一种人体无创动脉血氧饱和度检测电路设计

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1、一种人体无创动脉血氧饱和度检测电路设计科技部国际科技合作项目(2008DFR10530)资助。王永青张志鹏王洪瑞刘秀玲（河北大学电子信息工程学院，河北保定市071002）摘要：根据动脉血液的光吸收量随脉搏波动变化的规律设计出一种人体无创脉搏血氧饱和度测试仪电路。利用DSP时序信号控制光源驱动电路和信号分离电路，实现信号同步发送和分离接收；采用压控电压源二阶低通滤波器消除杂散光的高频干扰；使用信号分离电路、高通滤波电路和次级低通滤波电路，分别提取出血氧直流信号和交流信号，并对其分别使用反相电路和交流信号

2、放大电路，有助于AD采集，提高测试精确度。利用移动平均法对采集到的血氧交流信号进行消噪处理，提高了测试数据的准确度。关键词：动脉血氧饱和度;无创;检测;血氧复合信号;移动平均算法1、引言动脉血氧饱和度是判断人体循环和呼吸系统是否出现障碍或者周围环境是否缺氧的重要指标[1]。由于心脏呈周期性收缩和舒张，使得血液脉动的流过肺部，血液中一定含量的还原血红蛋白（Hb）与肺泡中的氧气结合成为氧合血红蛋白（HbO2），然后这些氧被运载到全身的毛细血管，并且把氧释放出来，供给细胞组织的代谢。目前，血氧饱和度的测量方

3、法可分为有创测量和无创测量。由于有创测量检测结果缺乏时效性，易对病患造成痛苦，且操作方法较为繁琐。因此逐渐被具有连续、及时、安全等特点的无创检测所代替。2、动脉血氧饱和度测量原理无创动脉血氧饱和度测试仪就是根据动脉血液对光吸收量随人体脉搏波动而变化的规律设计的。由于动脉血管搏动，动脉血液对光的吸收量呈脉动变化，称为脉动分量（即交流量△I）；当心脏收缩时血容量最多，光吸收量也最大，测量到的光强度最小；而心脏舒张时血容量最小，光吸收量最小，测量到得光强度最大。而静脉血、肌肉、骨骼和皮肤等其他组织对光的吸收

4、被认为是恒定不变的（即直流量I），如图1所示。输出光强度IDCImaxIminIAC图1人体组织对光的吸收强度曲线动脉血氧饱和度是指在全部血液容量中，氧和血红蛋白的含量占全部可结合氧含量的百分比[2]，即（1）当以一个特定波长光照射测试部位时，按照Lambert-Beer定律，且血液对光的吸收程度主要与血红蛋白含量有关[3]。通过测试部位后的光强为：(2)其中，I0为入射光强，ε0、C0和L分别为非脉动成份的人体组织和静脉血的总吸光系数、光吸收物质浓度和光路径长度；εHbO2、CHbO2分别为动脉血液

5、中氧合血红蛋白（HbO2）的吸光系数和光吸收物质浓度；εHb、CHb分别为动脉血液中还原血红蛋白（Hb）的吸光系数和光吸收物质浓度。入射光路径长度L会随动脉血管的舒张和收缩发生变化，假设当入射光路径长度变化△L时，透射光强变化量为IAC，则：(3)若使用两种波长为λ1和λ2的光束分别照射测试部位，则可推导出：(4)(5)若选择波长为λ2的入射光线，使εHbO2λ2=εHbλ2，并令，则动脉血氧饱和度SaO2为：(7)根据血液氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）在红光和近红外光区的吸收光谱曲线

6、可知，在波长650nm附近处，两种血红蛋白的吸光系数相差最大；在波长805nm附近，氧合血红蛋白的吸光系数近似等于还原血红蛋白的吸光系数，并且在波长850nm-950nm的范围内，两物质吸光系数曲线近似重合，如图2所示[4]。综合考虑实验条件等因素，在实验中选择波长分别为660nm和940nm的两种发光二极管作为测试发光光源。氧合血红蛋白还原血红蛋白1.51.20.90.60.30吸光系数波长/nm6007008009001000图2氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收光谱曲线3、硬件电路设计及其工作原理光

7、源驱动电路测试光源血氧饱和度数据显示光电池I/V、放大电路低通滤波电路与反相电路高通滤波电路交流信号同相放大电路低通滤波电路信号分离电路AD转换信号处理时序信号DSP手指图3动脉血氧饱和度监测仪电路框图Fig.3Thecircuitblockdiagramofarterialoxygensaturationmonitor人体动脉血氧饱和度监测仪电路框图如图3所示，由DSP时序信号控制光源驱动电路和信号分离电路，同步发送、接收测试信号；通过低通滤波电路消除杂散光干扰，利用次级低通滤波电路和高通滤波电路分

8、别获得计算血氧饱和度需要的血氧直流信号和交流信号；为方便数据采集处理，提高测试精度，设计了直流信号反相电路和交流信号同相放大电路。3.1光源驱动电路本测试仪测试光源驱动电路如图4所示，其中RLED-CTRL1、RLED-CTRL2、IRLED-CTRL1和IRLED-CTRL2为DSP控制时序信号端。由DSP产生频率为200Hz的时序控制信号（如图5所示），驱动红色发光二极管D1和红外发光二极管D2交替发光。在T1时刻Q1、Q4导通，Q2、Q3截止，红色