??? 摘? 要： 給出了一種無(wú)創(chuàng)血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法,。該系統(tǒng)采用ADμC7026產(chǎn)生周期脈沖信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)兩個(gè)不同工作波長(zhǎng)的發(fā)光二極管(波長(zhǎng)分別為660 nm和940 nm)分時(shí)發(fā)光，由作為跨導(dǎo)放大器的AD8606將接收到的透射光耦合電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并經(jīng)進(jìn)一步放大后，由AD?滋C7026內(nèi)部集成的ADC完成數(shù)據(jù)采集。通過(guò)計(jì)算兩種波長(zhǎng)的吸光度比值R，進(jìn)而確定人體的血氧飽和度。實(shí)驗(yàn)表明,，該系統(tǒng)的無(wú)創(chuàng)血氧飽和度監(jiān)測(cè)效果良好。?

??? 關(guān)鍵詞： 無(wú)創(chuàng)測(cè)量; 血氧飽和度; 光電轉(zhuǎn)換; 跨導(dǎo)放大器

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??? 在生理和臨床監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要持續(xù)地采集血氧飽和度的信息,，如外科心臟手術(shù)和無(wú)自主呼吸情況下使用呼吸機(jī)的過(guò)程中,，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人血氧含量是十分重要的。?

??? 傳統(tǒng)的血氧飽和度的測(cè)量是通過(guò)采血測(cè)量出人體的血氧飽和度的有創(chuàng)測(cè)量方法,，由于需要采血,，不僅給病人帶來(lái)痛苦，而且測(cè)量間隔時(shí)間長(zhǎng),，達(dá)不到到連續(xù)監(jiān)測(cè)的效果,。?

??? 目前，臨床診斷基本上是用血?dú)夥治鰞x測(cè)定SaO₂,，血?dú)夥治鰞x是直接測(cè)定血液中的pH值,、氧分壓和二氧化碳分壓 , 并通過(guò)這三個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出其他數(shù)據(jù)。血?dú)夥治鰞x通常價(jià)格昂貴,、分析周期長(zhǎng),，不適合廣泛使用且達(dá)不到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果。過(guò)去幾十年中,，近紅外血氧監(jiān)測(cè)測(cè)量方法由于響應(yīng)快,、穩(wěn)定性好而受到人們廣泛地關(guān)注。筆者根據(jù)近紅外血氧監(jiān)測(cè)的原理提出一種方便而有效的測(cè)量方法,。?

1 血氧飽和度測(cè)量原理?

??? 人體在吸氣過(guò)程中,，空氣中的氧氣進(jìn)入氣管并運(yùn)輸?shù)椒闻葜械姆蚊?xì)血管。人體內(nèi)血液通過(guò)心臟的收縮和舒張脈動(dòng)地流過(guò)肺部,，在此過(guò)程中,，氧就進(jìn)入肺毛細(xì)血管血液中。大部分氧與血液中的血紅蛋白結(jié)合成為氧合血紅蛋白(HbO₂),，沒(méi)有與氧結(jié)合的血紅蛋白分子稱(chēng)為還原血紅蛋白(Hb),。正常情況下，大約98%～99%的人體吸入氧氣以氧合血紅蛋白的形式存在,。?

??? 足夠的氧是生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，血氧飽和度是反映血氧含量的重要參數(shù),。能否充分吸收氧氣,，使動(dòng)脈血液中溶入足夠的氧,，對(duì)維持生命至關(guān)重要。及時(shí)檢測(cè)動(dòng)脈中的氧含量是否充分又是判斷人體呼吸系統(tǒng),、循環(huán)系統(tǒng)是否出現(xiàn)障礙或者周?chē)沫h(huán)境是否缺氧的重要指標(biāo),。臨床上一般通過(guò)測(cè)量血氧飽和度來(lái)判斷人體血液中的含氧量。血氧飽和度是指血液中氧合血紅蛋白占血液中的血紅蛋白的比例,。血氧飽和度的定義為：SaO₂=HbO₂/（HbO₂+Hb）,。?

