（生物医学工程专业论文）无创血氧饱和度测量方法的研究.pdf

窭生奎堂三兰兰堡主望毽笙墨 a b s t r a c t b l o o do x y g e ns a t u r a t i o ni sd e f i n e da st h er a t i oo ft h ea m o u n to f o x y - h e m o g l o b i nt ot h a to f a l lt h eh e m o g l o b i n t h en o n i n v a s i v em e a s u r e m e n t o f b l o o do x y g e ns a t u r a t i o nh a sn u m e r o u sa p p l i c a t i o n si nc l i n i c a lp h y s i o l o g i c a l m o n i t o r i n g ，i te n a b l e s 鑫r e a l - t i m e ，c o n t i n u o u s d e t e c t i o nw i t hn o p a i n 。 a c c o r d i n gt ot h el i g h ta t t e n u a t i o nb yb l o o da b s o r p t i o ni sc h a n g i n gw i t ht h e p u l s e ，t h ep u l s em e a s u r i n gm e t h o di sp r e s e n t e di n t h i sp a p e rb a s e du p o nt h e b e e r * l a m b e r tl a wb yu s i n gt h er e l a t i v ei n t e n s i t i e sa tt w ow a v e l e n g t h se i t h e ri n r e do ri n f r a r e dr a n g e t h es p e c t r u me x p e r i m e n t sa s s e s st h a to x y - h e m o g l o b i n a n dh e m o g l o b i nh a v ed i f f e r e n ta b s o r b a n c ea r o u n d6 6 0m t la n d9 4 0r t m w a v e b a n d f o rt h ei n f l u e n c eo fl i g h ta a e n u a t i o nb yc e l l s c a t t e r i n gw o u l dc a u s e c o n s i d e r a b l ee r r o r st h a tc a nn o tb en e g l e c t e d ，a n dt h et r a n s m i s s i o ni n t e n s i t i e s w i l ls h i f cw i t ht h er e a s o n st h a tt h et e m p e r a t u r ee x c u r s i o na n dc o m p o n e n t s 毽i | 毽c a u s e db yt h ed e t e c t o r 挠翻露w o r k i n gf o ral o n gt i m ee t c 。am o d i f i e d m o d e lh a sb e e n d e v e l o p e dt o r e d u c et h ee f f e c to ft h ec h a n g e sf r o m t r a n s m i s s i o ni n t e n s i t i e s 。 i nt h ed e t e c t o r i t st w ol i g h ts o l a c e s , t w ol d sw i t hw a v e l e n g t h so f 6 6 0n m a n d9 4 0n mw o r ka td i f f e r e n tt i m e s + t h ei n t e n s i t i e sa r ed e t e c t e dv i at w op h o t o e e l l s ， t h e v o l t a g ed u e t ot r a n s m i s s i o nl i g h ts u b t r a c t st h er e f e r e n c ev o l t a g ei nt h e d i f f e r e n t i a la m p l i f i e r t h er e s u l tc o n t a i n st h ea c p o r t i o na n d as m a l lp a r to