较尖,高频成分含量多;其它部位测的血氧饱和度则相应降低,所得脉 搏波形圆钝,高频成分含量少。这充分说明光电信号的脉动成分中有静脉血管搏 动的贡献。 .. 特征值表 由于值与血氧饱和度的关系不能通过理论推导得出,所以在实际的应用过 程中是通过采集不同血氧饱和度时的血液样本,然后做血气分析获得的精确的值 作为特征值。 由上面各式: :盗:?/?/ 惦出掩协 经过大量试验,得出和的标准关系曲线。研究表明:与血氧饱和度 呈负相关,越小血氧饱和度越高,越大则血氧饱和度越低如图.所示。 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 四 踟 皂 船 ? 魁 ? 是 菪 ? 薅 冒 . . . . 图. 和的标准关系曲线图 的取值范围为..,对应的为~%;值为.时,为 %,值为.时,为%。 由上图分析可知,当血氧低于%时,一个微小的值的变化便会引起很大 血氧值的波动,而在血氧饱和度%以上,尤其当血氧在%以上时,值的细 微变化对血氧的影响不明显。当信号噪声比较大时,计算所得的值的波动就 大。 在高血氧区,可以承受相对大的噪声;对低血氧区,血氧值得变化对噪声变的很 敏感。在弱灌注的条件下,由于脉搏信号更加微弱,信噪比更小,血氧饱和度的 不稳定性更加明显。在软件设计过程中采用查表的形式来求血氧饱和度的值,用 一个一维数组来存储全部血氧饱和度值与对应关系的表,数组定义如下: ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ‘’。’’。。’。’’’’。’。’’’’’’。。’’’’’’’’’’’’’ ,,,,,, , ,,,,, ,,,,,,, ?。。???????????????????????????????’ ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,, 数组地址:一.木 血氧饱和度的值:毗/ 的值分别对应数组里这个数的地址,通过地址查表可 得出对应的的值。 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 .数学模型的分析与改进 实际测量中,穿过人体组织的光衰减量不仅包含了血液的吸收量,还包含了 皮肤、软组织、骨骼、静脉血和毛细血管等对光的吸收量,且后者又会因人和环 境的变化而有较大差异。为了排除这些不定因素的影响,在血液浓度变化较大的 地方仅考虑因血液浓度变化而导致的光线衰减来换算血氧饱和度。测量点选在毛 细血管较丰富的地方,如指端、趾端、耳垂等处。所以常用模型中忽略其它因素 引起的衰减的时变性。 ..原始数学模型 令上标、分别代表脉搏扩张和收缩两种状态,下标、豫分别代表红光和 红外光,表示物质浓度,表示物质的摩尔消光系数。根据.定律中 透射光强和初始光强之间的函数关系表达式可以得到:《《./口?册。汪” ,:?力叫.. 肿口口?汪 ? ,‰?侬. 脚口嚣肋口?汪“ . ,磊?可肌, 胁口腰’.。三 ? 气“一三 . , 伽‘毋 由式.除以式.,对商取对数得: , 矿 ..】。 ,蔓;乏丢号坚羔肋口 由式.除以式.,对商取对数得: 七, 盱%铲稚%篙口址 最后可解得血氧饱和度计算式为: : . ?? . 手口侬二鱼一口? 侬 . 旷彦::。爪监~口? 腰 因此,可以得出结论,只要测定出两种波长分别在脉搏扩张和收缩状态的透 第页..数学模型的改进 在原始数学模型的推导过程中,虽然两种波长初始光强』舢和』脶、在最初 就 已经被消去,似乎不会给模型带来影响,但是实际测量中初始光强不一定是 恒值, 随测量时间加长,器件温度会升高,而且长久使用后器件会老化,这些都会影 响 初始光强的值。所以在运算中,应考虑到初始光强本身及其引起的相关变化, 在 求对数时用归一化的值相除的方法加以解决。 协, 盱怒篙/器 ?, 纠案嵩/器 这一步在单片机中用软件实现。 将‰与侬相比,得到中间变量: 协, 百篝藉墨茅 为了使推导过程简化,令萨脚,则: ? 勋 将其简写为,则式.变为: 产?? ?? .,式.可改写为: 沼, ?。 矿裂等等筹告藩器 一托、繁仅警 倪嚣?嚣?繁、 。 皿一口侬,则有: 令口尺“一口?,口 亿, :。芍 芦???苗???元石 口;??。口,。 尸赣 分子分母同除以,可得: :丝?兰坠. 一 ‖ ? 磴一碟 晕? 