血氧饱和度测量仪的设计

血氧饱和度测量仪的设计2目录摘要………………………………………………………………………………………………3第一章绪论……………………………………………………………………………………41.1血氧饱和度的基本概念………………………………………………41.2血氧饱和度测量仪课程设计的意义……………………………………………………31.3血氧饱和度测量仪课程设计的技术要求…………………………………………41.4基本步骤…………………………………………………………………………51.4.1理论依据…………………………………………………………………………………51.4.2硬件电路的设计…………………………………………………………………………61.4.3软件设计……………………………………………………………………………61.4.4仿真及数值定标…………………………………………………………………………6第二章实验方案设计及论证……………………………………………………………………62.1设计理论依据………………………………………………………………………………62.2.双波长法的概念……………………………………………………………………………62.3光电脉搏传感器……………………………………………………………………………72.4传感器可能受到的干扰……………………………………………………………………92.5实验方案设计………………………………………………………………………………10第三章硬件电路的设计…………………………………………………………………………103.1硬件原理框图………………………………………………………………………………103.2各部分电路的设计…………………………………………………………………………11第四章软件模块设计……………………………………………………………………………134.1主程序流程图………………………………………………………………………………144.2子程序流程图………………………………………………………………………………144.3硬件调试……………………………………………………………………………………16第五章设计收获及心得体会……………………………………………………………………17第六章参考文献…………………………………………………………………………………19附录程序清单……………………………………………………………………………………203摘要氧是维持人体组织细胞正常功能，生命活动的基础。人体的绝大多数组织细胞的能量装换均需要氧的参加。所以，实时监护人体组织中氧的代谢具有重要的意义。人体的新陈代谢过程是生物氧化过程。氧通过呼吸系统进入人体血液，与血液红细胞中的血红蛋白(Hb)结合成氧合血红蛋白(2HbO)，再输送到人体各部分组织细胞中去。在全部血液中，被氧结合的2HbO容量占全部可结合容量的百分比称为血氧饱和度2OSa。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，所以动脉血氧浓度即2OSa。的实时监测在临床救护中非常重要。在本次关于血氧饱和度测量仪的设计中，是基于MCS—51单片机的设计，需要选测合适的光电脉搏传感器采集数据，并利用4为LED数码显示测量值，利用键盘切换显示脉搏跳动的频率。关键词：51单片机血氧饱和度比尔—朗伯定理4第一章绪论1.1血氧饱和度的基本概念血氧饱和度(SO2)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。而功能性氧饱和度为HbO2浓度与HbO2+Hb浓度之比，有别于氧合血红蛋白所占百分数。因此，监测动脉血氧饱和度(SaO2)可以对肺的氧合和血红蛋白携氧能力进行估计。正常人体动脉血的血氧饱和度为98%，静脉血为75%。（Hb为血红蛋白，hemoglobin，简写Hb）1.2血氧饱和度测量仪课程设计的意义人体的新陈代谢过程是生物氧化过程，而新陈代谢过程中所需要的氧，是通过呼吸系统进入人体血液，与血液红细胞中的血红蛋白(Hb)，结合成氧合血红蛋白(HbO2)，再输送到人体各部分组织细胞中去通过连续或间断地监测血氧饱和度可以对人体携带氧的能力进行估计,同时,其又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,在手术麻醉、监护室急救病房、病人运动和睡眠研究、以及慢性呼吸循环系统疾病患者的监上都有着重要的作用。传统的血氧饱和度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PO：，计算SaO2：。这种方法比较麻烦，且不能进行连续的监测。因此，一种采用无损光谱学连续检测人体的血氧含量的方法应运而生。其基本原理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、代谢的有用信息，安全、可靠、对肌体无损，具有广泛的研究应用前景和重要的实用价值。1.3血氧饱和度测量仪课程设计的技术要求通过MCS—51单片机（或其他单片机）制作一台数字显示的血氧饱和度测量仪。要求如下：1.了解什么事血氧饱和度，掌握无创测量血氧饱和度的方法；2.选择光电脉搏传感器，设计血氧饱和度检测电路；3.利用4为LED数码显示测量值并可以切换显示脉搏跳动的频率；4.选测单片机构建信号采集系统；55.需将完成的检测调理电路，通过软件仿真验证。1.4基本步骤1.4.1理论依据无创血氧饱和度的检测原理是根据Beer-Lambert定律，引出分光光度法进行物质定性分析和定量分析。根据这个理论基础，由氧合血红蛋白与还原血红蛋白对不同波长色光的吸光度不同和血氧饱和度的定义，推导出动脉血管中的血氧饱和度计算公式。根据朗伯-比尔定律可以得出单色光透过某均匀溶液后透射光强I与溶液诸参数的关系是：ECDeII0式中：E表示该溶液对某特定单色光的吸光系数；C表示该溶液的浓度；D表示光透过溶液所经光程长度。