f d c p o r t i o n , t h e s ep o r t i o n sa l ec o n v e r t e df r o ma n a l o gs i g n a l st od i g i t a lo n e si n1 6 b i ta d c t h e ns i g n a l sa r et r a n s f e r r e dt ot h em i c r o - c o n t r o l l e r a na d d i t i o n a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e sc o m p o n e n ti si n c l u d e di n t h ew h o l es y s t e mt oe n a b l eal o n g - d i s t a n tm e a s u r e m e n t t h er e l i a b l ed a t af i n a l l ya l ea n a l y z e db yw a v e l e ta n a l y z i n gm e t h o di nt h e a b s t r a c t p c t h es i g n a l so fl o wf r e q u e n c yl a y e rt h a ta c c o r d i n gw i t hp u l s er a t ea r e s e p a r a t e db yt h ed b l ow a v e l e tf u n c t i o nf r o mt h ew h o l e ，a n dt h e i rm a x i ma n d m i n i m u mv a l u e sa r es e l e c t e do u t ，w i t hw h i c ht h eo x y g e ns a t u r a t i o nw i l lb e c a l c u l a t e do u ta c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i cm o d e l t h i so x y g e ns a t u r a t i o nm e a s u r i n gm e t h o dd e c r e a s et h ei n f l u e n c ec a u s e d b yd i s t u r b a n c ef a c t o r se f f i c i e n t l ya n di tw i l ls u p p o r tt h em e a s u r e m e n ta p p l yi na w i d ed i s t a n tr a n g ew i t h o u tt h el i m i t a t i o no fs p a c e i te n a b l e sal o n gd i s t a n t ， n o n i n v a s i v e ，c o n t i n u o u sa n dr e a l t i m em e a s u r e m e n t k e y w o r d sn o n i n v a s i v e ；b l o o do x y g e ns a t u r a t i o n ；t w ow a v e l e n g t h s ；w i r e l e s s t r a n s m i s s i o n ；w a v e l e td e n o i s i n g 1 1 1 第t 章绪论 第1 章绪论 1 1 嚣刳测量趣氧饱秘凄熟意义 戴怒a 类爱有雯务透麓熬携囊墓瑟，蛊氧避秘发怒反浚盘滚禽鬣塞爨 蓬要参数。天体鹩盘涟通过心照鼹收缩与箭张，脉动撼滚遗膝部，巍液中 一定含撼的还原盘级蛋姻( h b ) 与膊泡中的氧气结合，形成氧合搬魅蛋皇 ( h b 0 2 ) ，然后随血液进入组织。这些氧由动脉簸缆送到毛细m 管厢被释放， 溺来维持激织细胞酌新陈 弋谢。 溅澄瘦氧戆窝凌在漆获溪学孛是煮蓬要终题。爝予手零籀蛱襞援嚣中， 诞数翳黢旋商巍醇联生检测低盎襞痉豹驻力鸭簌嚣黪正电予缺簸萼l 起静 意朴姆传，确保病人的安金。用于术后孕期的涟续监测中可以发琰缀多低 氧间髓i ”，病人白手术室转送歪恢复室的过勰中，监测血氧饱和魔可提高 寐醉酾安全性。血氧铡蚤滋可用于术前娟药鞠木焉镇痛的监铡p l ，心肺功 瑟试验，器菠缀缓鑫容鏊溺定及蛊篱囊蕤兹熬溅刚。奁势甄蘩嚣滋牙蠢氧 魄帮艨滚铡蜀及时发理产熟发精j l 静异常情况 5 1 ，对产嫱及胳b 像鼹舞极 其重癸懑义叫。 传统测量血氧饱和度的方法是先对人体进行宵创采赢，然后将戚液样 本送戮赢气势橱役邋行电似学分析，浏獭氧分聪质再计算盘氧镪嗣发。尽 警这耱方法i 嚣盘羲瓷瓢糜遴行卡分准确翡溅熬，毽簌痍天骞土缀鬻鬏盘 蹩不瑷蜜的，霞受嚣耍动默穿裁或器螽蒋，会灞翔瘸久静臻善，并魑扶取 血l 至数据读出需要一段时闻延迟，使得姣测不能连续实时遴霉亍。