??? 摘? 要： 給出了一種無創(chuàng)血氧監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)采用ADμC7026產(chǎn)生周期脈沖信號控制驅(qū)動電路驅(qū)動兩個(gè)不同工作波長的發(fā)光二極管(波長分別為660 nm和940 nm)分時(shí)發(fā)光，由作為跨導(dǎo)放大器的AD8606將接收到的透射光耦合電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并經(jīng)進(jìn)一步放大后，由AD?滋C7026內(nèi)部集成的ADC完成數(shù)據(jù)采集。通過計(jì)算兩種波長的吸光度比值R，進(jìn)而確定人體的血氧飽和度。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的無創(chuàng)血氧飽和度監(jiān)測效果良好。?

??? 關(guān)鍵詞： 無創(chuàng)測量; 血氧飽和度; 光電轉(zhuǎn)換; 跨導(dǎo)放大器

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??? 在生理和臨床監(jiān)測過程中需要持續(xù)地采集血氧飽和度的信息，如外科心臟手術(shù)和無自主呼吸情況下使用呼吸機(jī)的過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測病人血氧含量是十分重要的。?

??? 傳統(tǒng)的血氧飽和度的測量是通過采血測量出人體的血氧飽和度的有創(chuàng)測量方法，由于需要采血，不僅給病人帶來痛苦，而且測量間隔時(shí)間長，達(dá)不到到連續(xù)監(jiān)測的效果。?

??? 目前，臨床診斷基本上是用血?dú)夥治鰞x測定SaO₂，血?dú)夥治鰞x是直接測定血液中的pH值、氧分壓和二氧化碳分壓 , 并通過這三個(gè)測量數(shù)據(jù)計(jì)算出其他數(shù)據(jù)。血?dú)夥治鰞x通常價(jià)格昂貴、分析周期長，不適合廣泛使用且達(dá)不到實(shí)時(shí)監(jiān)測的效果。過去幾十年中，近紅外血氧監(jiān)測測量方法由于響應(yīng)快、穩(wěn)定性好而受到人們廣泛地關(guān)注。筆者根據(jù)近紅外血氧監(jiān)測的原理提出一種方便而有效的測量方法。?

1 血氧飽和度測量原理?

??? 人體在吸氣過程中，空氣中的氧氣進(jìn)入氣管并運(yùn)輸?shù)椒闻葜械姆蚊?xì)血管。人體內(nèi)血液通過心臟的收縮和舒張脈動地流過肺部，在此過程中，氧就進(jìn)入肺毛細(xì)血管血液中。大部分氧與血液中的血紅蛋白結(jié)合成為氧合血紅蛋白(HbO₂)，沒有與氧結(jié)合的血紅蛋白分子稱為還原血紅蛋白(Hb)。正常情況下，大約98%～99%的人體吸入氧氣以氧合血紅蛋白的形式存在。?

??? 足夠的氧是生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，血氧飽和度是反映血氧含量的重要參數(shù)。能否充分吸收氧氣，使動脈血液中溶入足夠的氧，對維持生命至關(guān)重要。及時(shí)檢測動脈中的氧含量是否充分又是判斷人體呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)是否出現(xiàn)障礙或者周圍的環(huán)境是否缺氧的重要指標(biāo)。臨床上一般通過測量血氧飽和度來判斷人體血液中的含氧量。血氧飽和度是指血液中氧合血紅蛋白占血液中的血紅蛋白的比例。血氧飽和度的定義為：SaO₂=HbO₂/（HbO₂+Hb）。?

