简易手指血氧仪课程设计报告

一、 摘要本文主要分为两大部分，第一部分为传感器性能检测，对热敏电阻、热电偶两种传感器的实验情况进行分析；第二部分为血氧饱和度检测系统课题设计，首先介绍了脉搏血氧仪的发展现状及未来趋势、简述系统工作原理，而后针对实验过程进行详细展开，最后对实验收获和体会进行总结。二、 正文第一部分：传感器性能检测1、 热敏电阻温度特性实验第一组实验数据温度（）电阻值（）温度（）电阻值（）温度（）电阻值（）6049119.68938118.1405948119.10437116.3845847118.71536114.95857122.52646118.94335115.89956122.26945118.20834116.09255121.59144121.57733115.11754121.51843118.97732114.64453121.14542121.58431114.64052120.81641119.99930114.28551120.38840117.53250119.96639119.943第二组实验数据温度（）电阻值（）温度（）电阻值（）温度（）电阻值（）60125.52649121.16938116.53559125.10348120.59137117.84458125.23247120.14736116.03557127.00246119.79835115.08156126.03745119.7243455125.72844126.4503354122.55343122.8503253122.12442118.2483152122.42641117.6053051122.17940116.96150121.52239116.920数据处理分析与结论热敏电阻随温度变化曲线如上图所示，整体趋势为电阻值随温度的下降而减小，为正温度系数热敏电阻，但是在中间区段，图线会有波动。究其原因，在进行第一组实验时，怀疑是由于我们操作错误所造成的。于是保留原有数据进行第二组实验，同样在中间温度段出现了类似问题。所以我们怀疑是热敏电阻本身的问题，线性度不好，以至于在某些温度点的电阻值会出现大的跳动。2、 热电偶温度特性实验第一组实验数据温度（）电势差（mv）温度（）电势差（mv）温度（）电势差（mv）681.659561.190440.71867551.155430.681661.565541.117420.634651.539531.06541641.495521.018400.544631.458510.982390.510621.420500.935380.469611.393490.901370.436601.358480.873360.399591.318470.872350.357581.277460.792340.319571.235450.757第二组实验数据温度（）电势差（mv）温度（）电势差（mv）温度（）电势差（mv）68561.241440.73667551.208430.70866541.148420.66465531.100410.60264521.061400.57163511.012390.528621.488500.976380.48261490.936370.43860480.893360.400591.356470.869350.362581.302460.826340.326571.268450.781数据处理分析与结论根据热电偶的工作原理，连接处的两种不同材料对于温度的“反应”能力不同，会产生塞贝克电势差，这个电势差随温度的变化而变化。根据图线数据可知，塞贝克电势差随温度的降低而减小，线性度、重复性都比较好。第二部分：血氧饱和度检测系统设计（一）血氧仪发展现状简介随着越来越多的人开始认识到亚健康问题的严重性和生活水平的提高，家用型便携式医疗电子产品市场正经历高速增长，如便携式血压计。