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三波长血氧饱和度测量仪的研制

三波长血氧饱和度测量仪的研制. 导师：周山宏 高工 答辩人：林政剑 电子科技大学生命科学与技术学院. 本课题主要内容. 1 课题背景 、 研究意义和血氧仪的发展 2 血氧饱和度测量的光学理论基础 3 低血氧仪系统的研制 4 干扰信号的处理方法分析 5 结论和展望. 1 . 课题背景及研究意义. 1.1 血氧饱和度 （ SaO 2 ） 的概念 SaO 2 ＝ ( HbO 2 ／∑ Hb )× 100 ％ ∑ Hb = Hb + HbO 2 + COHb + MetHb

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三波长血氧饱和度测量仪的研制

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  1. 三波长血氧饱和度测量仪的研制 导师：周山宏 高工 答辩人：林政剑 电子科技大学生命科学与技术学院

  2. 本课题主要内容 • 1 课题背景、研究意义和血氧仪的发展 • 2 血氧饱和度测量的光学理论基础 • 3 低血氧仪系统的研制 • 4 干扰信号的处理方法分析 • 5 结论和展望

  3. 1.课题背景及研究意义 • 1.1血氧饱和度（SaO2）的概念 • SaO2＝(HbO2／∑Hb)× 100％ • ∑Hb=Hb+HbO2+COHb+MetHb • SaO2＝（〔HbO2〕／〔HbO2〕+〔Hb〕）×100％ • 检测动脉血中的氧含量，是判断人体呼吸系统和循环系统是否缺氧的重要指标。血氧监护在临床麻醉手术﹑新生儿和危重病人监护应用中为医生提供了直接﹑快速﹑有效的临床依据，在脑外科﹑新血管外科及新生儿﹑早产儿监护等领域有着重要的意义。

  4. 1.2脉搏血氧饱和度测量仪的发展 • 1932年，Nicolai和Kramer两位科学家研制出接近现代使用的脉搏血氧饱和度测量仪。 • 1935年，Matthes研制了第一个双波长的耳部血氧测量探头，可以实现脉搏血氧饱和度的测量，不过这种设备测量缓慢，需要频繁校准而且不能区分动脉和静脉血流。 • 1942年，MilliKan使用一个加温的耳部探头的脉搏血氧饱和度测量仪，用在飞机上对飞行员测量。

  5. 1949年，Wood设计的脉搏血氧饱和度测量仪将耳部的血液挤走以获得绝对零点来改进测量精度，这种设备光源稳定性要求高，每次测量需要繁琐调整，因而没有得到广泛应用。1949年，Wood设计的脉搏血氧饱和度测量仪将耳部的血液挤走以获得绝对零点来改进测量精度，这种设备光源稳定性要求高，每次测量需要繁琐调整，因而没有得到广泛应用。 • 1964年，Shaw设计了一种八波长的自身调整的耳部血氧计，优点是避免了繁琐的调整，从650nm到1050nm的八个光波，但该设备体积较大，结构复杂，容易损坏而且价格昂贵。 • 1972年，日本人Aoyagi用红光和红外光穿过测量部位中脉动的动脉血管，可以直接计算出脉搏血氧饱和度,采用发光二极管减少了血氧探头的体积，投入到了商业应用中。

  6. 1974年，日本的青柳卓雄等人发表了脉搏血氧计测试法原理，第一台脉搏血氧饱和度测量仪OLV5100问世。1974年，日本的青柳卓雄等人发表了脉搏血氧计测试法原理，第一台脉搏血氧饱和度测量仪OLV5100问世。 • 1982年，Nellcor研制出一种性能更好的脉搏血氧计N-100，并形成了一种标准模式，系利用发光二极管做为光源，硅管作为光传感器，微型计算机进行信息处理，从而使脉搏血氧饱和度测量仪进入了新时代。 • 90年代以后，基于双波长的各种血氧计不断研制出来，脉搏血氧饱和度测量仪已经在临床实践上得到了广泛的应用，成为一种不可缺少的临床诊断设备。

  7. 2.血氧饱和度测量光学理论基础 • 2.1 Lambert-Beer定律 • 透光率T=It/I0 • 吸光度A=- logT=bc • Lambert-Beer定律

  8. 光脉搏容积波

  9. Hb和HbO2的吸光系数曲线

  10. 2.2双波长测量法的理论分析 （2-1） （2-2） （2-3） （2-4） （2-5）

  11. （2-6） (2-7) (2-8) (2-9) （2-10）

  12. 发射光波长660nm和940nm 发射光波长735nm和890nm

  13. 图2-9光平均穿透深度曲线 图2-10相对路径变化曲线

  14. 2.3低血氧仪测量原理 • 用595nm、 735nm、890nm三个波长的光来测量，相当于用两组双波长（每组波长中都需要有两种血红蛋白吸光系数近似相等的波长的光，公式（2-10）才能成立）光的测量值取了一次均值。对595nm和890nm两种波长的光，利用公式（2-10）得SaO2=k1R1 +b1,同理对735nm和890nm可得SaO2=k2R2+b2 • 最后 SaO2 =[（k1R1+b1）+（k2R2+b2)]/2 • =AR1+BR2+C

