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1、双波长频分式血氧饱和度信号检测电路设计报告08级生物医学（二）班李海波3008202330双波长频分式血氧饱和度信号检测电路设计报告摘要：本设计报告针对双波长频分式血氧检测系统展开，重点分析了双波长频分式的测量原理与方法关键词： 脉搏波 双波长 频分 血氧饱和度一 离体血氧检测原理1.1郎伯比尔定律这个定律揭示出了物质对光吸收的物理规律:I=I0e-acl公式中I表示透射光的强度I0表示入射光的强度a为物质的吸光系数，不同物质对同一波长光的吸光系数不同，同种物质对不同波长的光的吸收系数也不一样。（血氧饱和度的检测就是根据氧和血红蛋白与非氧和血红蛋白对同一波长的光吸光系数不同的原理来测量的）。氧
2、和血红蛋白（HbO2）与非氧和血红蛋白（HbR）的吸收曲线1.2理想情况下的血氧饱和度检测（离体情况下的测量）如下图所示假如在一个固定直径的血管中只有两种物质吸光即氧和血红蛋白与非氧和血红蛋。我们用HbO2表示氧和血红蛋白Hb表示总的血红蛋c1表示氧和血红蛋白的浓度， c2表示非氧和血红蛋白的浓度，c表示总的血红蛋白的浓度，a1表示氧和血红蛋白在1处的吸光系数a2表示非氧和血红蛋在1处的吸光系数1。根据血氧饱和度的定义： SaO2=c1c 1即氧和血红蛋白与总的血红蛋白浓度之比。在定义吸收度的物理量 即 A=-lnII0=acl=a1c1+a2c-c1l 2 则有SaO2=c1c= -lnII
3、0a1-a2cl-a2a1-a2 3上式中a1 ，a2为波长在1处的吸光系数为一个常量，I0与 I可以通过光敏二极管测得，因此要想获得血氧饱和度的值，必须知道两个参数c：血红蛋白的密度和l:光路长度显然还必须得到其他条件。此时假如再用一个波长为2的光波重复以上过程就得到了另一个形如3式的公式 SaO2=c1c= -lnww0b1-b2cl-b2b1-b2 4联立3式和4式得到一个一元（将cl看做一个量，并且3式与4式中的cl要不变即要求 1光与2光照射时脉搏不变后面必须考虑到这一点）二次方程可以解出SaO2如下 SaO2=a1Q-b2a2-a1Q-b1-b2 5式中Q为总的血红蛋白对两个波长的
4、吸光度之比即 Q=-lnww0-lnII0=A1A2 6A1为血红蛋白对1波长的吸光度，A2为为血红蛋白对2波长的吸光度5式说明SaO2 依赖于血红蛋白对两个不同波长吸光度的比值，这样就消除了c与l的影响了。以上推导限于血管直径l不变，并且只有血红蛋白吸收光波，这两点在实际测量中是不现实的。二：实际人体血氧饱和度测量2.1 人体脉搏波 与PPG原理实际在测量人体血氧饱和度的时候，人体的血管直径是变化的，即受到脉搏波的影响。脉搏波是由于心脏的搏动而导致血管直径变化从而使血管产生搏动的波，形象的称为脉搏波（pulse wave）波形如下光电容积脉搏波扫描法（Photo Plethysmo Grap
5、hy）即PPG，是借助于光电手段来无创检测血管容积变化的方法。我们知道正常生理情况下，毛细血管和静脉血管时不搏动的，只有动脉搏动，如果我们用一定光强的一束光照射人的手指，那么皮肤，脂肪，肌肉，骨骼以及毛细血管，静脉血管对光的吸收是恒定的，此外还要注意动脉血中的非脉动部分对光的吸收也是恒定的，只有动脉的脉动部分才是变化的，下面的图可以帮助理解当吸收光最小时透射光最大，当吸收光最大时透射光最小光敏二极管接受到透射光产生电流，电流的大小与透射光强成正比。对于像皮肤，脂肪，肌肉，骨骼以及毛细血管，静脉血管，动脉血管中的非脉动部分对光吸收恒定的表现在光敏二极管上电流也是恒定的即DC，对于动脉血中的脉动部
6、分则表现的是变化电流即AC。注意AC部分仅仅相当于DC部分的12%。这里介绍一种创新的计算理论：基于动态光（DS）谱理论计算血氧饱和度值。动态光谱即光电脉搏波周期上吸光度最大值与最小值构成的光谱。如上所示设照射到动脉脉动部分的光强为I0，动脉扩张到最大时，透射光最弱为Imin，光吸收度为A1(对应的光电电流为DC)，动脉收缩到最小时出射光最强为Imax，光吸收度为A2（对应的光电电流为DC+AC），则动脉吸光度之差为：A= A1-A2=-lnIminI0-(-lnImaxI0) 7=lnImaxImin同时测量两个波长的光吸收度之差A1与A2所以 Q=A1A2=lnImax1Imin1lnIm