下一波增长热点将是血糖仪和血氧仪，特别是便携式脉搏血氧仪，目前虽还未得到普及，但是最有增长潜力，未来市场增速有望超过40%。附图：武汉力源血氧脉搏仪参考设计板脉搏血氧仪提供了以无创方式测量血氧饱和度或动脉血红蛋白饱和度的方法。脉搏血氧仪还可以检测动脉脉动，因此也可以计算并告知病人的心率。脉搏血氧仪是测量病人动脉血液中氧气含量的一种医疗设备。 血氧仪的应用市场主要可分为以下几个方面：病人在急救和转运过程中、消防抢险、高空飞行必须监测血氧；心脏病、高血压、糖尿病人，特别是老人都会有呼吸方面的问题，监测血氧指标可很好地了解自己的呼吸、免疫系统是否正常，血氧饱和度已成为普通家庭日常监测的重要生理指标；医护人员在查房和出诊是也将血氧作为必监测项目，使用数量有压过听诊器的趋势；呼吸疾病患者特别是长期打鼾的、使用呼吸机和制氧机的患者，在日常生活中使用血氧仪来监测治疗效果；户外动者、登山爱好者、体育运动者在运动时都使用血氧仪，及时知道自己的身体情况，并采取必要的保护措施。目前市场上的血氧仪大多数是指夹式脉搏血氧仪，它的整套方案提供商主要有以下几家：武汉力源、奥地利微电子、TI、ADI、飞思卡尔。 脉搏血氧仪的两大开发趋势是：更高的测量精度和小型化。为了满足这一市场需求趋势，周文胜表示，ADI的产品研发方向也着眼于高集成度ASSP和新技术(如MEMS和磁耦隔离等)的开发。 胡戎表示：“目前市面上的脉搏血氧仪的主要不足是：在不同的测量环境下，测量精度的一致性不好，这归根结底还是硬件设计和软件算法的缺陷。”周文胜也强调：“从技术上来说，血氧仪的精度提高将是一个重要的方向。” （二）基本原理1、 血氧饱和度的概念功能性氧饱和度为HbO2（氧合血红蛋白）浓度与HbO2（氧合血红蛋白）+Hb（还原血红蛋白）浓度之比： （1）2、 系统工作原理根据功能性氧饱和度的定义，利用两个不同波长的LED入射光源，分别为和，由动脉组织体积变化引起的光程变化可通过以下运算而去除，所得结果Q为双波长吸收比率： （2）从而功能性血氧饱和度可表示为： （3）若选择合适的入射光波，使得近红外光谱区，上式可简化为： （4）由 （5）、是由于脉搏搏动而引起的透射光的最大变化量，考虑和远小于1（x充分小时，），则有： （6）只要测定两路透射光的最大光强和，以及由于脉搏搏动而引起的透射光最大变化量、；或是测定两路透射光最大光强和，与最小光强和代入上式就可以计算出双波长吸收比率。其中透射光的变化量称为动脉分量或交流量（AC）；而皮肤、肌肉、骨骼和静脉血等其他组织对光的吸收是恒定不变的，称为直流（DC）。考虑到透射光中交流量占直流量的百分比远小于1，透射光的最大光强可看成直流（DC）。综上所述，Q值可表示为 ，并带回（4）式，即可求出（其中A、B为固定参数） （三）课题设计1、方案设计与论证（1）本课题的设计内容由实验室提供血氧探头，我们要自行设计滤波电路、交直流分离电路，以及提高部分的探头控制电路（控制红光与红外光以一定的频率交替发射、接收），完成线路的搭接与调试。预期达到的效果是：利用时钟自动控制红光与红外光以固定频率完成发射、接收，并且分别将它们的交流、直流信号分离出来，在示波器上显示。（2）方案设计框图血氧探头前置放大滤波去噪时钟控制电路交、直流信号分离实验室提供的血氧探头内部的核心部件是发射、接收装置，即发光二极管和光敏三极管，通过控制两个三极管电压值（起到开关电路作用）分别可以实现红光和红外光的发射与接收。由于光敏三极管接收的信号很微弱，而且夹杂着干扰信号，所以首先要进行前置放大，随后进行滤波去噪。其中，前置放大电路已经连接在血氧探头上，我们设计的滤波电路包括两部分：即低通滤波器和50Hz工频陷波电路，可以有效滤去高频噪声。之后，要进行交直流信号的分离。对于直流信号的分离，可用大电容来实现；对于交流信号的分离，可用高通滤波器来滤去直流分量，保留交流分量。