脉搏血氧饱和度检测仪

无创脉搏血氧饱和度检测仪Non-invasivePulseMonitorofOxygenSaturationofBlood学生姓名袁华专业生物医学工程学号100811213指导教师黄丹飞学院生命科学技术学院二〇一三年六月无创脉搏血氧饱和度检测仪I摘要在病人救治过程中，实时提取生命体征数据能大大提高救治效率，特别是对于昏迷、麻醉的受害者。脉搏血氧饱和度是生命体征中最重要标志之一，依靠连续的脉搏血氧饱和度检测能监控病人的体征状况，进行诊断并给予有效救治。本文介绍了基于FPGA设计的检测主动脉脉搏血氧饱和度的系统方案，主要描述了应用脉搏血氧饱和度技术于连续监测血氧饱和度信号的原理和硬件结构。关键词：血氧饱和度无创朗伯-比尔定律LabVIEW无创脉搏血氧饱和度检测仪IIAbstractIfthedoctorcanmeasuresomereal-timevitalsignsofsuffererduringthemedicaltreatment,theresueefficiencywillgreatlyimprove,especiallyforthevictimsofthecomaoranesthesia.Thepluseandarterialbloodoxygensaturationdegreearethemostimportantvitalsignofahuman,relyoncontinuouspulseoxygensaturationdetectiontomonitorthepatient'ssymptoms,diagnosisandeffectivetreatment.Introducedinthispaper,basedontheFPGAdesignofdetectionsystemsolutionsintheaorticpulseoxygensaturation,mainlydescribestheapplicationofpulseoxygensaturationtechnologycontinuousmonitoringofthebloodoxygensaturationsignalprincipleandhardwarestructure.Keywords:oxygensaturation;non-invasive;Lambert-Beer;LabVIEW无创脉搏血氧饱和度检测仪I目录摘要.............................................................................................................................Abstract...........................................................................................................................II第1章绪论...................................................................................................................11.1课程研究背景及意义................................................................................................11.2国内外现状................................................................................................................11.3研究内容....................................................................................................................2第2章系统设计............................................................................................................32.1设计原理....................................................................................................................32.2设计方案及软硬件设计............................................................................................52.2.1系统框图.........................................................................................................52.2.2指套传感器.....................................................................................................62.2.3光调制时序信号及驱动调制电路.................................................................62.2.4电流-电压转换及前置放大电路....................................................................82.2.5滤波电路.........................................................................................................92.2.6锁相放大电路...............................................................................................102.2.7数字电路设计................................................................................................112.2.8程序设计.......................................................................................................122.3存在的问题及改进方法..................................................................................13第3章结论与体会......................................................................................................14参考文献.......................................................................................................................15无创脉搏血氧饱和度检测仪1第1章绪论1.1课程研究背景及意义氧是维系人类生命活动的基础，正常情况下，人体的血液通过心脏的收缩和舒张脉动地流过肺部，血浆中溶解有2％的氧，称之为𝑃𝑎𝑂2，即动脉血液中的氧分压。其余大部分的氧与动脉血液中的血红蛋白结合成为氧合血红蛋白后进入组织，表示为𝐻𝑏O2。这些氧通过动脉系统一直到达毛细血管，然后将氧释放，维持组织细胞的新陈代谢。相对地，用Hb表示没有与氧结合的血红蛋白，即还原血红蛋白。血氧饱和度就定义为氧合血红蛋白在动脉血液中所占的比例。能否充分吸入氧气，使动脉血液中溶入足够的氧，对维持生命是至关重要的。及时检测动脉中氧含量是否充分，是判断人体呼吸系统、循环系统是否出现障碍或者周围环境是否缺氧的重要指标。临床上一般通过测量血氧饱和度来判断人体血液中的含氧量。血氧饱和度的测量方法可分为有创测量和无创测量两种。有创测量方法是先进行人体采血，再利用血气分析仪进行电化学分析,测出血氧分压𝑃𝑎𝑂2，计算𝑆𝑎𝑂2。该方法比较麻烦,且不能进行连续的监测。无创血氧饱和度检测主要采用双光束透射式方法，就是鉴于氧合血红蛋白和还原血红蛋白在不同波长的红外光区、红光区有独特的吸收光谱，由不同波长的红光和红外光通过生物组织的吸光度相对变化值之比推算𝑆𝑎𝑂2，从而对生物进行无损检测。现今应用在临床的脉搏血氧饱和度检测仪大部分都是集中式控制，设备体积大，使用不方便，价格昂贵且不利于管理。在野外、危险区域，医生不便携带这些设备，影响受害者得到及时救治，甚至造成二次伤害，限制了其相关应用。另外随着人类生活质量的提高，健康成为人类生活中最重要的追求。脉搏血氧饱和度信号可以帮助人们实时观察自身健康状况。特别对于运动员，更希望在运动中突破自己生理极限取得更好成绩。因此体积小、价格便宜的无创式脉搏血氧饱和度测量仪具有很大的实用价值。1.2国内外现状目前，有创血氧饱和度检测方法有VanSlyke检压法和氧电极法，无创检测主要是基于红外光谱法。国内外运用红外光谱法进行血氧饱和度的测量已经取得较大成功，并大范围应用于临床。世界上比较知名的血样产品品牌有Neller、Massimo、Philips和CSI等。Neller公司近年来研究出一种新型血氧探头，MAX-FAST前额粘贴式传感器。国内也有很多血氧饱和度检测仪的研究机构，如北京惠普生物医学工程公司的血氧饱和度探测接头、华中科技大学的脉搏血氧多波长测量方法及其脉搏血氧饱和度监护仪、西安蓝港数字医疗科技股份有限公司的手指血氧仪等。无创脉搏血氧饱和度检测仪21.3研究内容现有市场上的无创脉搏血氧仪价格都较昂贵,难以完全满足家庭社区保健监护的需要。因此，本课题旨在设计一种价格适宜，适用于家庭社区的便携式无创脉搏血氧饱和度测量仪。本文主要研究根据无创脉搏血氧饱和度测量仪的测量原理，设计的以AT89C52芯片为核心处理单元的无创脉搏血氧饱和度测量仪的硬件电路。编程产生时序，控制光源驱动电路；编程实现数据采集及控制整个硬件系统；采用数字滤波技术减少噪声干扰和减少基线漂移等软件设计。无创脉搏血氧饱和度检测仪3第2章系统设计2.1设计原理血液的氧含量一般用血液中氧合血红蛋白占总血红蛋白的百分比来表示,称为血氧饱和度,即𝑆𝑎O2=𝐻𝑏𝑂2𝐻𝑏𝑂2+𝐻𝑏×100%（1-1）式中，𝑆𝑎O2表示血氧饱和度，𝐻𝑏𝑂2和Hb分别表示血液中的氧合血红蛋白与还原血红蛋白。无创脉搏血氧饱和度测量是以朗伯-比尔定律（Lambert-Beer)为基础，利用近红外光谱吸光光度测定原理。由于血液中不同成份对同一种光线的吸收率各不相同，通过测量穿过血液的不同光线的衰减程度可以换算出血液中不同成份的含量。由朗伯-比尔定律，知log𝐼0𝐼=Kbc（1-2）式中𝐼0为入射的单射光强度；I为透过光强；K是比例常数，与入射光的波长、物质的性质和溶液的温度等因素有关；b是液层厚度；c是溶液浓度。当𝐼=𝐼0时，log𝐼0𝐼=0，表示溶液对入射光完全未吸收；当𝐼0一定时，I值越小，则log𝐼0𝐼值越大，表示溶液对入射光的吸收程度越大