学位论文-单片机的脉搏血氧饱和度测量仪的研制.pdf

_硕士学位论文_*C805 1F02 1单片机的脉搏血氧饱和度测量仪的研制 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题；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。传统的测量方法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C 8051F021单片机的脉搏血氧饱和度测量仪的总体设计思 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：1.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C 8051F021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。2.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。3.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i页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文ABSTRACTWith the de ve lopme nt of re form and socie ty,the pe ople s living standards have be e n gre atly improve d.Howe ve r,the incide nce s of cardiovascular and ce re brovascular have also incline d.In addition,the re scue and monitor of body signals of military in battle fie ld and high-altitude re gions is a ve ry important issue.The solve me nt of the se proble ms involve s an important me asurethe oxyge n saturation.The traditional me asuring me thod is traumatic and can not be imple me nte d continuously and re al-time.The de ve lopme nt of photoe le ctric de te ction te chnology can make up for the se shortcomings.More and more re se arche rs are conce rning about the principle of photoe le ctric conve rsion oxyge n saturation me asure me nt.In this pape r,the de sign of C 8051F021 MC U pulse oxyge n saturation me asure me nt instrume nt is discusse d,including the de sign of the hardware,software and the de bug proce ss.The main work of this pape r is as follows:1.Hardware De signAccording to the me asuring principle of the pulse oxyge n saturation me asure me nt instrume nt,the circuit of the pulse oxyge n saturation me asure me nt instrume nt,in which C 8051F021 microcontrolle r is the core,is de signe d.It include s optical driving circuit,programme controlle d gain controlling circuit,a low-pass filte r and amplifie r,DC bias circuit,liquid crystal display circuit and powe r supply,e tc.2.Software De signProgramme s are use d to produce timing se que nce,control the driving circuit of optical source,data colle ction,the display of te st re sults in LC D,controlling of the e ntire hardware syste m and the adjustme nt of signal gain;Digital filte r te chnology is use d to re duce noise and to re duce base line drift;The se lMe aming thre shold me thod is use d to e liminate the inte rfe re nce of motion;a five-point diffe re nce me thod is use d to e xtract the fe ature points of pulse wave.3.Nume rical C alibrationAfte r the comple tion of the hardware syste m of oxyge n saturation me te r and signal proce ssing,to ve rify its accuracy,the pulse oxyge n saturation me te r is te ste d.In orde r to ge t a cre dible re sults in the application,the nume rical me asure me nt instrume nt should be firstly calibrate d and obtain the most accurate calibration parame te rs.Ke y Words：Single-C hip Microcompute r；O2 Saturation Solubility of Blood；Pulse Oxime try；第ii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2.1两种模型的比较.21表3.1指令条数与执行所需系统时钟周期.25表3.2 8位二进制输入编码与十进制数的对应关系.35表3.3控制部分管脚定义.42表3.4驱动部分管脚定义.42表3.5接口信号组合功能表.44表4.1 C KC ON寄存器的配置.49表4.2 TMOD寄存器的配置.49表4.3 TC ON寄存器的配置.49表4.4TH0：定时器高字节.50表4.5TL0：定时器低字节.50表4.6 AMUX0C F寄存器的配置.52表4.7 AMUX0SL寄存器的配置.52表4.8 ADC 0C F寄存器的配置.52表4.9 ADC 0C N寄存器的配置.52表5.1数据对比测试.66第IV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2.1 HbOz和Hb的吸收光谱特性.10图2.2组织对光的吸收曲线.12图2.3 R和SaO2的标准关系曲线图.15图3.1脉搏血氧饱和度测量仪系统框图.23图3.2 C 8051F021的内部原理框图.25图3.3数字交叉开关原理框图.27图3.4光信号的产生驱动电路.28图3.5信号的前置放大电路.28图3.6 AD620的内部原理框图.29图3.7低通滤波电路.30图3.8 直流偏置电路.31图3.9程序控制增益调节电路.31图3.10 R-2R电阻网络.32图3.11 DAC 0832电路示意图.33图3.12程控增益放大电路的简化电路.34图3.13 程控增益放大电路.34图3.14 12位ADC 0功能框图.36图3.15 ADC 0的时序图.38图3.16 ADC 0等效输入电路.38图3.17 SED1335原理框图.39图3.18 SED1335与单片机适配时序.40图3.19 液晶显示电路图.43图3.20键盘连接电路.44图3.21 5V电源产生电路.45图3.22+3V电源产生电路.45图4系统软件流程图.47图4.2时序信号示意图.48图4.3 