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 将等式右边式子的分母乘到左边,得到下式:口侬矿口侬 经移项后得: ? 口嚣矿口服芦一口 ? 两边同除以口?,可得: 讹, 豢净芦一务? 令豢,庐学,务,则: 舾 若令,用,?,则上式可写成: ? 式中么、、为方程的系数,扒、为方程的未知数。 由于、、都是、的函数,由萨筇那可见式?实际上是一个二次 方程。由于这两个变量之间的内在关系并不是线性关系,则它们之间的关系 可以 用曲线表达。因此,只要用有创方法测出血氧饱和度,再利用光电转换中输出 电 压、入射光强的关系确定了的值,就可以算出回归曲线方程的系数、、的 值,从而可以确定出回归曲线。 因为、的值都可以直接或间接测得,所以可以先测出组数据,即、,、 ,,,,,?,。利用这些数据即可将系数彳、、 的值计算出来,得到回归 曲线。 为了使血氧饱和度的计算更为准确,就需要求得么、、的最佳估计值,根 据最小二乘法原理可知,只有使式.的方差丁取最小值时才能实现,即: ? 产?,砂,,一 将?展开,得: 仁 ?彳;卜;乙一一一。 . 为了求得么、、的最佳值使得方差为最小,则令丁分别对、、求 偏导,得: 触喜‖忍。 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 . 砂厶。 面善 . ‘ 。。 ‘ ‘‘ 一? 二一、 可以得到一下方程组: . ?彳??出,,?。。一?一 . ?,?,,?,,一?,一 . 砂 。?脚 。? 。?斟 。?? 将此方程组改写为矩阵形式: 七 ? ?誓, ?即, ?七 七 . ?,, ?; ?。, 。 , 睁 ?, ?儿, ? ?, 王 号 通过对这个矩阵求解,可以求的、、 的值,确定出具体的回归曲线。 在确定了回归曲线之后,若想在实际监测过程中求得血氧饱和度的值,则只 需先求得的值,然后利用回归曲线即可求得的值。其中的值要通过测量光电 二极管输出的电压,利用开路电压与初始光强的关系式来求出。 光电二极管的输出电压与接收光强的关系为: 班里 . 可以看出开路电压矿与初始光强度的对数成正比。将式.变形可得: 寺:堕 . 所以,初始光强可表示为: 二生分 . 将上边初始光强表达式代入式.、.得 协, 盱 口 。,址 畿篙/器 第页 卜血,,缈,,一:国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 盯 /.卜%.脶址 则矽、矿侬分别可表示为: 盱急卷/器 ?、:、 寺‘鲁。螈出一%“,?址一蝶啪“啪 付 案卷/糕 磊?侬、一条侬、, 吾‘?。一‰、。一%‰“ 由此可得的表达式: ?坠:鱼 户孥【?竺二幺:?垒尘二监 . 吆一‰,也十一吆‰、 这样,只需要得光电转换的电压值,再作一些简单的运算,就可以求出的 值。将其代入数学模型,计算出、、 的值之后,才能确定回归曲线。然后, 只需根据值的大小在回归曲线上读值即可获得血氧饱和度的值。这时,的值 仅 随值的大小而发生变化,即: 嘞;、、 根据式.可以推导出与的具体关系式: 严二丝 ???? 一 所以得到具体计算式为: . 必翼略 嚣一隰翮般 瓴~‖一, 一一一一恒一馗 帆一帆一八一批 ~~一一~~一 式.即为血氧饱和度的具体计算式,从式子可以看出,只要先确定好回 归曲线的表达式?,就可以根据测得的个电压值曙‘址、%、。。?、 碟、、。、瑶乞?、%、。出、%:和%、。之来计算出血氧饱和 度的值。 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 ..两种模型的对比 本文采用的是双波长透射式测量原理,在目前通用的数学模型中,初始光强 似乎不会给模型带来影响,但实际测量中初始光强不一定是恒值。随着使用时间 加长,器件温度会升高,而且长期使用后器件会老化,这些都会影响入射光的强 度值。本文对原有数学模型的改进算法,在运算中充分考虑了入射光强度厶本身 及其引起的相关变化。在一定程度上克服了发光器件的温度敏感性及发光器件长 期使用而导致器件发光效率下降引起初始光强发生波动对测量精度的影响,更进 一步保证准确、快速、实时的测量血氧饱和度值变化,使测量模型更为合理。 经过上面的分析,我们以血气分析仪作为参考标准,分别使用原始的数学模 型和改进后的数学模型对不同血氧饱和度的情况进行了测试。