無(wú)創(chuàng )血氧飽和度檢測儀的設計

摘要：介紹了無(wú)創(chuàng )血氧飽和度測量原理，即紅外光根據人體組織中不同的血紅蛋白氧合狀態(tài)具有不同的光吸收譜特征，利用這些特征即可檢測人體組織血氧飽和度。系統采用單片機C8051F020為核心，設計了無(wú)創(chuàng )血氧飽和度檢測儀的各硬件部分和軟件流程圖，并通過(guò)可控數字電位器替代了傳統的反饋電阻實(shí)現了增益自動(dòng)調節，克服了個(gè)體差異造成的血氧信號只通過(guò)固定增益影響了測量精度的缺點(diǎn)。該系統結構穩定，功耗小，成本低，為臨床測量提供連續有效的監測信息，適用于臨床測量與研究，具有廣闊的應用前景。
關(guān)鍵詞：近紅外光譜；血氧飽和度；自動(dòng)增益；C8051F020

0 引言
氧是維持人體組織細胞正常功能、生命活動(dòng)的基礎。人體的絕大多數組織細胞的能量轉換都是在氧的參與下完成的。所以，實(shí)時(shí)監護人體組織中氧的代謝及運輸過(guò)程，可以間接獲得細胞的代謝狀態(tài)，在生命科學(xué)的研究領(lǐng)域有重要的意義。
要了解人體組織中氧的代謝及運輸過(guò)程，即掌握動(dòng)脈血管內的血氧運輸代謝情況，人們通常采用兩種有效實(shí)用的方法。第一種方法：直接采集人體動(dòng)脈血樣進(jìn)行血氣分析。它包括血液的pH，PO2，PCo2的測定值，還包括經(jīng)計算求出的血氧飽和度等參數，但這種方法是有創(chuàng )測量，且對血液標本采集有一些限制要求，不能作為實(shí)時(shí)監護的方法。第二種方法：利用無(wú)創(chuàng )血氧測量技術(shù)來(lái)檢測動(dòng)脈血氧飽和度。它是利用近紅外光在組織中血紅蛋白氧合狀態(tài)不同時(shí)具有獨特的光吸收譜特征來(lái)檢測組織血氧飽和度。
傳統的無(wú)創(chuàng )血氧儀器通過(guò)光電檢測傳感器采集透射過(guò)血液組織中脈動(dòng)光強信號，經(jīng)過(guò)固定增益放大和濾波后送入單片機進(jìn)行數據處理得出血氧飽和度值。本文設計了基于C8051F020單片機配合可控數字電位器實(shí)現增益自動(dòng)調節的無(wú)創(chuàng )血氧飽和度測試儀，解決了個(gè)體差異對血氧信號的影響，有效地提高了血氧飽和度的精度。

1 檢測原理
無(wú)創(chuàng )血氧飽和度的檢測原理是根據Beer-Lambert定律，引出分光光度法進(jìn)行物質(zhì)定性分析和定量分析。根據這個(gè)理論基礎，由氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白對不同波長(cháng)色光的吸光度不同和血氧飽和度的定義，推導出動(dòng)脈血管中的血氧飽和度計算公式。
根據朗伯-比爾定律可以得出單色光透過(guò)某均勻溶液后透射光強I與溶液諸參數的關(guān)系是：

式中：E表示該溶液對某特定單色光的吸光系數；C表示該溶液的濃度；D表示光透過(guò)溶液所經(jīng)光程長(cháng)度。
若定義吸光度A為：
A=ln(I0／I)=ECD (2)
假如均勻組織為血管，當動(dòng)脈血脈動(dòng)時(shí)，D將有一個(gè)△D的改變，此時(shí)透射光I也將有一個(gè)△I的改變，此時(shí)吸光度A的改變△A為：
△A=ln[I／(I-△I)]=EC×△D (3)
根據醫學(xué)定義，由于含氧血紅蛋白和還原血紅蛋白處于同一血液溶液中，他們的含量之比即為濃度之比，這樣血氧飽和度為：

式中：△W即為該色光光電信號的交直流成份之比，由以上表達式再根據數學(xué)變換，當有兩路光源透射過(guò)手指后最終可以推出血氧飽和度的計算表達式為：

式中：Ei表示不同物質(zhì)的吸光系數，對于一定波長(cháng)和一定組織成分而言，Ei是確定的常量。將上式寫(xiě)為如下形式，并展開(kāi)成二階泰勒級數為：

只要測量出色光光電信號的交直流成份之比△W’／△W與標準血氧計測量的血氧飽和度，利用最小二乘法二次曲線(xiàn)擬合技術(shù)，確定常數A，B，C就可以得到血氧飽和度經(jīng)驗公式。