無創(chuàng)血氧飽和度檢測儀的設計

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C8051F020為核心，設計了無創(chuàng)血氧飽和度檢測儀的各硬件部分和軟件流程圖，并通過可控數(shù)字電位器替代了傳統(tǒng)的反饋電阻實現(xiàn)了增益自動調(diào)節(jié)，克服了個體差異造成的血氧信號只通過固定增益影響了測量精度的缺點。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，具有廣闊的應用前景。
關鍵詞：近紅外光譜；血氧飽和度；自動增益；C8051F020

0 引言
氧是維持人體組織細胞正常功能、生命活動的基礎。人體的絕大多數(shù)組織細胞的能量轉(zhuǎn)換都是在氧的參與下完成的。所以，實時監(jiān)護人體組織中氧的代謝及運輸過程，可以間接獲得細胞的代謝狀態(tài)，在生命科學的研究領域有重要的意義。
要了解人體組織中氧的代謝及運輸過程，即掌握動脈血管內(nèi)的血氧運輸代謝情況，人們通常采用兩種有效實用的方法。第一種方法：直接采集人體動脈血樣進行血氣分析。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(shù)，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，不能作為實時監(jiān)護的方法。第二種方法：利用無創(chuàng)血氧測量技術(shù)來檢測動脈血氧飽和度。它是利用近紅外光在組織中血紅蛋白氧合狀態(tài)不同時具有獨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光強信號，經(jīng)過固定增益放大和濾波后送入單片機進行數(shù)據(jù)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(shù)字電位器實現(xiàn)增益自動調(diào)節(jié)的無創(chuàng)血氧飽和度測試儀，解決了個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，引出分光光度法進行物質(zhì)定性分析和定量分析。根據(jù)這個理論基礎，由氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白對不同波長色光的吸光度不同和血氧飽和度的定義，推導出動脈血管中的血氧飽和度計算公式。
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I與溶液諸參數(shù)的關系是：

式中：E表示該溶液對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，當動脈血脈動時，D將有一個△D的改變，此時透射光I也將有一個△I的改變，此時吸光度A的改變△A為：
△A=ln[I／(I-△I)]=EC×△D (3)
根據(jù)醫(yī)學定義，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(jù)數(shù)學變換，當有兩路光源透射過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(shù)，對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數(shù)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)驗公式。