??? 在光波長(zhǎng)為700 nm～950 nm這段近紅外區(qū)域內(nèi)，人體血液對(duì)光波的吸收存在一個(gè)“光譜窗”,，如圖1所示,。在這個(gè)“光譜窗”內(nèi)，生物組織對(duì)光線(xiàn)的吸收作用大大降低,，光線(xiàn)可以進(jìn)入更深的人體組織,。人體組織血管中的血紅蛋白對(duì)光線(xiàn)的吸收能力與血紅蛋白的狀態(tài)有密切關(guān)系，氧合血紅蛋白(HbO₂)和還原血紅蛋白(Hb)對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收系數(shù)差異明顯,。在紅光區(qū)(600 nm～700 nm) HbO₂對(duì)紅光的吸收系數(shù)遠(yuǎn)小與Hb的吸收系數(shù),，在紅外區(qū)(800 nm～1 000 nm)Hb對(duì)紅外光的吸收系數(shù)小于HbO2吸收系數(shù)，在805 nm左右為等吸收點(diǎn),，HbO2與Hb吸收系數(shù)相等,。血液對(duì)光吸收程度主要與血紅蛋白含量有關(guān)，紅外光吸光量的變化主要反映氧合血紅蛋白含量的變化,，紅光吸光量的變化主要反映還原血紅蛋白含量的變化,。這樣，通過(guò)檢測(cè)人體組織對(duì)光強(qiáng)的吸收情況,，便可推測(cè)出血液的含氧狀況^[1],。因此，近紅外光譜法能實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)重要器官和組織中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白濃度的動(dòng)態(tài)變化,。?

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??? 本文中采用波長(zhǎng)660 nm的紅光和940 nm的近紅外光作為射入光源,，測(cè)定穿過(guò)組織的光傳導(dǎo)強(qiáng)度，來(lái)計(jì)算血氧飽和度,。圖1所示為還原血紅蛋白與氧和血紅蛋白的光吸收系數(shù)比較,。?

??? 利用氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對(duì)光的吸收，來(lái)計(jì)算血氧飽和度SaO₂,。它們之間存在以下計(jì)算公式^[3],。?

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??? (1)式中的λ₁、λ₂表示波長(zhǎng)為660 nm的紅光和940 nm近紅外光,；分別表示Hb在λ₁,、λ₂波長(zhǎng)下的光吸收系數(shù)，HbO₂在λ₁,、λ₂波長(zhǎng)下的光吸收系數(shù),，在λ₁,、λ₂波長(zhǎng)下的吸光度。波長(zhǎng)為λ₁=660 nm及λ₂=940 nm的光波的吸收系數(shù)?

??? 生物組織對(duì)光的衰減包括吸收和散射兩部分,，由于生物組織是強(qiáng)散射介質(zhì),，因此散射作用大于吸收作用，經(jīng)典Lambert-Beer 定律不能反映這一現(xiàn)象,， D. T Delpy 提出應(yīng)考慮強(qiáng)散射介質(zhì)中多次散射及衰減,，于是提出用下式來(lái)描述光在組織中的傳播。?

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式中,，OD,、I_o、I_r分別表示吸光度,、透射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)^[3],。由此可見(jiàn)，測(cè)量?jī)山M不同的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)人體組織吸收后射出的光強(qiáng)度即可計(jì)算出吸光度比值R：?

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2 基于A(yíng)D?滋C7026系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

2.1 系統(tǒng)框架?

??? 血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括LED發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)電路,、前端放大電路,、信號(hào)采集電路以及控制輸出電路。LED發(fā)光管包括兩個(gè)不同波長(zhǎng)的二極管,，每個(gè)二極管的工作時(shí)間不同,，由處理器控制驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)分時(shí)發(fā)光。前端放大電路由跨導(dǎo)放大器和差分放大器構(gòu)成,。系統(tǒng)的主要算法由處理器ADμC7026計(jì)算完成,。圖2是基于A(yíng)DμC7026處理器的血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖。?

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2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

??? 本系統(tǒng)采用的血氧探頭是由紅光和紅外發(fā)光管反向并聯(lián)連接成的,，為了讓發(fā)光管能正常工作,，利用H橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光管，如圖3所示,。驅(qū)動(dòng)電路由4個(gè)三極管（BC856ASMD,、MMBT2222各2個(gè)）構(gòu)成。P0.6和P0.7作為驅(qū)動(dòng)電路的選通開(kāi)關(guān),，DAC2,、DAC3起著電流控制的作用。在軟件中斷的配合控制下,，產(chǎn)生1 kHz的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào),。H橋驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)兩發(fā)光管發(fā)光的時(shí)序是：紅光開(kāi)，紅光關(guān),，紅外開(kāi),，紅外關(guān)，發(fā)光工作時(shí)序如圖4所示。?

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??? 由于采集到的信號(hào)極其微弱,，為了確保輸入信號(hào)信噪比滿(mǎn)足測(cè)量要求,，在模擬前端必須采用高性能放大器。AD8606具有非常低的失調(diào)電壓和優(yōu)異的噪聲性能,。本系統(tǒng)采用一片AD8606作為光信號(hào)的放大電路。其中OA0為跨導(dǎo)放大器,，OA1作為差分放大器,。?