T0方式1原理框图.49图4.4时序信号流程图.50图4.5增益控制流程图二.51图4.6数据的采样流程图.53图4.7 液晶显示流程图.53第V页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文图4.8曲线显示流程图.55图5硬件电路提取的脉搏图.57图5.2低通滤波处理的脉搏图.57图5.3移动平均滤波后的脉搏图.58图5.4平均移动算法原理图.58图5.5平均移动滤波后的脉搏图.58图5.6 IIR数字低频滤波器滤波后的脉搏图.59图5.7抛物线拟合五点法滤波后的脉搏图.60图5.8抛物线拟合七点法滤波后的脉搏图.61图5.9抛物线拟合九点法滤波后的脉搏图.61图5.10抛物线拟合十一点法滤波后的脉搏图.61图5.11两种测量数据的拟合曲线.67第VI页独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我之上七年不乏与r进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特变女：、巨笠色致谢妁地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包合为获得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.）：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1.1 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（HbOz）和还原血红蛋白（Hb）组成。当血液中氧分压升高 时，还原血红蛋白（Hb）与氧气结合，形成氧合血红蛋白（HbC h）;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 结合在一起，只有约2%氧溶解在血浆中，1g血红蛋白可结合L34ml-1.36ml的 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100 ml血液中 血红蛋白的量为15g,则100 ml血液能结合氧气的最大量为20 ml。100 ml血液中 血红蛋白能结合氧气的最大量叫做血红蛋白氧容量，100 ml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（SaC h）。SaO2=仇_xl00%2 HbO2+Hb(1-1)血氧饱和度（SaO2）的正常值是95%,它与氧分压、酸碱度、体温变化等有 关。当血氧饱和度94%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C 8051F021单片机的脉搏血氧饱和度测量仪。第1页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文1.2 脉搏血氧饱和度测量仪的原理 一在临床实践中，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（PaO2）,并计算动脉血氧饱和度（SaO2）。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20世纪80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。1.3 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Lambe rt-Be e r定律的血 氧饱和度测量的研制可以追溯到十九世纪。Lambe rt-Be e r定律描述了光的传播与光 密度的关系。Bunse n和Kirchhoff于1860年改进分光光度计和随后不久Stoke s 和Hoppe-Se yle r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。1932年，Nicolai和Krame r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。1935年，Matthe s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。1942年，Millikan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。Millikan将脉搏血氧饱 和度测量仪装备在飞机上。1949年，Wood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2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。Wood采用的这种方法在20世纪50年代成为一种最佳 的无损伤检测血氧饱和度的方法。如Wate rtHlOOA型血氧计，血氧饱和度测量范 围60100%时，精度超过2.98%。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200 mmHg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Elam和C oworke r在经 过对受压耳朵的透射光研究后指出，即使加上200 mmHg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。1964年，Shaw设计了一种八波长的自身调整的耳部血氧计。如HP47201A 型耳部血氧计。它的优点是避免了上述繁琐的调整技术，从650 nm到1050 nm 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+.+4ZSaO2=稣+.一+.2+（1-2）D：=Log M（1-3）其中i=i8,4代表不同的光波长，4,0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1300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A,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60%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3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。1973年，日本人Tahu。Aoyagi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；1974年世界上第一台无创式脉搏血氧仪问世；1982年Ne llcor公司 研制出一种性能更好的脉搏血氧饱和度仪N-100,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。1.4 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：1.4.1 军事作战上应用一、应用于战场救护21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，科学制定计划、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。1.4.2 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4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（阿。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“L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1、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98%。2、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15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皿。1.5 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：1、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。2、采用更为有效的信号提取技术（数字血氧技术）例如Masimo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DSP高速处理芯片中进行信号处理，有 第5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。