原理與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子儀器ExperimentsinthePrinciplesandDesignofModernMedicalInstrumentation第8講血氧飽和度測(cè)量電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容“8.1

①血氧飽和度的醫(yī)學(xué)臨床意義②血氧飽和度測(cè)量原理和電路設(shè)計(jì)原理③血氧飽和度測(cè)量電路理論推導(dǎo)④血氧飽和度測(cè)量電路仿真⑤血氧飽和度測(cè)量電路實(shí)測(cè)血氧飽和度測(cè)量原理“8.2

醫(yī)學(xué)臨床意義人體內(nèi)的血氧含量需要維持在一定的范圍內(nèi)才能夠保持人體的健康，血氧不足時(shí)會(huì)導(dǎo)致注意力不集中、記憶力減退、頭暈?zāi)垦?、焦慮等癥狀。而如果人體長期缺氧，則會(huì)導(dǎo)致心肌衰竭、血壓下降，以致人體無法維持正常的血液循環(huán)；更有甚者，長期缺氧會(huì)直接損害大腦皮層，造成腦組織的變性和壞死。相對(duì)地，如果人體血氧長期過高，則會(huì)加速體內(nèi)細(xì)胞老化，以至人體各個(gè)器官提前衰竭，使人體無法維持正常的生理活動(dòng)。監(jiān)測(cè)血氧能夠幫助預(yù)防生理疾病的發(fā)生，如果出現(xiàn)缺氧狀況，能夠及時(shí)做出補(bǔ)氧決策，減少因血氧導(dǎo)致的生理疾病發(fā)生的概率。臨床上，一般認(rèn)為SpO2正常值不能低于94％，低于94％被認(rèn)為供氧不足，有學(xué)者將SpO2<90％定為低氧血癥的標(biāo)準(zhǔn)。血氧飽和度測(cè)量方法1、電化學(xué)法

首先進(jìn)行動(dòng)脈穿刺獲取血液，然后使用血?dú)夥治鰞x來分析動(dòng)脈血液，等待一段時(shí)間后得到血氧分壓，再通過計(jì)算就得到血氧飽和度。該方法的測(cè)量結(jié)果精確，但是會(huì)有創(chuàng)傷，而且操作復(fù)雜，實(shí)時(shí)性差，所以僅在血氧飽和度需要十分精確的場(chǎng)合才使用電化學(xué)法。血氧飽和度測(cè)量方法2、光學(xué)法

光學(xué)法是無創(chuàng)的，主要通過血氧探頭檢測(cè)血液對(duì)光吸收量的變化，測(cè)得氧合血紅蛋白占全部血紅蛋白的百分比，從而直接求得血氧飽和度。同時(shí)，它可以連續(xù)測(cè)量，操作方便，實(shí)時(shí)性也好，但是測(cè)量結(jié)果的精確度稍遜于電化學(xué)法。血氧指夾探頭雙波長光源雙波長紅外發(fā)射管內(nèi)有兩個(gè)不同波長的光源，本實(shí)驗(yàn)所用的血氧探頭內(nèi)的雙波長紅外發(fā)射管光源波長為紅光660nm和紅外光940nm。波長為什么選擇660nm和940nm？朗伯-比爾定律在一定波長處光被透明介質(zhì)吸收的比例與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，而與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層的厚度L有關(guān)。無創(chuàng)血氧飽和度的檢測(cè)原理是基于動(dòng)脈血對(duì)光的吸收量隨動(dòng)脈搏動(dòng)而變化的原理進(jìn)行測(cè)量的。當(dāng)心臟的收縮與舒張引起動(dòng)脈規(guī)律性的搏動(dòng)時(shí)，動(dòng)脈血管內(nèi)的血液容積也隨之發(fā)生規(guī)律性的改變，進(jìn)而影響血液對(duì)光吸收量的變化。光的吸收曲線如下圖所示參考資料：https:///video/BV1dM41117LP/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=010e73d4840b025bbced0d27e30ca530R值表R值血氧飽和度R值血氧飽和度590＜R≤64099%940＜R≤97088%640＜R≤68098%970＜R≤100087%680＜R≤72097%1000＜R≤103086%720＜R≤75096%1030＜R≤106085%750＜R≤78095%1060＜R≤108084%780＜R≤81094%1080＜R≤110083%810＜R≤84093%1100＜R≤112082%840＜R≤86092%1120＜R≤115081%860＜R≤88091%1150＜R≤117080%880＜R≤91090%1170＜R≤120079%910＜R≤94089%

