人体动脉血氧饱和度无创检测电路设计

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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

2、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CHbO（1）S=2×100%C+CHbO2Hb动脉血氧饱和度是判断人体循环和呼吸系统是否[1]当以一个特定波长光照射测试部位时，按照出现障碍或者周围环境是否缺氧的重要指标。由于Lambert-Beer定律，且血液对光的吸收程度主要与血心脏呈周期性收缩和舒张，使得血液脉动的流过肺部，[3]红蛋白含量有关。通过测试部位后的光强为：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I=Ie−ε0C0L•e−εH

3、bO2CHbO2L•e−εHbCHbL(2)DC0载到全身的毛细血管，并且把氧释放出来，供给细胞其中，I0为入射光强，ε0、C0和L分别为非脉动组织的代谢。目前，血氧饱和度的测量方法可分为有成份的人体组织和静脉血的总吸光系数、光吸收物质创测量和无创测量。由于有创测量检测结果缺乏时效浓度和光路径长度；εHbO2、CHbO2分别为动脉血液中性，易对病患造成痛苦，且操作方法较为繁琐。因此氧合血红蛋白（HbO2）的吸光系数和光吸收物质浓度；逐渐被具有连续、及时、安全等特点的无创检测所代εHb、CHb分别为动脉血液中还原血红蛋白（Hb）的吸替。光系数和

4、光吸收物质浓度。2、动脉血氧饱和度测量原理入射光路径长度L会随动脉血管的舒张和收缩发无创动脉血氧饱和度测试仪就是根据动脉血液对生变化，假设当入射光路径长度变化△L时，透射光光吸收量随人体脉搏波动而变化的规律设计的。由于强变化量为IAC，则：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I−I=Ie−ε0C0Le−(εHbO2CHbO2+εHbCHb)(L+ΔL)(3)DCAC0最多，光吸收量也最大，测量到的光强度最小；而心若使用两种波长为λ1和λ2的光束分别照射测试脏舒张时血容量最小，光吸收量最

5、小，测量到得光强部位，则可推导出：度最大。而静脉血、肌肉、骨骼和皮肤等其他组织对λ1光的吸收被认为是恒定不变的（即直流量I），如图1IACλ1λ1(4)=[εS+ε1(−S)]ΔL(C+C)λ1HbO2HbHbO2HbIDC所示。λ2IACλ2λ2(5)=[εS+ε1(−S)]ΔL(C+C)输Iλ2HbO2HbHbO2HbmaxI出DC光IDCIAC若选择波长为λ的入射光线，使ελ2=ελ2，Imin2HbO2Hb强Iλ1/Iλ1度并令R=ACDC，则动脉血氧饱和度SaO2为：Iλ2/Iλ2ACDC图1人体组织对光的吸收强度曲线动脉血氧饱和度

6、是指在全部血液容量中，氧和血ελ2ελ1HbHbS=R−(7)红蛋白的含量占全部可结合氧含量的百分比[2]，即ελ1−ελ1ελ1−ελ1HbO2HbHbO2Hb*科技部国际科技合作项目(2008DFR10530)资助。根据血液氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白在T3时刻Q1、Q4截止，Q2、Q3导通，红外二极管D2发（Hb）在红光和近红外光区的吸收光谱曲线可知，在光。在T2和T4时刻，由于Q1、Q2、Q3、Q4均截止，D1波长650nm附近处，两种血红蛋白的吸光系数相差最和D2都不发光。实现了测试光源按红光-熄灭-红外光-大；在波长80

7、5nm附近，氧合血红蛋白的吸光系数近熄灭的顺序周期性工作。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[4]合，如图2所示。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。1.5吸光氧合血红蛋白1.2系图4测试光源驱动电路数还原血红蛋白Fig.4Thedrivingcircuitoftestingsource0.90.6rled-ctrl10.3rled-ctrl20波长/nmirled-ctrl16007008009001000irle

8、d-ctrl2图2氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收光谱曲线T1T2T3T43、硬件电路设计及其工作原理图5DSP时序控制信号Fig.5DSPsequencecontr