谯瘸人处 于危险状况时，不易使病人得至0 及时抢救。手术中发生意外的最常见原因 跫缺鼠，等劐心电图、斑滕釉呼吸等指标发生明驻改变时抢救往铙为漪已 浚。蕊越采爱秃蔹爨缝憝俊遽灌薅麓实潜溺鬟方法寒签溅盈装载会稳发， 餐具霄广泛嚣实际戆意义。 出予觑液中氧合血红缀国和还原血红蛋愈在缝光、红外光区蠢独特鲍 吸收光谱，因而光谱法成为研究血液成分的简单可靠的方法。利用光谱学 燕山大学工学硕士学位论文 的方法对生物组织进行无损检测具有安全可靠、连续实时及无损伤的特点， 因瑟爨凑广泛戆磅究与应磊蓦誊豢。 霸前，国内使用的无创血氧饱和度监测系统基本是进口或组装的，国 产同类仪器因受器件、工艺的限制和缺乏实用的计算方法，很难在性能和 精度上与进日仪器抗簿，因露纛法形成觏横生产，更无法说占领市场。l 嚣 且国外在心外苇萼手术体乡 循环趣爝的血氧饱和度监护设备缩构复杂，价格 昂贵，且采集信号的屏蔽性差，影响监测的可靠性。正是凼于国内技术尚 不究饕，产品主要依赖进口，所以这一课题舆霄很大的研究价值。 1 2 血氧饱和度测量的历史和发展 利用氧合血红擞白和还原衄红蛋白独特的光谱吸收特性测量人体m 辍 德莘拜癀，可鞋遥朔劐1 9 4 0 年，荑露兹g l e n a m i l l i k a n 等久疆到了曩建疆 种渡长的、在原理上能从前额无剁测量动脉瓶氧饱裙度的探索性装置，该 装置魁随着二次世界大战的爆发，为开发监测飞行员的血飘饱和度装鬣而 出现的1 7 。1 9 4 9 年，荧国的e a r l 壬l 。w o o d 等人发表了采用炙血法的有较灏 精菠豹耳盘氧诗弼。毽峦予这静装霉在每次遴行测量酵都嚣进彳亍繁琐鹣调 整，没能获得广泛的应用。1 9 6 4 年，美国的r o b e r tf s h a w 研制出不用聚 血、自舟调整的八波长耳血氧计，通过对8 个波长的光在耳部透光率的测 定，毒 冀窭壹氧稳释度。这移纛戴诗残羹第一辩获褥貉疼救翅戆盘笺嚣l 。 然而，照然该装置能够提供准确的血氧结采盥翁于调整，但蕻笨重的构造、 复杂的耳承结构，使得病人长时间使用时会感到不舒适且檄易损坏，其蹄 贵的价格也限制了该妞氧计的普及应用。7 0 霉代末，s e t s u ot a k a t a n 研铡 出一静波肤帮组织凝射鍪盘氧溺豢装置，但该装置需要嗣赢个波长避幸亍簸 杂分析。 臌来，人们研究发现光照射人体部位后，其透射或反射光强度由于披 组织、露赣、盘液蔽浚茇生衰减1 1 1 - 1 5 。疫获、瓢凌、鹈藜、罄辕盘、龟蘩 和骨黼对光的吸收凝是恒定的，阂此它们的作用只生成了光信号中的奁流 分量。而动脉血随脉动过程引起的血液流入与流出血管床的容量变化而变 化，穗疲豹弓| 起盎滚申浆氧合纛缎蛋塞襄还爨斑红蛋白含爨髓羞盎滚瓣躲 2 第1 章绪论 动做周期性改变，因而它们对光的吸收也在脉动的变化，生成了光信号中 的交流分量。基于这种光吸收随脉搏周期波动的现象，人们逐渐开始研究 脉搏血氧饱和度测量方法。这种测量方法鼹早是由b r i n k m a n 和z i j l s t r a 提 爨的l 捕】。1 9 7 4 年，瑟本的 毒柳辜雄等人发表了帮今拣为髂搏搬戴计的测试 法，其原理与后来豹躲搏盔氧嚣试法基零一致h ”。 由于传统的床边溅豹诊疗方式逐渐成为血氧测量灵活性的局限，对于 实时测量大活动范围的被测人群，这种方式显得无能为力。研究人员针对 实际测量的需要，将光线数据通信技术融入系统构成中，有效扩大了仪器 的使瘸范围，不仅绘颡l 试者更多的滔动露l 燕，也丰富了测试内褰 1 8 l 。近年 瓷荧霆设计壅捂环式藏戴监护铰瑟翦，该浚螽体积夺，帮一较慧暹戒疆大小 蓑不多，可进行全天2 4 小时监护，并且加入无线传输的功能使觑氧饱和度 测攮方法的研究达到一定高度，在抗运动干扰方面也做出一定的成绩【” 。 一些欧洲国家如荷兰、英国、德国等也在这方面有所进展，在噩洲， 爨本、韩国在血氧测擞系统方嚣也有所突破。国内的许多大攀、辩研院历 瓷爨致力予盘氧溅羹袈统豹磅鬟，蟊l l 蒙泛翎逶元毫予仪器蠢羧公霉生产 髂念功能血氧测试仪，创造了本行业首创的探头分析仪；东南大学研制的 光创血氧饱和度实时蠛测系统 2 0 , 2 1 1 ；上海弘联医学仪器发展谢限公司生产 的多参数监护仪；中困医学科学院和中国协和医科大学研制的反射式血氧 魄秘度监溅仪 2 2 j ；谶焱交逶大学研制的数字式脉搏立氧饱和度测量系统 警。瓢这些设诗璎襄嚣掰这到懿各褒撵檬潦番，都已这至l 较麓承平。藿总 体来说，国内研究血鬣饱和度测量的并不多，而且国内生产的斑氧饱和度 测鬣系统在测量精度、抗干扰、稳定性、熬复性方面与国外述肖一定差距， 有待于进一步完善。 1 3 盘氧饱和度测量中存在的阍麓 消除干扰是脉搏血氧饱和度测量系绕设计中需要重点解决的蠲返，是 关系到测量的准确性、精度和系统稳定性的关键因素。在实际测爨过程中， 可能因为处于各种不同的环境，往往受到箨种干扰的影响，从而给光电容 积脉搏波信号的提取带来困难，导致血氧饱和度测量不够准确旗至发生错 3 燕山大学工学硕士学位论文 误，影响了藏常测量。 光电探灏嚣不能签潮不丽酶波长，困蕊难以区分红光、兹外光移室内 光线。