血氧飽和度測(cè)量電路設(shè)計(jì)“8.3

血氧飽和度測(cè)量電路設(shè)計(jì)思路血氧探頭發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路模擬開關(guān)電路RED_CS和IR_CS連接到單片機(jī)，由單片機(jī)控制輸出高/低電平。當(dāng)RED_CS為高電平時(shí)，RED+連接3V3SGM；同時(shí)IR_CS為低電平，RED-連接GND，此時(shí)REDLED發(fā)光。當(dāng)IR_CS為高電平，RED_CS為低電平時(shí)，IRLED發(fā)光；當(dāng)IR_CS和RED_CS都為低電平時(shí)，2個(gè)LED都熄滅IR_CS和RED_CS在一個(gè)周期（10ms）內(nèi)的發(fā)光時(shí)序圖如右圖所示。壓控恒流源電路DA1引腳連接單片機(jī)的DAC引腳，R111為采樣電阻，Rl10和Rl09用于輸出緩沖，保護(hù)運(yùn)放。在晶體三極管的放大區(qū)內(nèi)，就可以通過控制UDA1的大小來控制輸出電流Ic大小，從而控制REDLED的光強(qiáng)參考電壓輸出電路在參考電壓輸出電路中，先用3V3A通過兩個(gè)100kΩ電阻R121、R124分壓得到1.65V，之后通過有源低通濾波電路和無源低通濾波電路，將原始參考電壓逐步濾波緩沖，最終得到平穩(wěn)的1.65V參考電壓輸出。信號(hào)放大濾波電路在放大采樣電路中，PD+、PD-為血氧探頭傳輸回來的電信號(hào)，因?yàn)镻D+、PD-信號(hào)微弱，而系統(tǒng)為單電源輸入，所以先添加一個(gè)直流信號(hào)UREF把信號(hào)抬高，否則會(huì)檢測(cè)不到該信號(hào)，然后再通過一個(gè)運(yùn)算放大器A104A放大信號(hào)，根據(jù)R112和R113之間的阻值關(guān)系可算得放大倍數(shù)為20；然后信號(hào)再經(jīng)過運(yùn)算放大器A104B放大5.7倍，最終的血氧信號(hào)VSIG被單片機(jī)采樣。血氧飽和度測(cè)量電路仿真“8.4

壓控恒流源電路血氧探頭發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路通過撥動(dòng)開關(guān)S1和S2，仿真開關(guān)不同位置下REDLED和IRLED的亮滅情況參考電壓輸出電路信號(hào)放大濾波電路1信號(hào)放大濾波電路2血氧測(cè)量實(shí)測(cè)分析“8.5

電源電路實(shí)測(cè)分析1、血氧電路板插入LY-E501醫(yī)學(xué)電子學(xué)開發(fā)平臺(tái)插槽2、將血氧探頭接入設(shè)備的SPO2接口3、將血氧探頭接到血氧模擬器4、用B型USB連接線將設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接5、通過DC12V/2A電源適配器給設(shè)備供電6、觀察血氧電路板上的發(fā)光二極管3V3_LED是否正常點(diǎn)亮電源電路實(shí)測(cè)分析6、通信模式選擇USB通信7、用萬用表測(cè)量測(cè)試點(diǎn)3V3、3V3A和3V3SGM血氧電路板電源電壓序號(hào)123測(cè)試點(diǎn)3V33V3A3V3SGM電壓值/VLY-E501醫(yī)學(xué)信號(hào)采集軟件（血氧模塊）1、運(yùn)行LY-E501醫(yī)學(xué)信號(hào)采集軟件2、串口連接開始采樣單擊“開始采樣”按鈕，在波形顯示窗口中顯示設(shè)備采集到的紅外光和紅光測(cè)得的脈搏波信號(hào)波形。從圖中可得紅外光測(cè)得的波形信號(hào)峰峰值為87.01mV，紅光測(cè)得的波形信號(hào)峰峰值為56.40mV，根據(jù)公式（829）算得R約為0.6482，放大1000倍后查表81，可得血氧飽和度為98%。根據(jù)掃描速度為25mm/s，X軸為5mm/格，相鄰兩個(gè)波峰的間距約為5格，可算得脈率為60BPM。壓控恒流源電路與血氧探頭發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路DA1在經(jīng)過運(yùn)放A103及后續(xù)的濾波電路后，測(cè)量晶體三極管VT101的集電極（測(cè)試點(diǎn)TP8）得到信號(hào)如圖所示壓控恒流源電路與血氧探頭發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路單片機(jī)控制IR_CS與RED_CS交替產(chǎn)生高電平，使得RED+與RED-交替接入3V3SGM從而產(chǎn)生高電平，進(jìn)而達(dá)到控制血氧探頭交替發(fā)出紅光與紅外光的作用。測(cè)量測(cè)試點(diǎn)TP6與TP7得到波形圖如圖所示壓控恒流源電路與血氧探頭發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路測(cè)量對(duì)應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)TP4與TP5得到如所示的RED+與RED-交替接入3V3SGM的波形圖。從圖中可以看出，當(dāng)RED+連接3V3SGM時(shí)，RED-連接晶體三極管VT101的集電極，當(dāng)RED-連接3V3SGM時(shí)，RED+連接晶體三極管VT101的集電極參考電壓輸出電路萬用表測(cè)量測(cè)試點(diǎn)VREF與TP13，記錄測(cè)得的電壓值序號(hào)12測(cè)試點(diǎn)VREFTP13電壓值/V信號(hào)放大濾波電路血氧探頭接入手指后，在TP1處將系統(tǒng)輸入信號(hào)PD+和PD-取差值并放大20倍，并通過參考電壓VREF搭載該信號(hào)，實(shí)測(cè)TP1測(cè)試點(diǎn)，信號(hào)如圖所示信號(hào)放大濾波電路雖然信號(hào)放大了20倍，但還不夠穩(wěn)定和明顯，需要進(jìn)一步放大。如圖所示，TP3為TP1的5.7倍放大信號(hào)。TP1（黃）與TP3（藍(lán)）波形圖脈搏波信號(hào)測(cè)量測(cè)試點(diǎn)VSIG得到脈搏波信號(hào)如圖836所示，但顯示不明顯。更換性能更好的示波器來測(cè)量，波形如下圖所示脈搏波信號(hào)測(cè)量測(cè)試點(diǎn)TP7（RED_CS）和VSIG如下圖所示，結(jié)合時(shí)序圖分析，當(dāng)RED_CS為高電平時(shí)，紅光發(fā)光TP7（藍(lán)）V