??? 血氧探頭中的接收光管是由光電池組成，光電池將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào),。電流信號(hào)的放大是由跨導(dǎo)放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成為電壓信號(hào),，OA0放大器是跨導(dǎo)放大器的核心部分?？鐚?dǎo)放大器的R1,、C1與光電池的內(nèi)阻和內(nèi)部電容有關(guān)，而每個(gè)光電池的內(nèi)阻和電容都有很大的差別且不容易測(cè)量,，這給設(shè)計(jì)跨導(dǎo)放大器帶來(lái)不便,，相關(guān)器件參數(shù)需經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定。放大器OA0中兩個(gè)輸入分別連接光電池兩端,，經(jīng)過(guò)OA0放大后的輸出中包括1 V左右的直流分量和峰-峰值為20 mV的交流分量,。OA0的輸出接到OA1的一個(gè)輸入端。ADμC7026通過(guò)端口A(yíng)DC7采集被測(cè)信號(hào),，并經(jīng)過(guò)數(shù)字直流跟隨濾波器提取直流分量后,，通過(guò)端口DAC1將該直流分量以電壓形式輸出作為OA1的另一端輸入。差分放大器OA1為系統(tǒng)提供50倍的信號(hào)幅度放大增益,。模擬前端電路如圖5所示,，電路原理如圖6所示。?

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2.3 算法分析?

??? 透射光信號(hào)耦合電流經(jīng)跨導(dǎo)放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后,，經(jīng)過(guò)差分放大器OA1的輸出信號(hào)中仍然存在殘余直流分量,。因此，該信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換后,，需要進(jìn)行直流分量的進(jìn)一步消除,，即通過(guò)數(shù)字方法對(duì)信號(hào)中的殘余直流分量進(jìn)行跟隨提取，并最終將其從被測(cè)量信號(hào)中去除,。該直流分量跟隨濾波可采用如圖7所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),。其中，參數(shù)K決定了直流跟隨過(guò)程的收斂速度,。?

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??? 在殘余直流分量濾除后,，剩余交流信號(hào)中仍存在低頻噪聲，對(duì)被測(cè)信號(hào)干擾很強(qiáng)，這將為計(jì)算SaO₂帶來(lái)較大誤差,。為此,，需要對(duì)低頻噪聲進(jìn)行抑制。本系統(tǒng)采用的低頻噪聲抑制濾波器針對(duì)6～50 Hz范圍內(nèi)的噪聲進(jìn)行濾波,，以改善系統(tǒng)測(cè)量精度,。系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖8所示。?

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??? 本系統(tǒng)被測(cè)信號(hào)中直流分量的幅值接近1 V,，根據(jù)(4)式可得:?

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??? 由式(5)可知,，只要測(cè)得I_ACλ1、I_ACλ2即可求得R值,，并進(jìn)一步計(jì)算出SaO₂,。為使測(cè)量更為準(zhǔn)確，本系統(tǒng)對(duì)采集到的透射紅光信號(hào)和紅外信號(hào)進(jìn)行求均方根濾波后,，再計(jì)算R的值,。最后根據(jù)公式(4)計(jì)算SaO₂。?

2.4 血氧飽和度采集軟件流程?

??? 血氧濃度的測(cè)量以及處理的算法框圖如圖9所示,，由定時(shí)器TIMER每隔1 ms產(chǎn)生一次中斷通過(guò)判斷參量A的值來(lái)分別控制兩個(gè)發(fā)光管分時(shí)發(fā)光,。接著對(duì)光信號(hào)進(jìn)行采集和處理。?

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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果?

??? 在血氧測(cè)試過(guò)程中,，通過(guò)示波器采集到兩路放大器輸出的信號(hào)波形,，如圖10所示，橫坐標(biāo)軸上面的波形為跨導(dǎo)放大器輸出信號(hào)波形,，下面的波形為差分放大后的信號(hào)波形,，周期是1 ms。?

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??? 為了驗(yàn)證本系統(tǒng)血氧飽和度測(cè)量的實(shí)際性能,，對(duì)正常人做了血氧飽和度測(cè)試,，測(cè)試時(shí)間間隔為20 min。測(cè)試結(jié)果如表1所示,。測(cè)試的結(jié)果表明,，本系統(tǒng)血氧測(cè)量性能良好。?

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??? 本系統(tǒng)基于A(yíng)DI系列芯片,，有效利用血紅蛋白對(duì)紅光和近紅外光的吸收特征,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能,。探頭可以放置在人的手指,、耳朵以及大腿等部位，測(cè)量方便,?？梢詾榕R床診斷和治療提供連續(xù)有效的血樣監(jiān)測(cè)信息,，具有廣闊的應(yīng)用前景。?

參考文獻(xiàn)?

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