微机照然能通过特定的程序来消除普通室内光线的干扰，但某些闪 烁懿光源还怒冒戳吾| 起镶误豹铡爨结果 2 5 】。 在测量时，暗电流、工频、周围仪器产生的电磁场，高频电刀干扰， 都会降低信号的输入比。因此，如何从各种电磁干扰信号中识别微弱的动 踩巍蔽较售号浚了骚究中最大酶润题。 除此之外，当发生人为过性干扰、病人身体连续颤动引起的运动伪熬、 以及痪人弱炎覆等情况辩，脉搏波信号容爨受至8 于扰，波形较蓑，从露墩 会影响正常测童f 2 6 2 鄙。 因此，要进一步提高脉搏血鬣监测的精度、扩大其使用范围，消除千 撬、撵离售譬蔟量是磅究溅量方法跨纛要纛轰解决豹蠲瑟之一。 双波长遴射式的脉搏血氧饱和度测量方法在实际应用中仍存在着以下 的些难以辫捩豹问题： ( 1 ) 由于采用双光束方法，测麓中不熊 b 偿血液中如h b c o 、h b m e t 、 胆红素等干扰吸光物质的影响i _ ”。这些吸光物质的存在往往使测量结果过 裹竣遗羝毽诗照氡魄囊瘦。餐熬，强器手拳审强曝芯毒绿靛傻懑涛镶溅爨 结聚出现非豫常的低疯氧值。 ( 2 ) l a m b e r t b e e r 定律忽略了绒织和血液的散射特性对入射光造成的影 响h 霸，翻靥鞠馏- 磁尔定律计算蠢鬣饱帮度静测量方法采用经验研究确定系 数，可以消除组织和血液散射特性对计算结果的影响。但是由正常人群得 到懿系数臻予其有特殊竞教菇摸鼗的癌人辩，会造成较大误差，锲热镰澎 红细胞贫血瘢病和地中海贫血症瘸人，他们具有异常血红蛋白浓度或血红 蛋翻结构异常，用这种方法测得的血氧饱和度误差较大。 矗g + 鼍骐) x 矗g 辖一 对应每一种波长的光线便可以得到一个( 2 6 ) 式，如果采用m 种不同波 长的光线，就可以得到m 个线性方程，并由此解得c 1 至c 卅柯如下形式： ( j = l r ( ) + n 2 胄( 如) + + n 矗( k ) ( 2 - 7 ) 式中下标f 表示l 至r n 个巍线中第f 个量，露： 删= 器 ( 2 1 8 ) l 至虬为各种物质对应于不同波长的常系数，从而根据式( 2 8 ) 可以 辣出每种物质的含量如下： 蠢= f = l ，球 。一蛰 在仅考虑氧合舡级蛋白和还原血红鬣囱吸收光的情况下，可以推出血 液中的氧含量为： 鼬q = 酽鬻躺鬻丽 p 呐 褥装衰这形式麓纯，瓣： 踟q 2 嚣x 3 耩x 黜4 ， 兄( ) +詹( 九) ”一 式中五一一五可以在融知相应物理常数的情况下推导出来，也可以由比率 跫( ) 震( 屯) 相对于标准趣气分拆的曲线避行拟合褥到。 一黢来说， 薹戆震戆含量霹表示势： 4 2 意器筹特揣 陋 1 。k + l r ( ) + k + ：月( 如) 十十五j 。胄( 九) 、7 式( 2 8 ) 中的( ) 和，( ) 可以分别用检测信号的交流分最和直流分 量来替代。 9 燕山大学工学硕士学位论文 壶上述推导可觅，要测豢巍渡中多种物质鹣禽量，所使角的蠢线波长 种类数必须至少等于物质的种类数。由于血氧饱和度主要由血液中氯合血 红蛋白和还原血红蛋白的含墩决定，所以可以得出结论，在无创血飘饱和 度测量方法的研究中，使用两种光线便可以测墩斑氧饱和度。 基璐璎论已经表明氧合擞红蛋自帮菲氧合盘筑蛋自对光谱豹吸l | 芟爨显 不嗣。为减少组织对溺量精度的影响，选择光波波长对，要求氧会藏红蛋 白和非氯含血红蛋白对该波长的吸光系数要大予非血液组织对它的吸光系 数，但不疆太大使透过部分雅于检测。由于氧恤红蛋白和非氧台胤红蛋 白对6 0 0n l t l 以下波长光吸光系数过大，不适宜肌氧饱和度测量。 吸 光 系 数 r e d i n f r a r e d 6 6 0 m 9 4 0 m r 渗 ，一 7 5 0 0 6 0 07 0 08 0 0 9 0 0 6 6 0 姗 9 4 0 蛐 波长( r i m ) 垂2 - ih b 0 2 帮h b 懿啜毅蠢攥褥瞧 f i g 2 - 1 t h ec h a r a c t e r i s t i co f s p e c t r u ma b s o r b a n c eo f n b 0 2a n dh b 图2 1 是氧合血红蚤自和还原血红蛋白的吸收光谱特性曲线图，从图 中曲线匕看出，在波长为6 0 0r i m - 7 0 0n n l 的红光隈，还原血红蛋白的吸收 系数远比裁合血红蛋白的大，6 6 0i l l n 波长处光对鼠合血红蛋自和还原疯红 蛋鑫啜 | 芟系数之差近觳最大。毽在渡长隽8 0 0r i m - 1 0 0 0 瓣豹红癸竞嚣，逶 原血赶骚程的吸收系数要眈躐合血红蛋自静小，其中在9 2 0r i m - 9 5 0n r l l 这 个波长段，两曲线变化较缓凰接近重合，一般选9 4 0n n l 作为测量波长。 当波长为8 0 5n r l l 时，还原肌红蚕白和氧合血级鬣自具有相同的吸收系数， h ) 第2 章测量原理 豫为等吸竣点。疆论上，遨一波长 魏可班 乍为测量波长，僵是该波长处的 吸光系数随着波长变化的梯度较大，因此当发光器件存在个体差异时，不 利于调试。 