血氧饱和度光电信号处理电路设计

1实验报告实验项目名称：血氧饱和度光电信号处理电路设计一、实验目的1.了解血氧饱和度测试的意义和无创伤测试基本原理。2.掌握血氧饱和度双路光电电路设计。3.掌握信号滤波及放大电路二、实验环境硬件：PC机，基本配置CPUPII以上，内存256M以上；软件：Proteus、keil4三、实验原理1.血氧饱和度测定的意义血氧饱和度是衡量人体血液携带氧能力的重要参数。由于氧通过呼吸进入细胞进而被血红蛋白所氧合是由多个环节组成，其中任何一个环节出现问题均可导致供氧障碍。监测动脉血氧饱和度可以对肺的氧合和血红蛋白携带能力进行估计，在临床上具有重要的意义。在临床实践中，估计动脉氧合能力有多种方法，最常用的是取动脉血，但这种方法需要动脉穿刺或者插管，且不能连续监测。无创伤检测动脉血氧饱和度的方法，是一种采用脉搏血氧测量法的动脉血氧饱和度测量方法，它的特点是能够在无创伤条件下实现连续测量动脉血氧饱和度，使用方便，应用前景广泛。2.脉搏血氧测量法基本建模原理脉搏血氧测量法的原理是基于光学定律-----朗伯特—比尔定律建立无创伤血氧饱和度测量的模型和基于光学脉搏容积描记法建立动脉组织的模型。比尔定律认为：光通过物质时，它的强度会或多或少的减弱，这种现象叫做光的吸收。实验证明：当单色光通过溶液时，透射光的强度与溶液的浓度、厚度、入射光的波长有关。称为吸光度。换言之，如果我们测出吸光度，而厚度、入射光的波长已知，则可以计算出溶液的浓度。脉搏血氧测量正是利用了这一原理。在脉搏血氧测量法中，假设忽略动脉血管中其它成份影响仅考虑氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb),则血氧饱和度SpO2的定义是：SpO2＝HbHbOHbOCCC222HbOC表示氧合血红蛋白含量；HBC表示还原血红蛋白含量。两种血红蛋白在红光谱区吸收差别很大，而在近红外光谱区，吸收差别较小，所以不同氧饱和度的血液光吸收程度2主要与两种血红蛋白含量比例有关。也就是说由于在红光谱区和近红外光谱区里，氧合血红蛋白和还原血红蛋白有自已独特的吸收光谱，因此根据比尔定律可以决定血红蛋白含量的相对百分比，即血氧饱和度。为了把问题简化，脉搏血氧测定法假设的组织模型由两部份组成：无血组织（皮肤，骨骼，静脉血等）表现为固定的光吸收，即直流成份。而动脉血管（由氧合血红蛋白和还原血红蛋白组成的动脉血液）则为脉动变化的光吸收，即交流变化的信号。假定光衰减量的变化完全是由于动脉容积搏动所引起，从而就可以从光的总衰减量中除去直流成份，用余下的交流成份进行分光光度分析，计算出动脉血氧饱和度。SpO2＝K1R+K2R+K3式中，K1,K2,K3是经验常数，而R是在某个很小的时间间隔上，两种光电信号幅度变化量之比。3.动脉血氧探头动脉血氧探头是由红光发光二极管、近红外发光二极管和高性能光敏二极管组成的混合光学传感器。使用波长660nm的红光和940nm的近红外光作为射入光源，利用手指作为盛装血红蛋白的透明容器，测定通过手指的光传导强度，来计算血红蛋白浓度和血氧饱和度。一般认为SpO2正常应不低于94％。探头上壁固定两个并列的发光二极管，下壁有一个光电检测器将透过手指的红光和红外光转换成电信号，它所检测到的信号越弱，表示光信号穿透指尖时，被那里的组织、血液吸收掉的越多。4.电路实现原理RED-LEDIR-LED血氧饱和度探头+5VA-5VAR841KR831KR86100KR85100KR8810kR8710kR8910kR9010kC64473C63473C65683R9415KR925.1K432561NET_IR_LEDNET_RED_LEDNET_PIN+NET_PIN-NET_PIN+NET_PIN-C59104C60104+5VA-5VA+5VDLAMP内屏蔽外屏蔽123456血氧探头插头引脚定义R911MC66105C70473R935.1KC68105C69105R9515K32184U31AOPA2277567U31BOPA2277NET_IR_LEDNET_RED_LEDR107200ΩRW9(WXD3-13)100KR100200ΩRW8(WXD3-13)10KQ109012Q119012Q129013Q139013Q149013Q159013R1011KR1021KR1032KR1042KR10551ΩR10651Ω+5VAPC4PC5RW10(3296)100ΩRW11(3296)100ΩAD7AD6R9833KR9933KR9651KR9751KRW7(WXD3-13)10K-5VA+5VA-5VA+5VA1234567891011121314151617181920212223242526J5CON26AD6AD7LAMP+5VA-5VAGNDGND+5VDC71105Q179013Q169013C77683PC4PC532674U29OPA27732674U28OPA277+5VA-5VA+5VA-5VA32674U32OPA277+5VA-5VA32674U33OPA277+5VA-5VA32674U34OPA277+5VA-5VA32184U35AOPA2277+5VA-5VA32674U30OPA277C61104C62104C67104C72104C73104C78104C75104C76104C81104C79104C80104C82104V1V3V4V5VacVdcV2I1I2(1)(2)(3)C74104动脉血氧饱和度测试电路原理图上图中，左上的标有(1)的部分是探头电路结构图。RED-LED是红光发光二极管，IR-LED是近红外发光二极管，其右边是光敏二极管。3右上的标有(2)的部分是发光管驱动电路。为了保证光源的稳定，发光二极管采用恒流源进行驱动。PC4,PC5是主板通过程序发出的控制信号，例如，当PC5=1时，Q14、Q10、Q15、Q17导通，+5V通过Q10的集电极加到红外管的阳极，Q15的集电极加到红外管的阴极，向近红外二极管提供稳定的电流，使之发光。同理，当PC4=1时，红光二极管获得电流发光。这样，PC4和PC5交替控制相应的电路工作，形成产生控制红光、红外光发光的时序信号。上图中下方标有(3)的部分是同步解调放大电路。负责将两路微弱的脉搏信号从干扰信号中检测出来，将信号同步解调还原，再从中分离出交流信号AC,直流信号DC和放大滤波到一定数值，提供给计算机进行模数转换及处理。图中AD7是直流信号，AD6是交流信号。为了避免AD6出现负信号，在交流信号通道中，设有基准电平调整电路。四、实验内容及结果分析1、通过Proteus软件新建仿真图4Proteus仿真图2、在keil4软件中编写单片机程序#includereg51.hsbitps1=P1^0;sbitps2=P1^1;inti=0;voiddelay1ms(void)//误差0us{unsignedchara,b,c;for(c=1;c0;c--)for(b=142;b0;b--)for(a=2;a0;a--);}voidmain(){TMOD=0x01;TH0=0x0FC;TL0=0x18;EA=1;ET0=1;TR0=1;while(1){}}voidTimer0Interrupt(void)interrupt1{TH0=0x0FC;TL0=0x18;i++;if(i==1){ps1=ps2=0;}if(i==2){ps1=0;ps2=1;}if(i==3){ps1=1;ps2=0;}if(i==4){ps1=ps2=1;i=0;}}5运行结果：