1、生物医学工程二班 彭东旭1双波长频分式血氧饱和度测量电路设计报告生物医学工程二班 彭东旭208 生物医学工程二班3008202339彭东旭双波长频分式血氧饱和度测量电路血氧饱和度(SO2)是指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。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，对于某些疾病的监测与诊断有着十分重要的意义。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） 。血氧饱和度的计算公式为：双波长频分
2、式血氧饱和度测量仪，是利用光电转换原理，设计相关电路获取相关信号，对获取信号进行频域的分离再通过人体组织对不同波长的红光和红外光的吸光度变化率之比(R/IR 值)推算出组织的动脉血氧饱和度的仪器。生物医学工程二班 彭东旭3一、重要定律和理论基础1.朗伯比尔定律：物质在一定波长处的吸光度与其浓度呈正比郎伯比尔定律可用下式表示：式中：I0 为入射光强，I 为透射光强， 为吸光物质的吸光系数，c 为吸光物质的浓度，l 为吸光物质的传输距离（吸收层厚度） 。该定律反映了物质在一定波长处的吸光度与其浓度成正比的光学吸收规律。若选择适宜波长的光，测量物质的吸光系数即可求其浓度。然而，该定律存在以下几点限制
3、条件：(1) 入射光为平行单色光且垂直照射；(2) 吸光物质为均匀非散射体系；(3) 吸光质点之间无相互作用；(4) 辐射与物质之间的作用仅限于光吸收,无荧光和光化学现象发生. 生物组织是一种强散射介质，而郎伯比尔定律不适用于发生散射的情况，故根据光的粒子性和组织的吸收特性对光传播距离的影响，在此引入修正的郎伯比尔定律：式中：A 为吸光度， I0 为入射光强，I 为透射光强， 为分子的消光系数，c 为吸光物质的浓度，l 为光在组织中的平均光程，G 是由散射引起的光损失。生物医学工程二班 彭东旭42.动态光谱理论：分别对多个波长入射光所对应的光电脉搏波中，提取相应的脉动动脉血液的吸光度，由这些吸
4、光度组成的光谱，称之为动态光谱。动态光谱提取法（频域）可以直接提取各波长中仅由血液成分产生的吸光度光谱，消除测量中由于皮肤组织和肌肉组织产生的个体差异。由于动脉的脉动现象，使血管中的血流量呈周期性变化，而血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性较血液中大数十倍。因此，脉搏搏动的变化必然引起近红外光谱吸光度的变化，而得出的信号也与脉搏波对应，如图 1 所示。图 1 动态光谱检测原理二、待测量信号分析1.脉搏波的产生：生物医学工程二班 彭东旭5脉搏波是以心脏搏动为动力源，通过血管系统得传导而产生的容积变化和振动现象的反映。当心脏收缩时，有血液进入原已充满血液的动脉中使得该处血管壁扩张；心脏
5、停止收缩时，原来扩张的血管也随之收缩，并驱动血液向前流动，从而又使前面的血管壁扩张，如此往复。此过程类似于波在介质中的传播，因而称为脉搏波，它包含了许多重要的生理信息，也因此成为提取信息的重要媒介，图 2 表示的是一个典型的脉搏波形。电路将来要得出的应该是一系列周期变换的类似的波形。图 2 一个典型的脉搏波波形2.吸光性曲线由血氧饱和度的计算公式可以看出，血氧饱和度的值受 HbO2 和 HbR 浓度的影响，而通过对人体测量时二者吸光能力的分析可以相对应地得出其浓度关系，再进一步计算便可，本设计的理念也便在此，图 3 是两者的吸光曲线：生物医学工程二班 彭东旭6图 3 HbO2 和 HbR 的吸
6、光曲线三、相关计算公式、参数间关系以及重要参数的选定1.最终应用公式及相关公式的说明：式中：I0 为入射光强，I 为透射光强，l 为光路长度，a1 和 a2 分别为HbO2 和 Hb 在波长 1 处的吸光系数，c1 和 c 分别为 HbO2 和 Hb 的浓度。进一步整理：a1、a2、b1、b2 都是吸光系数，不需要通过测量得出，故 Q 为上式中唯一变量，而动态光谱分析中 Q 值用以下方式计算：生物医学工程二班 彭东旭7要测量出 Q 值，可设法测得 Imin 和 Imax2.参数的选定：驱动信号充当的是调制过程的载波，其频率应当选用工频的整数倍以降低工频干扰，这里先选择 400Hz 和 800H
7、z，今后再视情况而更改。 （待完善）四、电路基本流程图：流程图如图 4 所示生物医学工程二班 彭东旭8输出信号增益放大电路 双检波电路分析计算电源图 4 设计流程图双低通滤波电路滤波双带通滤波电路滤波单片机输出方波驱动信号二极管发光电路电流电压转换电路生物医学工程二班 彭东旭9五、器件选择和电路实现：1、驱动信号的产生：驱动信号充当的是调制过程中的载波，一般来说可以采用方波，也可以采用正弦波，从频域来看，正弦波是单一频率的信号，而由方波的傅立叶变换：()=4+133+155可以得出：方波是由某一频率的正弦波及其各级谐波组成的，方波信号实际上包含了很多个频率的正弦信号，这样的话容易造成调制信号最后难以精确的解调，因此设计时采用正弦波信号驱动。然而，正弦波的产生又有以下几种途径：a.RC 文氏桥振荡电路：生物医学工程二班 彭东旭10图 5 文氏桥 RC 振荡电路b.555 定时器（+低通滤波电路）：图 6 555 定时器方波产生电路该电路的理念是，555 定时器产生方波信号，然后，由于方波是由正弦波及其多重谐波合成的，可以用一个低通滤波器滤出想要的正弦波；c.单片机+低通滤波电路：和上一个电路相仿，只是改成单片机负责产生方波信号。以上三种电路是最常见的设计方案，但是由于电路中各器件的不稳定性致使整体电路不稳定，相比之下，第三种方案最为可靠，便于调节。出于成