当斑氧饱和波变化时，其值与6 6 0d i n 与9 4 0 n m 两个波长的相对光强 之问存在较好的线性关系，因此选择这两种波长可使测量血氧饱和度的灵 敏凌最大。 设波长为九光强为l 的单色光垂直照射遴过人体手指末端组织，按照 l a m b e r t - b e e r 定律，通过缎织透射光的强度力； ，= 1 0 f - e 一“。+ “如= ；f e 一“1 。+ 4 4 r 2 - 1 3 ) 式中峨一一动脉血液中氧合血红鬣自的吸光系数 g 确皴蠢液中鬣台盘荭蟹自静浓度 “，述原血红蛋囱的吸光系数 岛还艨壹红蛋巍盼浓度 三动脉血液的光路长度 ，皮肤、肌肉、指甲和静脉血液等其它组织的吸光率 交式绉。1 3 ) 褥动稼盘滚鹃啜毙覆受： w m l o g = 一( a 1c 1 + a 2 c ：) l( 2 - 1 4 ) 1 0 当手指动陈氟管搏动时，光线穿过动脉血液的光路长度随藩靓管收缩 与舒张发生变化，而其它组织的吸光率，不变，即厶= f t i o 不变，由此引 莛动辣纛滚啜走魔交往为： a w 。l o g i + ：m 一；一( q c l 十a 2 c 2 ) ( 2 - 1 5 ) 宙式( 2 1 5 ) 可求动脉盘液中的血飘饱和度： 黝0 22 蠢。耳丽- a 丽w 一素( 2 - 1 6 )。 瑾l + ( a l 一貔2 ) ( + 乞) 艇g l 一镌 式( 2 - 1 6 ) q b 的血氧饱和度与氧合胤红蛋白的浓度与还原血红蛋内的浓 度的和( q + c 2 ) 及赢管收缩与舒张引起的光路蓑a 有关，只要消除这两个 参数，簸可敬餐掰计算模鏊瑟瓣。 燕鑫大学工学磁学位论文 当动脉j 血管搏动时，透射光强由墩大值。减少到m 。一a k 。，由此 而引起动脉敷对a 和i t 。掰束光吸光度i ! 句变化量分别为： a w = l o g a w = l o g | 生主堑。| k 。 乜燃竺鲤i ，。骐 f 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 将式( 2 1 7 ) 与式( 2 - 1 8 ) 代入式g 一1 6 ) ，得： 踟。2 刊器裂邶 陋柳 式中、嚣为诗算过程中鑫定义参交。囊式f 2 1 9 ) 霹熊，只要溅悫涎蘧透菇 光最大光强厶。和上以及由于脉搏搏动而引起透射光强最大变化量l 。 和。，代入上式就可计算出血氧饱和度。 2 2 。2 脉撙睿积描记法原理 人体组织由动、静脉皿和皮肤、肌肉、骨骼、脂肪、色綮和结缔 组织等菲斑成分组成。经实验研究涯实，静骧血期非盘成分对红光和红 终光豹吸浚系数是恒定静，不随踩葫j 熏程焉交鬣：，因觉它髓哭对毙信号 中的直流分蛩大小发生影响。血液中的氧合血红骚白和还原血红蛋白浓度 随着血液的脉动作周期性的改变，因此它们对光的吸收量也在脉动地变化， 由鼗雩| 莛必壤捡溺器臀竣密赘蘧号强度遽盘滚中戆鬣合盘红蛋髫帮还嚣盘 红蛋白的浓度比变化而脉动地改变，测蹩中需要的怒脉动分量。从而可知， 非血成分和静脉血对光的吸收量是不变的，动脉皿对光的吸收量随脉 簿同步振荡。 若骰定光衰减量鹣燮住是壶赫赫容积搏动弓| 起静，掰可褥这部分 看作交流成分，而静脉舡和非血成分等吸收看作直流成分，使6 6 0r i m 的红光和9 4 0n l n 的红外光轮流照射被铡部位，并将这两个透射光强信号 孛熬豫动残分分离密来，经过放大霹滤波嚣，分裂凌模鼗转挨嚣转换藏数 字量，便可以进行下一步的信号处理，进而得到觑氧饱和度的德。光电信 号的脉动规律与心脏搏动一致，因此梭测出信号的熏复周期，述能确定出 第2 牵测鬟缀瑾 心脏搏动频率。 输 强 度 输出光 无搏动搬流 搏动血漉 图2 - 2 蕴臻对光壤l 芟曲线 f i g ，2 2 a b s o r b a n e ec l h eo f t i s s u e s 2 3 数学模型 实际测量中，穷过人体组织静光衰减量不仅包含了赢液鲍吸收 羹，还包含了爱获、款缀缓、鸯錾、静敬纛寒毛壤盘警等瓣兜魏啜羧 凝，且后者又会因人和环境的变化而肖较大差异。为了摊除这些不定 因索的影响，在血液浓度变化较大的地方仅考虑因血液浓度变化而导 致的光线衰减来换算衄氧饱和度。测擞点选在毛细血管较丰富的地 方，如指端、趾端、耳垂等处。所以嚣用模型中忽略其它因素弓l 起的 裘躐瓣藜交瞧。 2 3 1 原始数学模型 令上标“、d 分别代表脉搏扩张和收缩两种状态，下标霹、膪分 别代表红光和红外光，c 表示物质浓度，表示物质的摩尔溜光系数。 燕由大学工学硬学忿论文 根据l a m b e r t - b e e r 怒律中透射光强与韧始光强之i 司的函数关系表达 式可以得到： ( ) = 厶m ( t o f ( t ) e x p 一h b “r h b + c h b o z l i b 0 2 ) r ( 2 2 0 ) i g ( t , + a t ) = 1 r p ( t 1 + a t ) f ( t ) e x p - ( c 掰a 尹+ c h b 0 2 u r h b o ，“d ( 2 2 1 ) i t r ( t 2 ) = i m ，。( t 2 ) f ( t ) e x p 一( c “a 嚣+ c h b 0 2 u 。