??? 在光波長為700 nm～950 nm這段近紅外區(qū)域內(nèi)，人體血液對光波的吸收存在一個(gè)“光譜窗”，如圖1所示。在這個(gè)“光譜窗”內(nèi)，生物組織對光線的吸收作用大大降低，光線可以進(jìn)入更深的人體組織。人體組織血管中的血紅蛋白對光線的吸收能力與血紅蛋白的狀態(tài)有密切關(guān)系，氧合血紅蛋白(HbO₂)和還原血紅蛋白(Hb)對不同波長的光吸收系數(shù)差異明顯。在紅光區(qū)(600 nm～700 nm) HbO₂對紅光的吸收系數(shù)遠(yuǎn)小與Hb的吸收系數(shù)，在紅外區(qū)(800 nm～1 000 nm)Hb對紅外光的吸收系數(shù)小于HbO2吸收系數(shù)，在805 nm左右為等吸收點(diǎn)，HbO2與Hb吸收系數(shù)相等。血液對光吸收程度主要與血紅蛋白含量有關(guān)，紅外光吸光量的變化主要反映氧合血紅蛋白含量的變化，紅光吸光量的變化主要反映還原血紅蛋白含量的變化。這樣，通過檢測人體組織對光強(qiáng)的吸收情況，便可推測出血液的含氧狀況^[1]。因此，近紅外光譜法能實(shí)時(shí)無創(chuàng)監(jiān)測重要器官和組織中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白濃度的動態(tài)變化。?

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??? 本文中采用波長660 nm的紅光和940 nm的近紅外光作為射入光源，測定穿過組織的光傳導(dǎo)強(qiáng)度，來計(jì)算血氧飽和度。圖1所示為還原血紅蛋白與氧和血紅蛋白的光吸收系數(shù)比較。?

??? 利用氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對光的吸收，來計(jì)算血氧飽和度SaO₂。它們之間存在以下計(jì)算公式^[3]。?

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??? (1)式中的λ₁、λ₂表示波長為660 nm的紅光和940 nm近紅外光；分別表示Hb在λ₁、λ₂波長下的光吸收系數(shù)，HbO₂在λ₁、λ₂波長下的光吸收系數(shù)，在λ₁、λ₂波長下的吸光度。波長為λ₁=660 nm及λ₂=940 nm的光波的吸收系數(shù)?

??? 生物組織對光的衰減包括吸收和散射兩部分，由于生物組織是強(qiáng)散射介質(zhì)，因此散射作用大于吸收作用，經(jīng)典Lambert-Beer 定律不能反映這一現(xiàn)象， D. T Delpy 提出應(yīng)考慮強(qiáng)散射介質(zhì)中多次散射及衰減，于是提出用下式來描述光在組織中的傳播。?

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式中，OD、I_o、I_r分別表示吸光度、透射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)^[3]。由此可見，測量兩組不同的光線經(jīng)過人體組織吸收后射出的光強(qiáng)度即可計(jì)算出吸光度比值R：?

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2 基于AD?滋C7026系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

2.1 系統(tǒng)框架?

??? 血氧監(jiān)測系統(tǒng)包括LED發(fā)光管的驅(qū)動電路、前端放大電路、信號采集電路以及控制輸出電路。LED發(fā)光管包括兩個(gè)不同波長的二極管，每個(gè)二極管的工作時(shí)間不同，由處理器控制驅(qū)動電路驅(qū)動分時(shí)發(fā)光。前端放大電路由跨導(dǎo)放大器和差分放大器構(gòu)成。系統(tǒng)的主要算法由處理器ADμC7026計(jì)算完成。圖2是基于ADμC7026處理器的血氧監(jiān)測系統(tǒng)框架圖。?

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2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

??? 本系統(tǒng)采用的血氧探頭是由紅光和紅外發(fā)光管反向并聯(lián)連接成的，為了讓發(fā)光管能正常工作，利用H橋電路來驅(qū)動發(fā)光管，如圖3所示。驅(qū)動電路由4個(gè)三極管（BC856ASMD、MMBT2222各2個(gè)）構(gòu)成。P0.6和P0.7作為驅(qū)動電路的選通開關(guān)，DAC2、DAC3起著電流控制的作用。在軟件中斷的配合控制下，產(chǎn)生1 kHz的驅(qū)動控制信號。H橋驅(qū)動電路驅(qū)動兩發(fā)光管發(fā)光的時(shí)序是：紅光開，紅光關(guān)，紅外開，紅外關(guān)，發(fā)光工作時(shí)序如圖4所示。?

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??? 由于采集到的信號極其微弱，為了確保輸入信號信噪比滿足測量要求，在模擬前端必須采用高性能放大器。AD8606具有非常低的失調(diào)電壓和優(yōu)異的噪聲性能。本系統(tǒng)采用一片AD8606作為光信號的放大電路。其中OA0為跨導(dǎo)放大器，OA1作為差分放大器。?