经过统计计算,可 看出,无论原始数学模型还是改进模型,系统长时间工作的情况下,随着温度上 升,血氧饱和度变化范围都逐渐增大,但改进模型变化范围比原始模型改变要小。 在相同血氧饱和度情况下,原始模型的方差也大于相同情况下改进后的模型方差。 如下图所示: 表.两种模型的比较 模 型 给定血氧 计算血氧 标准方差 % .% .× % .% .× 原始模型 % .% .×. % .% . % .% .× % .% .× 改进模型 .% % .× % .% .× 经过我们对两个模型的对比,可以看出经过改进后的数学模型在提高血氧饱 和度计算精确度方面的确有明显的改善,适合系统长时间运行工作。 .本章小节 本章详细介绍了脉搏血氧饱和度测量方法的生理学与物理学原理,给出了测 量模型,并对原始的数学模型在算法上做了改进研究,通过改进的算法在一 定程 度上可以克服发光器件的温度敏感性及发光器件长期使用对测量精度的影 响,进 一步保证准确、快速的测量血氧饱和度。 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第三章脉搏血氧饱和度测量仪的硬件实现 由于系统主要应用为便携式人体生理信号监测,而功耗情况、可靠性和抗干 扰能力对于便携性设备来说是需要重点考虑的问题。因此,系统器件的低功 耗、 高性能和高可靠性就成为了决定我们设计选型的关键因素。 单片微型计算机. 简称单片机,它是在一块芯片 内集成的微型计算机,包括中央处理单元、存储器,或、 输入/输出/接口、定时/计数器、时钟电路等。有些单片机具有串行接口, /转换接口等。 单片机是超大规模集成电路技术发展的产物,除了体积小,价格便宜外,还 具有以下一些特点: 单片机集成度很高。通常一块芯片就是一台微型计算机,硬件结构大大 简化,减少了元器件数量,体积小,功能强,易于产品化,能获得较佳的性能价 格比。 具有通用性和灵活性,单片机是按照用户编程去工作的。用户可以根据 需要去开发软件。可应用于生产生活各个领域,只需改变固化在存储器中的 程序,, 硬件可以基本不变,就能改变产品功能,实现产品更新。 面向控制,单片机的指令系统具有紧凑的格式和快速执行的特点, 逻辑控制功能很强,运行速度快,能实现实时处理,特别适合于仪器仪表,工 业 控制以及数据采集等领域。 单片机内带有各种功能的/接口,便于系统扩展。单片机中断能力强, 使其在实时控制中发挥很大作用。 可靠性较高,抗干扰能力较强,功耗低。单片机把各个功能部件集成在 一块芯片上。这样可以大大缩短系统内部数据传输的距离,而且有效地减少 了外 部干扰,提高了可靠性。 作为常用的数据处理芯片,虽然具有很高的可靠性、很强大的性能,但 其价格相对昂贵;而单片机虽然在可靠性和开发环境方面不能和 相媲美,但其相对不错的运算能力、相当便宜的价格及脉搏血氧饱和度对位 率精 度不很高的要求,使得单片机在芯片选型过程中能脱颖而出,依靠优 异的性价比成为我们系统研制的首选。 基于 单片机的血氧饱和度测量仪由 单片机、光源驱动、 指套式光电传感器、前置放大电路、积分滤波、基线调整、增益调节、液晶 显示、 键盘控制、接和电源电路等部分组成。因为是对人的手指作为测量的部 位,所以选用的是指套式光电传感器。 第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图.脉搏血氧饱和度测量仪系统框图 上图所示的就是我们此次设计的脉搏血氧饱和度测量仪的系统框图。其中, 传感器驱动电路主要是在单片机发出的控制时序下产生信号,来驱动指套式 光电 传感器有序的进行信号采集;在时序控制下工作的光传感器是利用血液流动导致 人体组织的变化使得透光强度变化,进而改变输出电流强度的大小来进行信号输 出的电路;前置放大电路部分在本系统中的主要作用是将由光传感器输出的电流 信号变为电压信号并予以放大;放大后的信号进入积分滤波电路,通过二阶低通 滤波电路把混杂在信号中的高频部分和工频干扰进行滤除,以获得计算所需要的 脉搏血氧信号;随后信号被送入基线调整电路,电路将带有负电压的信号进行基 线的抬升,确保信号为正电压,为下一步单片机对信号的增益控制做好准备;而 增益调节电路主要利用单片机对一个.电阻网络阻值的调整来控制输出信号的 大小,使信号能够保持在一定的范围内而不发生漂移;经过增益调节