l i b 。2 ) 掣) ( 2 - 2 2 ) i 轰( t 2 + a t ) = i m j ( t 2 + a t ) f ( t ) e x p - ( c h b 8 口h b + 。”唾g 篙魄) ( 2 2 3 ) = 一 r 2 ，2 4 ) 0 22 u 哥- ( 2 - 2 5 ) c 十c 出忒( 2 2 1 ) 除以式( 2 - 2 0 ) ，对商取对数褥： 曲辨：( e m a + f 啪a ) 戤( 2 - 2 6 ) “ ( ) 、“ “一。 由式( 2 2 3 ) 除以式( 2 - 2 2 ) ，对商取对数得： w z r = i n 鸶手球一h b h b 0 2 a 。h b 呲嘲 畿嚣霹惩褥盘氧铤稳寝计算式秀： 勋。2 = j ( 2 2 8 ) 口= 口嚣监一, q b( 2 2 9 ) 6 = 瑾霎岛监一a i h b o - , ( 2 ，3 0 ) 因此，可以得出缩论，只要测定出两种波长分别在脉搏扩张和收 缩状态的透射光强、塌、e l 和磁，根据以上推导就可计算出动脉 斑波的血氧饱和度。 第2 章溺囊辍遴 2 3 2 数学模型的改进 在原始数学模型的推导过程中，熙然两种波长初始光强i 。和 ，。在最初就已经被瀵去，似乎不会绘模型带来影响，但怒实际测量 中铙始光强不一定楚穗篷，蓬溺量嚣阗艇长，器磬漫凌会蠢毫，瑟显 长久使用后器件会老化，这些都会影响物始光强的值。所以在运算中， 应考虑到初始光强零身及其引起的相关变化，在求对数时用归一化的 值相除的方法加以解决。 曲 卷卷器 圆竭 w i r = i n ( 案案卷毒黠 弘竭 这一步骤将在上位机中用软件算法实现。 将 w r 与相比，褥到中间变量p ； p = 景= 糍蒜( 2 - 3 3 )舻蒜。再翥乃吒蓼 为了使推导过程简化，令c = c ”+ c 珊哦，则： & 0 22 l c h b 。2 + c t t h2 ( 2 - 3 4 ) 黪英麓写秀s ，粼式( 2 - 3 交秀： s = - ( 2 3 5 ) 。舶魄 式f 2 - 2 6 ) 口- t 改写为： p = 瘩戮蒡攀= 骞l l b 篙h h 0 2 喾h b 0 2 端h b ”= ；- w ：= 一= = 0 - 二= - 0 - _ f ， l 一 ( c 一。册砚) 程嚣+ 。渤趣瑾瓣嫌t 。、u 龌一“拱) 。- 。7 令堪r = a 爹氇一g r h b ，搿豫= 毡嚣避一g 勰h b ，簧# 露： p = 辍 倍。7 ， 分子分母同除以c ，可得： 熬由大学工学磺学位论文 p = 篱h b 0 2 = 如蟹+ s a ：r p ，s ， 将等式右边式子的分母莱到左边，德到下式： 繇鬟p + 谨 噩p s 诺警溉r 经移项屠得： 伐r p s + c l h l r b p 一伐r s 兰戗警 两边同除以堪于，可得： 癸拶+ 器p 一毒弘t d 善”a ：“a ：。 盆一3 9 ) r 2 - 4 0 ) f 2 4 1 ) 4 - a = 一2 器一一毒棚扎 舾+ 印+ 蕊= l( 2 4 2 ) 若令x = p s ，y = p ，z = s ，则上式可写为： a x + 缈+ ( = 1( 2 - 4 3 ) 式孛盖、b 、c 为方程的系数，苫、y 、：鸯方稷懿未鳃数。 由于算、y 、z 都媳p 、s 的函数，由x = p s 可见式( 2 4 3 ) 实际上是 一个二次方程。由于这蹰个变量之间的内在关系并不是线性关系，则 宅朝之闼懿关系哥戮篾熬线表达。戮筵，只要麓鸯翅方法溅囊盘氧魄 和度s ，再利用光电转换中输出电聪、入射光强的关系确定了p 的值， 就可以算出回归曲线方程的系数4 、b 、c 的慎，从而可以确定出回 归魏线。 因失p 、s 的僮都可黻直接或瓣接测得，所以可l 薹先测壅k 缝鼗 据，即( x ，y ，z ) ，i = l ，2 ，3 ，k 。利用这些数据即珂将系数a 、b 、c 的 值计算出来，得到回归曲线。 受了袋瞧氧稳帮淡瓣诗雾更为难磋，就霰瑟求褥蠢、b 、c 熬最 佳估计值，根据最小二乘法原理可知，只有使式( 2 4 3 ) 的方涟丁取最 小值时才能实现，即： 1 6 第2 章测量原理 k ，= ( 如+ 毋，+ 岛一1 ) 2 ( 2 4 4 ) 将式( 2 - 4 4 ) 展升，得： 丁2 善( 4 2 葺2 彬m 2 + c 2 刁2 删砚儿俐印r + ( 2 4 5 ) 2 b c y , z , 一2 a x , 一2 8 y , 一2 c z , + 1 1 为了求得a 、b 、c 的最佳值使得方差t 为最小，则令t 分别对a 、 b 、c 求偏导，得： 瓦o t = 妻2 ( 瓜，2 也幽+ 一柏= o ( 2 - 4 6 ) 嚣= 妻2 ( 印，2 “x 出+ ，z ，一蚰= 。 ( 2 - 4 7 ) 面o t = 套2 ( q 2 讹 + 蚍- ，弘o ( 2 - 4 8 ) 可以得到以下方程组： 善血。2 + 善戤棚+ 善，4 一善一。o ( 2 - 4 9 ) y ，= o ( 2 - 5 0 ) kkkk c z 。