3、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。1.6 课题研究主要内容实验已经表明，在660nm波长附近，还原血红蛋白的摩尔消光系数较大；在 940 nm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660nm、940 nm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I-V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R-2R电阻网络来保持在一定的范围内而不 发生漂移。A/D转换充分利用单片机12位的ADC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RS232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6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IIR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。1.7 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7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2.1 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。2.1.1 郎伯一比尔(Lambe rt-Be e r)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(Lambe rt-Be e r)定律 吐，即光辐射通过样品后的透射光强/与初始光强之比与吸收物质的摩尔浓度 c(单位是moHL-D、光路长度水单位是cm)和摩尔消光系数奴单位是Lmol-LcnT】或cm2-mor1)之间有如下关系：I/Io=e xp(-kcd)(2-1)式(2-1)可变换为：24=ln y-=kcd(2-2)其中/透射光强度/()-入射光强度k-摩尔消光系数c-吸收物质的摩尔浓度d光路的长度，即吸收物质的厚度A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：(D入射光为单色光。(2)吸收过程中各物质无相互作用。(3)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(2-1)利用级数展开公式e xp(x)=1+x+x2/2!+x3/3!+.,当x。时，可有 第8页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文e xp(x)l+x因为初出d,所以有1=I。(1kcd)(2-3)由(2-3)式可知，当光辐射穿过待测组织的长度d和初始入射光强度一定 时，由于摩尔消光系数k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c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底如。因为光线的变化是由血液中物质的变化量引起的，故有：(:)x AC(2-4)I(2)式中AZ(4)测量点处波长为2的光线密度变化量7(2)测量点处波长为A的光线的平均密度K(A)血液对波长为2的光线的衰减系数C血液浓度的变化量研究中取K(4)为血液中不同物质对光线衰减系数的线性组合，即：K =(仪)X AG+&(力x Ag+(力x孤(2-5)AC式(2-5)中下标1至加表示不同物质的相应量，且有：AC=AC 1+AC 2+AC 3+AC m(2-6)所以式(2-4)可具体表示为：X=K1(2)x AC 1+K2(A)X AC 2+Kr n(2)x 卜酬(2-7)/(2)对应每一种波长的光线便可以得到一个(2-7)式，如果采用m种不同波长的 光线，就可以得到加个线性方程，并由此解得AC 1至AG,有如下形式：G=NR(Ai)+N2R(22)+NmR(2)(2-8)式中下标i表示1到种光线中的第i个量，而：R(%)(2-9)/(4)M至仍为各种物质对应于不同波长的常系数，从而根据式(2-9)可算出每 种物质的含量如下：AAi-i=l,m(2-10)AC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9页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文=_n?6r（4）_a 2-r（4）+（n7Q+n）r（4）将其表达形式简化，即：Sa。：.X1R（备+.（制x3r（4）+xm（4）(2-11)(2-12)式中XiX4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R（21）/R（22）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：X、R-R 3+X*（4）（2 13）Xm+R（4）+兀+2尺 5）+/R（V式（2-9）中的A/（九）和/（4。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，但不要太大使透过部分难于检测。由于氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白对600 nm以下波长光吸光 系数过大，不适宜血氧饱和度测量。吸光系数图2.1 HbO?和Hb的吸收光谱特性第10页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文从图2.1中曲线上看出，在波长为600 nm700 nm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，660 nm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800 nm-1000 nm的红外光区，还原血 红蛋白的吸收系数要比氧合血红蛋白的小，其中在920 nm950 nm这个波长段，两曲线变化较缓且接近重合，一般选940nm作为测量波长。当波长为805 nm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，805 nm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。2.1.2 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0.014Hz。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：1.心脏快速射血期。动脉血压快速上升，管壁扩张。2.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”。3.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”。4.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(Ple thymography)I25O第11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。输出光强度图2.2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（2-3）可得,光辐射穿过待测组织的入射光强度/。和吸收物质的摩尔浓度c 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d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d的变化Ad,此时透射光/有一个AZ的改变，则此时吸光度4的改变的A4为：A=ln（/g卜履（2-14）脉搏血氧测定中，基于血液中氧合血红蛋白（Hb。？）和还原血红蛋白（Hb）的吸收光谱的特性，运用Lambe rt-Be e r定律，在体浅表动脉处用光电容积描记法 第12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/叫,和41n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p，是两个波长(4和4)的吸光度变化的比值，即皿/四区)一(4)一 Qis)呵/皿(4)/却,)必式中和刈2分别表示吸光度的变化。这一双波长比率P与SaO2的值是紧 密相关的。根据Uon.K.Forstne r的公式有SaO2=HbO2HbO2+HbxlOO%=-)-xoo%(2-16)P X Hb(4)HbO2(2)+HbO2(A)(4)其