無創(chuàng)血氧飽和度檢測儀的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了無創(chuàng)血氧飽和度測量原理，即紅外光根據(jù)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(tǒng)采用單片機(jī)C8051F020為核心，設(shè)計(jì)了無創(chuàng)血氧飽和度檢測儀的各硬件部分和軟件流程圖，并通過可控?cái)?shù)字電位器替代了傳統(tǒng)的反饋電阻實(shí)現(xiàn)了增益自動(dòng)調(diào)節(jié)，克服了個(gè)體差異造成的血氧信號(hào)只通過固定增益影響了測量精度的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，功耗小，成本低，為臨床測量提供連續(xù)有效的監(jiān)測信息，適用于臨床測量與研究，具有廣闊的應(yīng)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(xì)胞正常功能、生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。人體的絕大多數(shù)組織細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換都是在氧的參與下完成的。所以，實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)人體組織中氧的代謝及運(yùn)輸過程，可以間接獲得細(xì)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(yùn)輸過程，即掌握動(dòng)脈血管內(nèi)的血氧運(yùn)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?dú)夥治?。它包括血液的pH，PO2，PCo2的測定值，還包括經(jīng)計(jì)算求出的血氧飽和度等參數(shù)，但這種方法是有創(chuàng)測量，且對(duì)血液標(biāo)本采集有一些限制要求，不能作為實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的方法。第二種方法：利用無創(chuàng)血氧測量技術(shù)來檢測動(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(dú)特的光吸收譜特征來檢測組織血氧飽和度。
傳統(tǒng)的無創(chuàng)血氧儀器通過光電檢測傳感器采集透射過血液組織中脈動(dòng)光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)過固定增益放大和濾波后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出血氧飽和度值。本文設(shè)計(jì)了基于C8051F020單片機(jī)配合可控?cái)?shù)字電位器實(shí)現(xiàn)增益自動(dòng)調(diào)節(jié)的無創(chuàng)血氧飽和度測試儀，解決了個(gè)體差異對(duì)血氧信號(hào)的影響，有效地提高了血氧飽和度的精度。

1 檢測原理
無創(chuàng)血氧飽和度的檢測原理是根據(jù)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(jù)這個(gè)理論基礎(chǔ)，由氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白對(duì)不同波長色光的吸光度不同和血氧飽和度的定義，推導(dǎo)出動(dòng)脈血管中的血氧飽和度計(jì)算公式。
根據(jù)朗伯-比爾定律可以得出單色光透過某均勻溶液后透射光強(qiáng)I與溶液諸參數(shù)的關(guān)系是：

式中：E表示該溶液對(duì)某特定單色光的吸光系數(shù)；C表示該溶液的濃度；D表示光透過溶液所經(jīng)光程長度。
若定義吸光度A為：
A=ln(I0／I)=ECD (2)
假如均勻組織為血管，當(dāng)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(jù)醫(yī)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(hào)的交直流成份之比，由以上表達(dá)式再根據(jù)數(shù)學(xué)變換，當(dāng)有兩路光源透射過手指后最終可以推出血氧飽和度的計(jì)算表達(dá)式為：

式中：Ei表示不同物質(zhì)的吸光系數(shù)，對(duì)于一定波長和一定組織成分而言，Ei是確定的常量。將上式寫為如下形式，并展開成二階泰勒級(jí)數(shù)為：

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