基于labview的无创脉搏血氧检测系统设计

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1、山西大学学报(自然科学版)33(1):92～96,2010JournalofShanxiUniversity(Nat.Sci.Ed.)文章编号:025322395(2010)01200922053基于LabVIEW的无创脉搏血氧检测系统设计姚峰,乔晓艳,董有尔(山西大学物理电子工程学院,山西太原030006)摘要:设计了一种无创光电容积脉搏波检测系统,它借助LabVIEW图形化虚拟仪器开发平台,利用LabVIEW产生时序信号,调制夹指传感器拾取的光电容积脉搏波.通过前置放大滤波及信号调理电路,然后采集脉搏波.经过基于LabVIEW的数字锁相技

2、术,最终解调获得光电容积脉搏波信号.实验结果表明,该系统可以实现无创脉搏波实时检测、脉搏波形回放、储存和分析等功能.关键词:LabVIEW;数字锁相技术;血氧饱和度;光电容积脉搏波中图分类号:R319文献标识码:A血氧饱和度是临床医学上重要的生理参数,它是衡量人肺的氧合能力及人体血液携氧能力的重要指[1,2]标.目前,基于朗伯2比尔定律的近红外双波长法可实现血氧饱和度无创、连续、实时监测,具有很好的临[3]床应用价值,成为研究的热点.但是该方法存在抗干扰能力弱、信噪比不高、受个体差异影响大等缺点,制约了血氧饱和度检测精度的提高.血氧饱和度是从

3、光电容积脉搏波中提取光谱信息计算得到的,因此,光电容积脉搏波是脉搏血氧饱和度检测的关键.光电容积脉搏波是某个测量部位血液容积的光电描记,由于它容易受多种因素影响,为了提高其抗干扰能力,获得较好的光电容积脉搏波波形,本文利用虚拟仪器开发平台,设计了一种基于LabVIEW的数字锁相放大器.它采用数字乘法器和数字滤波器取代模拟器件,并在动态范[4]围、线性失真、噪声抑制方面的性能远优越于模拟器件,尤其是零点漂移这一重要特性.数字锁相放大器借助虚拟仪器LabVIEW的优势,极大地提高了光电容积脉搏波检测的抗干扰能力和测量精度.此外,虚拟仪器是以软件为

4、核心的结构体系,具有极强的灵活性.由于大多数生理信号频率较低,对采集系统没有特殊的要求,完全可以借助虚拟仪器实现一台计算机对脉搏波、呼吸波、心电图、血压、血氧等生理参数的采集、存储、处理和分析等功能.因此,设计基于虚拟仪器的脉搏血氧检测系统具有广泛的应用价值.1测量原理血氧饱和度(SaO2)是指人体血液中血红蛋白实际结合氧气的量与其最大结合氧气的量的百分比.血氧[2]饱和度的定义为CHbO2SaO2=(1)CHbO+CHb2其中,CHbO、CHb分别为氧合血红蛋白和还原血红蛋白浓度.2[5]当入射光透过某种溶液时,其光吸收特性遵循Lamber

5、t2beer定律,可描述为I-εcl=10(2)I0其对数化表示为IA=lg=-εc;L(3)I03收稿日期:2009206221;修回日期:2009209218基金项目:山西省自然科学基金(2007011041);山西省高校科技开发项目(20081001)作者简介:姚峰(19862),男,江苏镇江人,硕士生,研究方向:生物医学信息检测与处理.通信联系人:E2mail:xyqiao@sxu.edu.cn©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserv

6、ed.http://www.cnki.net姚峰等:基于LabVIEW的无创脉搏血氧检测系统设计93其中I0、I分别为入射光强度和透射光强度,c、ε、A分别为物质的浓度、吸光系数和吸光度,L为光路长度.当两个不同波长的光λ1与λ2透过血液时,根据(1)式和(3)式,可得到血液对波长为λ1与λ2的吸光度[5]方程,联立可推算出血氧饱和度计算式为ε2Q-η2Sa2O=(4)(ε2-ε1)Q-(η1-η2)其中ε1和ε2为Hb和HbO2在波长λ1处的吸光系数,η1和η2为Hb和HbO2在波长λ2处的吸光系数,通常Aλ1为一常数.Q=,其中Aλ和Aλ

7、分别为血液对λ1和λ2波长光的吸光度.12Aλ2由(4)式可知,脉搏血氧饱和度是按照人体组织对不同波长的红光和红外光的吸光度之比(Aλ/Aλ)推12算出的,比值Aλ/Aλ与脉搏血氧饱和度的函数关系应为线性关系,但由于生物组织是一种强散射、弱吸收、12各向异性的复杂光学系统,不完全符合经典的Lambert2beer定律,因而导致了表达红光和红外光吸光度相对变化的测量值与脉搏血氧饱和度之间关系的数学模型建立困难,只能通过定标曲线的方法来确定Aλ/Aλ12[6]与SaO2的对应关系.由于光电容积脉搏波幅值可反映透射光的强度,而透射光强度与吸光度的比

8、值Aλ/Aλ成一定函数关系.因此,可根据测得的脉搏波幅值对脉搏血氧饱和度SaO2进行定标,最终获得可靠12的脉搏血氧饱和度值.2系统设计2.1硬件系统设计脉搏血氧检