提高部分，我们设计时钟电路，提供一定的时序，通过高低电平的周期性变化控制血氧探头中红光与红外光交替发射、接收。与此同时，时钟控制两组通路开关，可以实现在红光发射、接收时，后续的两路通道中，只有一路选通，当红外光发射、接收时，另外一路选通。这样就可以实现，红外、红光信号在时间和空间上的分离，通过四个探头（分别对应红外、红光接收信号的交、直流分量）在示波器上显示，可以清晰地读出数据，从而计算Q值。2、理论分析与计算（1） 低通滤波器由于人体正常的脉搏信号低于3Hz，噪声多数为高频噪声，所以此处通过低通滤波器（核心部件为uA741）起到去噪的作用，下限频率设置为10Hz。原因是：为了保证人的生理信号不受影响，所以下限截止频率不能太低；另外，环境中的噪声相对于生理信号而言，都是比较高的，在几赫兹的区段内很少，所以下限频率设定为10Hz基本满足要求。（2） 50Hz工频陷波电路因为我们的生活用电为220V，50Hz市电，在环境中有大量的50Hz工频干扰，所以要设计陷波电路对这一频率值的噪声进行有针对性的滤除。此处我们采用无源双T网络的设计方案，通过电阻、电容的合理搭配，滤除工频噪声。（3） 高通滤波器要把交直流混合信号中的交流分量提取出来，可以使用高通滤波器。因为我们的有用信号频率很低，所以对于高通滤波器的上限频率提出了较高的要求。我们设计出以uA741为核心的高通滤波电路，将上限截止频率设定为0.1Hz，目的是让此滤波器只能滤掉直流，而对于有用信号的衰减要尽量小。（4） 时钟电路考虑到人体脉搏信号频率很低，为了能使信号输出时能在示波器上清晰显示，而且红外、红光分别工作的时间要达到一定的长度才能够有充足的时间进行度数，另外，函数发生器（起到原始时钟的作用）的最低频率为0.16Hz左右。综合多方面考虑，我们选用了74LS161芯片，16进制计数器来设计时钟电路，选用Q3端作为输出，即高低电平跳转周期最大，这样可以保证时钟周期足够大，满足工作要求。（5） 模拟开关电路要把红外、红光信号的交、直流四种分量完全分离开，我们在信号处理电路（交直流分离电路）后面分别加了两组通路开关。使用4066芯片，四路通道分时工作，红光发射时，对应的交、直流通道同时选通，其余通道关闭；同理，红外发射时，对应的交、直流通道同时选通，其余通道关闭。3、 电路图（1） 低通滤波器（2）50Hz工频陷波电路（3）直流分离电路（4）交流分离电路4、 测试方法与数据记录被测人调整好呼吸后（最好先到室外呼吸一下新鲜空气），静坐，将血氧探头夹在手指上，整个测量过程中，被测人不要移动，尽量保持心态平稳，呼吸顺畅。在示波器上分别观察并记录红光、红外光的交流、直流分量，根据每组的四个数据计算一个Q值，对于每一个被测人要测量三组求平均值。随后，被测人在憋气（无氧）状态下重复上述测量。附图一：血氧探头附图二：示波器波形（此时蓝色波形为红光交流分量，黄色波形为红光直流分量）数据记录如下：被测者甲被测者乙红光交流100mv96mv94mv156mv138mv126mv红光直流960mv960mv960mv1200mv1200mv1200mv红外交流118mv112mv108mv124mv124mv100mv红外直流680mv680mv760mv640mv680mv640mvQ值0.60030.60710.68900.67100.63060.6720被测者丙有氧无氧对比红光交流62mv60mv63mv100mv86mv48mv红光直流1040mv1040mv1050mv1640mv1640mv1640mv红外交流44mv52mv46mv66mv56.8mv41.6mv红外直流600mv600mv610mv720mv720mv720mvQ值0.81290.66570.79570.6652（有氧）0.6647（有氧）0.5066（无氧）观察实验数据可知，在有氧状态下，对于每一个被测者，Q值基本在某一数值附近上下波动，数据变化范围在0.6-0.8之间，而在无氧状态下，Q值下降到0.5左右，基本满足变化规律要求。