??? 血氧探頭中的接收光管是由光電池組成，光電池將接收的光信號轉(zhuǎn)化成電流信號。電流信號的放大是由跨導(dǎo)放大器將電流信號轉(zhuǎn)化成為電壓信號，OA0放大器是跨導(dǎo)放大器的核心部分?？鐚?dǎo)放大器的R1、C1與光電池的內(nèi)阻和內(nèi)部電容有關(guān)，而每個(gè)光電池的內(nèi)阻和電容都有很大的差別且不容易測量，這給設(shè)計(jì)跨導(dǎo)放大器帶來不便，相關(guān)器件參數(shù)需經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定。放大器OA0中兩個(gè)輸入分別連接光電池兩端，經(jīng)過OA0放大后的輸出中包括1 V左右的直流分量和峰-峰值為20 mV的交流分量。OA0的輸出接到OA1的一個(gè)輸入端。ADμC7026通過端口ADC7采集被測信號，并經(jīng)過數(shù)字直流跟隨濾波器提取直流分量后，通過端口DAC1將該直流分量以電壓形式輸出作為OA1的另一端輸入。差分放大器OA1為系統(tǒng)提供50倍的信號幅度放大增益。模擬前端電路如圖5所示，電路原理如圖6所示。?

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2.3 算法分析?

??? 透射光信號耦合電流經(jīng)跨導(dǎo)放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號后，經(jīng)過差分放大器OA1的輸出信號中仍然存在殘余直流分量。因此，該信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換后，需要進(jìn)行直流分量的進(jìn)一步消除，即通過數(shù)字方法對信號中的殘余直流分量進(jìn)行跟隨提取，并最終將其從被測量信號中去除。該直流分量跟隨濾波可采用如圖7所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中，參數(shù)K決定了直流跟隨過程的收斂速度。?

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??? 在殘余直流分量濾除后，剩余交流信號中仍存在低頻噪聲，對被測信號干擾很強(qiáng)，這將為計(jì)算SaO₂帶來較大誤差。為此，需要對低頻噪聲進(jìn)行抑制。本系統(tǒng)采用的低頻噪聲抑制濾波器針對6～50 Hz范圍內(nèi)的噪聲進(jìn)行濾波，以改善系統(tǒng)測量精度。系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖8所示。?

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??? 本系統(tǒng)被測信號中直流分量的幅值接近1 V，根據(jù)(4)式可得:?

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??? 由式(5)可知，只要測得I_ACλ1、I_ACλ2即可求得R值，并進(jìn)一步計(jì)算出SaO₂。為使測量更為準(zhǔn)確，本系統(tǒng)對采集到的透射紅光信號和紅外信號進(jìn)行求均方根濾波后，再計(jì)算R的值。最后根據(jù)公式(4)計(jì)算SaO₂。?

2.4 血氧飽和度采集軟件流程?

??? 血氧濃度的測量以及處理的算法框圖如圖9所示，由定時(shí)器TIMER每隔1 ms產(chǎn)生一次中斷通過判斷參量A的值來分別控制兩個(gè)發(fā)光管分時(shí)發(fā)光。接著對光信號進(jìn)行采集和處理。?

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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果?

??? 在血氧測試過程中，通過示波器采集到兩路放大器輸出的信號波形，如圖10所示，橫坐標(biāo)軸上面的波形為跨導(dǎo)放大器輸出信號波形，下面的波形為差分放大后的信號波形，周期是1 ms。?

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??? 為了驗(yàn)證本系統(tǒng)血氧飽和度測量的實(shí)際性能，對正常人做了血氧飽和度測試，測試時(shí)間間隔為20 min。測試結(jié)果如表1所示。測試的結(jié)果表明，本系統(tǒng)血氧測量性能良好。?

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??? 本系統(tǒng)基于ADI系列芯片，有效利用血紅蛋白對紅光和近紅外光的吸收特征，實(shí)現(xiàn)了對人體無創(chuàng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。探頭可以放置在人的手指、耳朵以及大腿等部位，測量方便?？梢詾榕R床診斷和治療提供連續(xù)有效的血樣監(jiān)測信息，具有廣闊的應(yīng)用前景。?

參考文獻(xiàn)?

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