2 + a x j z ，+ 毋，：，一薯= o ( 2 5 1 ) i = 1f _ 1l = 11 = 1 将此方程组改写为矩阵形式： i t y i = 1 一只2 y ，2 k x ，弓 i = l k y ! z t = l 爿 b c k ”1 z y ， j 2 1 k t = l f 2 - 5 2 ) 通过对这个矩阵方程的求解，即可解得a 、b 、c 的值，确定出 1 7 z 哦 + + y 血 ； + 鼽 ； 平 舻 彳 +d日；。m 鲞生盔耋三望堡主篓垡笙兰 一。 具体的回归曲线。 在确定了嚣羟蘸绫之爨，羞怒在实繇篮溪过翟审零键懿氧镶帮凄 s 的值，则只需先求得p 的值，然后利用回归曲线即可求得j 的值。 其中p 静值要邋过溅鬣硅竞电溘静输出电压，裁糟开路电压与裙始光强酶 关系式来求出。 硅光电池的输出电压与接收光强的关系为： 矿：丝k 墨 ( 2 5 3 ) g， 可以看出拜爨电篷矿与趣始光强度数怼数戏正比。将式( 2 5 3 ) 变形可褥： 声”：一s ( 2 。5 4 ) 。 所以，初始光强可表示为： j = ”( 2 - 5 s ) 蒋主逮初始竞强豹表达式 弋入式磐，2 6 ) 、式2 2 7 ) ，魏下所示： 垓曲( 畿篙器卜爹+ c h b o 浓泓侈鞠 w m = t n ( 畿篙丢黠j ( c h b g 孙黔) 艇弘踊 烈、 1 4 ，l g 分裂哥表承为： 喙地( 案卷祭 - h ( + 嫩) 一k 炙$ 媛+ a o h 姨) + k 磊# ) = ( 2 - 5 8 ) 蠢+ 1 n 蟛( + 出) 一攻m ( + 出) 一v ；( t d + k 9 ( ) ) w 按= i n ( 畿卷器) _ i n 珐( 如+ a t ) - l n k j ( 如+ 妫一i n 臻( t o + i n 坛s ( 乞) = ( 2 - 5 9 ) 寺+ 1 1 1 考。 磁( 岛+ 一“岛+ 出) 一喋( 屯) + 9 ( 如) ) 1 8 第2 章测量原理 因此司得p 的表达式： p ：攀竖垒尘：监：d 垒尘二笪! ! 垦：! 垡! ( 2 - 6 0 ) 。 ( + f ) 一。( f 2 + f ) 一( 如) + o ( f 2 ) 这样，只需测得硅光电池的电压值，再做一些简单的运算，即可求出p 的值。将其代入数学模型，计算出彳、b 、c 的具体值之后，才能确定回 归曲线。然后，只需根据p 值的大小在回归曲线上读值即可获得血氧饱和 度的值。这时，s 的值仅随p 值的大小而发生变化，即： s = g ( p ；a ，b ，c )( 2 - 6 1 ) 根据式( 2 - 4 2 ) 可以推导出j 与p 的具体关系式： s = 丽1 - b p ( 2 - 6 2 )彳口+ c 所以得到具体计算式为： 】一bv(tl+at)-vro(tl+at)-v；(t,)+vr o ( t 1 ) 忙乏糌筹篇篇燮 p s s ， 。啄( + r ) 一。( + r ) 一睇( ) + 。( )，1 、7 k ：( f 2 + f ) 一，o ( 乞+ f ) 一( f 2 ) + 。( f 2 ) 。 式( 2 6 3 ) 日0 为血氧饱和度的具体计算式，可以看出，只要先确定好回归曲 线的表达式( 2 4 2 ) ，就可以根据测得的8 个电压值v ；( t o 、k 。( ) 、 呀( t l + f ) 、，o ( t l + f ) 、( f 2 ) 、，o ( t 2 ) 、瑶( f 2 + a t ) 和- o ( f 2 + f ) ，计 算出血氧饱和度。 2 4 本章小结 本章主要介绍了脉搏血氧饱和度测量方法的生理学与物理学原 理，并对原始数学模型做了改进，充分考虑了器件温度升高及长久使 用后器件老化等因素给发光器件出射光强本身造成的不稳定性及其 引起的相关变化，从而使测量模型更为合理。 1 9 燕山大学工学硕士学位论文 第3 章光电检测与无线传输 3 1 光电转换 溅豢掰弱探头设诗麴鬻3 - 1 辑示： 圈3 - 1 探头结构示意网 f i g 3 “1 s c h e m eo f d e t e c t o r 在遴行盘氧德和度测熬对，将探头套在攒失上。上壁分两层：岛手指 接簸鹣一罄圈定了秀拿莠翔羧萋懿激光管，发毙波长分裂为6 6 0 藏搬荭先 和9 4 0n m 红岁 光；另朦内嵌一个光电池，激按检测由两个激光管发射 出的光强，将其转变为相成电信号。下壁有一个光电池将透射过筝指的红 光和红外光转换成电信号，鬯所检测到的信号越弱，表示光信号穿遴指尖 时，被郧基的组织、骨嚣秘瓶液吸收的越多。 3 1 1 发先器斧及驱动瓣 本文采用半导体激光= 极管作为光源，因为半导体激光二极管的发光 频带比酱通发光二极管窄，1 而且能量集中，这样可以在系统的初始部分减 少其它频率光的干扰。半撼体激光二极管是出半等体材料刳成的，效率最 毫、传辍簸，l 、戆激毙嚣终，瓣装翼毒王露毫莲糕、重量轻、曩予诞潮、不 需水冷、寿命长等特点h 秘。隧前在制成半导体激光二极管的材料中，应用 比较彩的为砷铝化镓和砷化镓，它们的波长大多在可见光的长波到避红外 之1 3e 4 钔。 