若定义吸光度A为：A=ln(I0／I)=ECD假如均匀组织为血管，当动脉血脉动时，D将有一个△D的改变，此时透射光I也将有一个△I的改变，此时吸光度A的改变△A为：△A=ln[I／(I-△I)]=EC×△D根据医学定义，由于含氧血红蛋白和还原血红蛋白处于同一血液溶液中，他们的含量之比即为浓度之比，这样血氧饱和度为：)1ln(ln1][][][21222IIIIIWwCCCHbHbOHbOSpO如下：现定义式中：△W即为该色光光电信号的交直流成份之比，由以上表达式再根据数学变换，当有两路光源透射过手指后最终可以推出血氧饱和度的计算表达式为：)()(1212222EEWWEEEWWESpO式中：Ei表示不同物质的吸光系数，对于一定波长和一定组织成分而言，Ei是确定的常量。将上式写为如下形式，并展开成二阶泰勒级数为：22CxBxAdWWcbWWaSpO6只要测量出色光光电信号的交直流成份之比△W’／△W与标准血氧计测量的血氧饱和度，利用最小二乘法二次曲线拟合技术，确定常数A，B，C就可以得到血氧饱和度经验公式。1.4.2硬件电路的设计根据脉搏血氧饱和度的测量仪的测量原理，设计了以MCS—51单片机为核心的脉搏血氧饱和度仪的硬件电路，包括方波脉冲发生电路，光电驱动电路，滤波电路，放大电路，数码显示电路，解调电路，电源等。1.4.3软件设计编程产生时序，控制光源驱动电路，ADC0809，数码显示，实现检测结果数字显示及控制整个硬件系统，编程实现信号的增益调节等。1.4.4仿真及数值定标在完成血氧饱和度测量仪硬件系统金额信号处理之后，对脉搏血氧饱和度测量仪进行实验以验证测量的精度。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的定标，以取得最准确的定标参数。第二章实验方案设计及论证2.1设计理论依据血氧饱和度测量仪的设计主要依据是比尔—朗伯定律，和双波长法以及光电脉搏传感器，采用无创血氧饱和度测量仪的设计理念。2.2双波长法的概念在单位时间内有两条波长不同的光束λ1和λ2交替照射同一个溶液，由检测器测出的吸收度是这两个波长下吸收度的差值△A。△A与被测定物质的浓度成正比，这个方法称双波长分光光度法。双波长分光光度法的关键是正确选择两波长λ1、λ2，要求被测组分D在两波长处的△A足够大，而干扰组分G和背景在两波长应有相同的吸光度(△A=0)。为满足上述要求，一般是将λ2选在待测组分的最大吸收波长，λ1是选在干扰组分等吸收波长。可测定浑浊样品，也可测定吸收光谱相互重叠的混合物样品，也是当杂质使主峰产生肩峰时测定主峰物质的较好定量方法。2.3光电脉搏传感器7a.光电式脉搏传感器的原理根据朗伯比尔(LamberBeer)定律,物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。当恒定波长的光照射到人体组织上时,通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的,在人体指尖,组织中的动脉成分含量高,而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄,透过手指后检测到的光强相对较大,因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。b.光电脉搏传感器的结构从光源发出的光除被手指组织吸收以外,一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出来。光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式2种,其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置,接收的是透射光,这种方法可较好地反映出心律的时间关系,但不能精确测量出血液容积量的变化;反射式的发射光源和光敏器件位于同一侧,接收的是血液漫反射回来的光,此信号可以精确地测得血管内容积变化。本文讨论的是透射式脉搏传感器,侧重于脉搏信号的测量。c.光敏原件光电式脉搏传感器由于采用不同的光敏元件有着多种实现方法,其中光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和硅光电池。在传统的光电式脉搏传感器设计中,通常采用的是独立光敏元件,利用半导体的光电效应改变输出的电流,通常光敏元器件输出的电流极低,容易受到外界干扰,而且对后续的放大器的要求比较严格,需要放大器空载时的电流输出较小,避免放大器空载输出电流对脉搏信号测量的干扰,这样对于普通的放大器就不能直接应用在8光敏元件的后端。在本设计中，采用一种光敏元件OPT101,该元件将感光部件和放大器集成在同一个芯片内部,这种集成化的设计方式有效地克服了后端运算放大器空载电流输出对光敏部件输出电流的影响,而且芯片输出的电压信号可以通过外部的精密电阻进行调节,有利于芯片适应整体的电路设计,同时芯片的集成化设计也能够减小系统的功耗。d.发射光源光电式脉搏传感器主要由光源、光敏器件,以及相应的信号调理控制电路构成。为了充分利用器件的效果,光源和光敏元件的选择是综合考虑的,光源的波长应该落在光敏元件检测灵敏度较高的波段内,图4为OPT101的光波长响应曲线。脉搏信号主要由动脉血的充盈引起,而血液中还原血红蛋白(Hb)和氧合血红蛋白(HbO2)含量变化将造成透光率的变化,当氧合血红蛋白和还原血红蛋白对光的吸收量相等时,透射光的强度将主要由动脉血管的收缩和舒张引起,此时能够比较准确地反映出脉搏信号。图5为血红蛋白的光吸收曲线,从图中可9以看出,血液中HbO2和Hb对于不同波长光的吸收系数的差异明显,而且2条曲线好几个不同的交点,考虑到在805nm波长处,血红蛋白的光吸收率比较低,那么透射过手指的光强较大,有利于光敏器件的接收,因此发射光源的波长选择为805nm。2.4传感器可能收到的干扰在测量过程中,前端测量到的脉搏信号十分微弱,容易受到外界环境干扰,因此需要对脉搏传感器的干扰噪声进行分析,从光电式脉搏传感器设计的技术角度减少干扰,使之能够准确测量到脉搏信号。光电式脉搏传感器的干扰主要有测量环境光干扰、电磁干扰、测量过程运动噪声,下面对上述情况结合实验测量做进一步的分析。a.环境光对脉搏传感器测量的影响在光电式脉搏传感器中,光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏信息的透射光信