  15. 图2-12 600-1000nm段脉动与非脉动光强比值曲线 图2-11600－1000nm段HbO2吸光系数曲线

  16. 图2-13450-600nm段HbO2吸光系数曲线 图2-14450-600nm段脉动与非脉动光强比值曲线

  17. 3.低血氧仪系统的研制 • 3.1系统硬件设计 图3-1硬件系统结构框图

  18. ·血氧传感器的制作 • 江苏稳润光电有限公司生产的JY-5143UYC，JY-3024HD，JY-3024IRC型号三种发光二极管和JY2017PDB型号的光敏二极管。三个发光二极管镶嵌在一块黑色小泡膜板上，发光二极管管顶成正三角形，边长为5mm，光敏二极管嵌在另外一块黑色小泡膜板上，两块泡膜板略下凹成弧形，再用粘合剂把两块小泡膜板分别粘在手指夹套的两面上，光敏二极管光接收窗口正对准正三角形的中心，三个发光二极管略向正三角形的中心倾斜，保证发光二极管管顶能对准光敏二极管光接收窗口。

  19. ·CPU 、A/D转换器件和译码器的选择 Atmel公司生产的AT89C52单片机性能良好，价格低廉。 选用的A/D转换器件8位ADC0809是作为外部数据存储器来使用的。 采用硬件译码器SN7447。单片机处理后的十进制BCD数0～9，通过单片机P1.0～P1.3口送到译码器输入端A、B、C、D，输出端就可以输出字符的“段码”，且自带驱动，可直接连接数码管。

  20. 图3-5电源供电电路原理图 ·电源设计

  21. 图3-6 光电检测电路 ·光电检测电路

  22. 图3-7截止频率为40Hz的二阶低通滤波器 ·带通滤波电路

  23. 图3-8截止频率为0.1Hz的二阶高通滤波器

  24. 50Hz陷波电路

  25. 图3-10 WF-2000/L+的集成开发环境 3.2系统软件设计 • 语言环境简介 • 本系统程序使用编写51汇编语言。 • 开发系统简介

  26. ·软件设计基本思想 • 在一个心动周期，大约0.8秒时间内，控制 595nm、 735nm 、890nm三种波长光周期性发光，发光时间为72us，每隔4ms启动一个发光管发光，保证一个周期内采样100次，测出三种波长光的透射光强对应的最大电压和最小电压值，进而求出各自最大电压和最小电压差值与最大电压值的比值k1、 k2、k3，然后再求出k1与k3之比值R1和k2与k3之比值R2。

  27. 图3-11主程序流程图 图3-12中断服务程序流程图

  28. 图3-13 脉搏波信号 3.3系统调试和定标 • protel软件进行PCB版图设计的基本步骤：调入元件封装；布局；布线；电气检查。PCB电路设计和制作完成后，采用Tektronix公司的TDS3032数字示波器进行硬件调试，从硬件电路提取的脉搏波信号 。

  29. 系统设计完成后，根据公式SaO2=A R1+BR2+C对仪器进行定标。即确定公式中的系数A﹑B和C。 • 为了创造对仪器进行定标的低血氧条件，实验时每个人用橡皮筋稍微扎紧食指并憋气20-30秒钟的时间，让食指短时处于低血氧状态，对每个实验对象通过单片机测出对应的R1和R2的值 。 • 通过求解方程组的方法得到公式中的定标系数。 • SaO2=109.35-8.56 R1-6.97R2

  30. 本血氧仪由于采用了三种波长的光作为测试光波，作为定标依据的参量有两个，比双波长血氧仪新增了参量R1，由于R1的值较大，在一定程度上增大了仪器的检测灵敏度。本血氧仪由于采用了三种波长的光作为测试光波，作为定标依据的参量有两个，比双波长血氧仪新增了参量R1，由于R1的值较大，在一定程度上增大了仪器的检测灵敏度。

  31. 4.干扰信号的处理方法 • 影响测量精度的因素 • 血流灌注小的影响;手指插入的深度和方向;监测部位受压;环境光线太强 • 干扰信号的处理方法 • 削弱背景光 • 传感器密闭系统,保证传感器不透光,即密闭法

  32. 自准信号抵消环境光变化的影响，即电气补偿法 • 防止电磁干扰和工频干扰的方法 采用接地性好、导电性好﹑磁导率高、封闭性好的屏蔽材料对电路进行包裹形成封闭的屏蔽体，屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收, 屏蔽辐射干扰源所产生的电场和磁场分量。 • 消除运动伪差和降低运动噪声 身体的运动会造成血液充盈状况、光路径长度等因素发生变化

  33. 5.结论和展望 • 理论上全面阐述了低血氧饱和度的测量原理和方法。 • 提出了用三个发光波长（595nm、735nm、 890nm）作为测试光波长的算法，可以提高低血氧饱和度的测量精度。突破了传统上只使用600 nm以上的光作为测试光波长。 • 完成了基于51单片机的性价比高的硬件电路的设计和制作。 • 用51汇编语言完成了从信号采集、处理到显示全部源程序的编制。

  34. 本血氧仪需要进一步改进的方向：一方面，传感器的制作还需要更精密设计，选用波长单一性更好的发光二极管作为光源；另一方面，测量算法还有许多需要完善的地方，比如利用数字滤波方法消除被测信号中的噪声和干扰，用数字滤波来克服模拟滤波器的不足。本血氧仪需要进一步改进的方向：一方面，传感器的制作还需要更精密设计，选用波长单一性更好的发光二极管作为光源；另一方面，测量算法还有许多需要完善的地方，比如利用数字滤波方法消除被测信号中的噪声和干扰，用数字滤波来克服模拟滤波器的不足。 • 期望这种低血氧饱和度脉搏血氧计可以和心电监测技术融合为一体，利用心电图的波形特征来判断脉搏波的有效性准确地扑捉和分析脉搏波信号，使其成为可以同时进行监测血氧脉搏和心电图的仪器。

  35. 谢 谢！

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