第3 章光电梭测号无线黄埝 蠲3 - 2 激光二极管驱动器的模块结构 f i g 3 2 m o d u l eo f l a s e rd i o d e 激光二极管驱动器由五个模块组成： f 1 ) 输入融抗疆配模块校据输入电平静类型来确定该模浃酌结构。 f 2 ) 德蟹横块设计中采羽撵极受偏悉控涮韵荜个n m o s 管实现。 ( 3 ) 蘸嚣放大模块出于输入信号豹圪。为8 0 0m v ，必绥对英遴行魏 置放大，这个模块是蠲c m o s 差分放大器实撬韵。 ( 4 ) 主放大模块为了提供足够静驱动麓力，溪对箭饕放大模块静输躜 信号遂行艘大。该模块也羯c m o s 差分款大捺实现。 f 5 ) 调制电滚输出模块爱予输出l d 熬电滚，利蠲亳流放大器实蕊。 ( 6 ) 参考电压源为了电路簿攀，羯m o s 管椽成豹寄源魄疆分垂产生 参考电压源。 3 1 2 光电检测器件 探头靛光电捡测爨传选用硅光电池。虽然硅光电涟熊产生正比予投射 到它的受光嚣上鳇红光和短纷光强度的电售号，健它本身不然区分这疆释 光。为此，零用一个定时电路来控制魏令发巍器l 孛的发光次零f 5 2 1 ，按一宠 时序分时发光。这样可使褥硅光嗽池输出的对应嚣秘波长光强度憋鬯信号 也楣威按相同时序排列。 光电池是根据光生伏特效应剑成的将光能转变必电能鳃爨孛 5 7 l 。作为 探测器件，它具鸯光敏面积大，频率响应裹，光电流随照度线性变化等特 点。与通常使用的光电管相比较，它具有楚化系统的优越性，光电浊不嚣 要附加电源，丽光电篱翥外加电源将其静态工作点调整到工作区，附加毫 2 燕出大学工学硕士学位论文 源缮搬了系统设计懿繁杂f s 射。 嘲3 - 3 光电池等效电路 f i g 3 3e q u i v a l e n tc i r c u i to f e l e c t r i cc e l l ，。五一t f e 秽渺蚴一1 1 式中g 电子电荷量 七玻尔兹曼常数 绝对温度 v 光毫速簸壅壤聪 屯光电池等效电路中的恒流源 光电池等效二极管反向饱和电流 如光电池等效电路中串联电阻 邋常r a 很小，可忽赂，式( 3 - 1 ) 变为： ，= 乏一t e 秽一1 = s l 一1 。, e q ”- - 1 式中s 光电灵敏度 五入射光强度 由式( 3 2 ) 可知，当，= 0 时，可得到开路电濂： 耻瓢纠 当v 一0 时，得到短路电流乞： i 。= j l = s l ( 3 一1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 第3 章先电检溅与蠢线砖输 由式( 3 4 ) 可以看出，k 与光照强度成雁比，而由式( 3 - 3 ) 来看，由于 屯t ，故1 l 1 , 1 ，因而： = 坚qh 考1 = 丝qt 撞冬1 = 丝qh 譬t ( s j ) s# s 筑式( 3 5 ) 看窭，吃与入麓光强度静对数成正院。 硅光电池与其他半导体光电池相比县有更高的转换效率，达到1 7 ， 几乎接近理论极限。它的光谱响应范围覆濂了0 4g m 一1 1g m 睡间，相比 葵它常用的光电池响成范围比较宽，且6 6 0n n l 、9 4 0n m 波长处的响应幅 度较大。 3 2 测量电路 血氧饱和度测量系统的组成结构如图3 4 所示。在探头内，光源发光 照射手指的一侧，手指舄- - n 透射出的脉渤光强信号经光电转换输出电信 号。囱予毙电池输出傣墨较徽弱，需经放大处理。进入差动放大器豹电信 号狳避行放大努还蘩羧浚诗要求秧减浚运舞，这凌镬藏大器输落溢号孛赫 动交流信号尽可能占激大比例，从而可以究分利用a d 转换器的编码空间， 得刹较高的转换精度。 孚h 霉一匹荨奉参考电压l | 波长滤辑 匹卜臣三h 圣蓬 a i d 转换后的数字信号进入微控制器，被编码、打包后按照一定通信 协议由微控制器控制无线模块发射、接收数据。无线接收后的有效数据经 过嘏平转换后进入p e 桃，再与所减去的参考电压值的同糟发的数字量握 燕山大学工学硕士学位论文 加，恢复到最初全部透射光对应的电压值。最终得到的有效数字信号用小 波方法避幸亍降骧分解筵理，提取基接遥人体髂撼频率豹低频信号，然惹实 时采样、逻辑逛算判断后提取出最大、最小值，根据数学模激计算出血氧 饱和度。 3 2 1 信号放大与隔壹 放大器熬没计弱选择，主要考虑两个方瑟。是共攘按铡比，嚣必嚣 境变化不大时，信号比较微弱，此时，成尽量减少和消除放大器本身引入 静溱声：二是羧大器豹增益及带宽，要求系统基有一定的增益使输蹬信号 满足a d 转换的要求。设计中选用仪用放大器a d 6 2 3 作为放大器，它具 裔高精度、低功耗、低偏移电压等特点泓，6 鄂。 a d 6 2 3 是个集成单怠源仪表放大器，能农单电源+ 3v 。+ 1 2v 下提 供满电源幅度的输出，a d 6 2 3 通过提供随增益增大而增大的交流共模抑制 魄嚣绦掩最，l 、瀚误差，线路潦声谐波蒋由于共模捧翻魄在毫这2 0 0h z 薅仍 保持恒定受到抑制。由于a d 6 2 3 的共模输入范围可以扩展到低电平o - lv ；l 下，使得涮餐较低藏没有共模部分的小差分信号成淹可能。 手攒的透射光信号具有以下特点【6 6 】： ( 1 ) 透射光强度信号，包括红光和红外光两路，都耀由直