但是数据存在波动较大的问题，我们在测量数据时观察波形也发现会有幅值不稳（时大时小，但变化不明显）现象，分析原因可能是与发光二极管发光强度变化有关，我们的系统稳定性与重复性有待提高。（四）总结1、实验中遇到的主要问题与解决方案（1）50Hz工频陷波电路对于该模块，我们最初采用有源双T网络的设计方案，结果对于工频干扰没有产生滤波作用，用模拟示波器观察噪声波形，有一个频率的噪声非常明显，我们估读一下它的频率，由于噪声波形始终在抖动，用模拟示波器度数会产生较大误差，所以把此噪声频率误读为63Hz左右。于是我们又重新设计了针对此频段的带阻滤波器，搭接调试后大噪声仍然存在。后来我们用数字示波器的自动度数功能重新测了一下噪声频率，发现原先的度数有误，噪声来源确实为50Hz工频，由于前次使用模拟示波器时的疏忽，让我们走了一段弯路。通过请教老师，我们了解到起初的有源双T网络电路，可能是由于电阻、电容不平衡，导致阻带中心频率偏移，没能对工频干扰有效滤除。于是我们去掉了放大器，采用无源设计方案，直接使用双T网络，实验结果良好，从30Hz到70Hz的信号均有一定衰减，对于50Hz附近频率的滤波效果很明显。虽然采用无源设计会导致阻带较宽，但是结合我们电路实际情况，对于有用信号没有影响，对于工频干扰的滤除效果也很好，能够达到预期效果。（2） 示波器AC/DC档的使用在我们起初调试电路的时候，发现各类滤波器的效果都不是很好，时常会将有用信号滤掉，我们重新进行软件仿真、线路检查、各频段示波效果观察，问题依旧存在。后来偶然发现，如果把示波器的工作档位调成DC档，就可以达到预期效果。我们分析，这是因为如果使用AC档，示波器会自动滤掉直流信号，而我们检测到的生理信号频率很低，示波器会把它误当做直流量滤除，从而使信号无法达到预期效果。在此后的实验中，我们一直用DC档来观察波形。（3） 使用非门会使高电平衰减 要用时钟控制两个三极管的通断，是通过高低电平实现的。我们在使用74LS14芯片中的非门时发现，通过一个非门后，高电平会从5V左右衰减到3.7V，这样会导致红光、红外二极管发光强度不同，进而影响到Q值的计算。于是我们采用了“非非门”的设计思路，让一条支路通过两个非门，逻辑信号仍然保持不变，使得两条支路的逻辑高电平均为3.7V，这样就可以让两个二极管保持相同的工作电压。改进设计后，计算出的Q值恢复正常。（4） 红外、红光交替发射会使波形产生大的“毛刺” 用时钟控制电路控制红外、红光交替产生，在转换瞬间，由于线路中电容的充放电，会导致过冲现象，波形中出现大的毛刺，影响记录读数。由于我们凭借我们现有的技术无法使用单片机，所以在模拟电路范畴内，我们采用的解决方案是：拉长时钟周期，使得每种信号工作时间足够长，充分满足度数时间的需要。2、设计完善现在的设计仅仅在模拟电路范畴内，有一些问题难以解决，如过冲问题。下一步的技术路线是采用单片机技术，完成整个系统的控制、信号采集与计算处理、数字显示等功能。最终达到的目标是制成手指血氧仪原型机，具有更高的稳定性、准确性。通过大量的检测数据来检验原型机各项性能指标。3、实验中的收获与体会此次生物医学传感器设计实验是我们第一次把课堂上所学的知识应用到医疗仪器的设计实践中。这种集中时间、高强度、综合性的实践锻炼是我们以前少有接触的。通过这段时间的学习实践，我收获很多。首先，在专业技能方面，我获得了进一步提升。之前，综合电子设计竞赛的经历让我感受颇深，经过高频电路的洗礼后，再回到普通模电实验的“中频段”，无论在设计，还是在调试的过程中，都觉得熟练、顺畅很多。这次，我们面临的是低频问题，同样也有一定的难度。从最初的方案设计开始，我们最重视的问题就是低频信号（最低到达零点几赫兹）与直流