7、ax2Imin2 8 将8式代入5式之中即可求的SaO2 而传统的算法是直接将交直流分量代入计算A= lnAC+DCDC Q= Q=A1A2=lnAC1+DC1DC1lnAC2+DC2DC2 9比较8式与9式可以看出区别就在于8式中用Imin（最小光强）代替了直流分量DC（平均光强）。然而就是这个小小的区别使得精度相差了至少两个数量级。这里由于条件的限制，我们不对血氧饱和度进行计算。三：系统的原理由以上分析可知要想得到血氧饱和度的值得知道Q值，要想得到Q值得知道两路信号的交直流分量的大小。即要向单片机分别输入两路信号的交直流分量。下面就讨论如何得到这两路交直流分量。3.1频分与时分我们知道要测
8、得SaO2必须的得到不同波长的多路信号，对于多路信号我们不可能对于每个信号分别采用一路系统来处理，否则的话设备会非常的庞大，代价会很昂贵而且不稳定因素会很多。我们这里采用的是双波长频分式即两个不同波长660nm红光和940nm红外光，所以只用到了两个不同频率的载波560HZ和5560HZ。光敏二极管得到是两路信号的叠加。然而血氧饱和度检测可以采用四波长或者八波长甚至更多。在其他检测中可能信号远不止个位数。为了能使一个信道传送多路信号我们可以采用多路复用技术。多路复用主要有两种：频率划分法Frequency Divison Multiplex（简称频分FDM），时间划分Time Division
9、 Multiplex（简称时分TDM）.FDM:频分的核心思想是频谱搬移。即将传感器收集来的各路信号去调制（调制与解调稍后详谈）不同频率的载波信号得到不同频率的已调信号然后将这几路信号叠加在一起通过一个信道传送出去。如果是无线发射的话还要对这一路信号进行二次调制得到高频或者极高频的射频信号以便通过无线发射出去。当然我们这里不需要二次调制。当信号经过一路传输来到处理终端时我们需要分离得到各个信号，这里的过程就是前面调制的逆过程即解调。时分法的核心思想是分时采样。前面我们说了频分法，频分中两个频率的时序如下图所示显然红光和红外光会同时发光，同时不发光，仅红光发光，仅红外光发光。而时分中驱动红光与红
10、外光的时序如下所示：显然红光与红外光必须不同时发光即分时发光。对于每个时段只有一个灯发光。在信号的接受端有一个与红光和红外光发光时序相同的时序开关，可以在对应时序中选通对应的信号分别从两路输出，这样就得到了两路信号了。在电路实现上要采用集成块双向移位寄存器74LS194，分频器74LS163和锁存器74LS175。.时分解复用的电路原理就是先通过帧同步信号和位同步信号把各路信号数据分开,然后通过移位寄存器构成的并/串转换电路输出串行的数据，各个信号就能分别互相分开，互不干扰并不失真地还原出原来的信号。这种信号分离的方法是从时间上分离的不同于上面从频域上分离。分离之后的步骤和频分式的相同。3.2
11、下面介绍一下信号的调制与解调调制即用调制信号（调制信号就是要传送的信号也叫做基带信号）去改变高频载波信号的某些参数，使其具有调制信号的某些特征。假如改变的是载波的幅值即调幅Amplitude Modulation(AM).如果改变的是频率则为Frequency Modulation（FM）。如果改变的是相位则是Phase Modulation(PM)。调制与解调是无线电发射的核心，但是在低频中也不可小觑。它有如下四个作用：频率变换：在无线传送时将低频段信号调制高频段。频率分配：保证各个电台发出的信号互不干扰。实现多路复用：将信号互不干扰的安排在同一物理信道中传输即频分复用。这也是我们调制的目的
12、。提高发射能力减小天线尺寸。在血氧检测电路中我们采用560HZ与5560HZ的正弦波去驱动两个二极管发光，即红光与红外光以560HZ与5560HZ的频率闪烁，照射手指，这就相当于载波被脉搏波调制了。但是在一般情况下调制是通过乘法器实现的。这里有几个小细节：一开始我们考虑发光二极管能不能以5560HZ的频率去发光。实际上发光二极管的频响是没有问题的。发光二极管的频响是由PN结中的少数载流子的寿命来决定的。不同的LED性能不一样，一般来说频响在100MHZ之内是没有问题的。现在我们用的光纤通讯实现的是1000M的带宽，它所采用的电子寿命1us。检测透射光的光强时也要考虑中的问题。光敏三极管的转换速
13、率（压摆率）不及光敏二极管因此选用光电二极管，但是普通光敏二极管无法做到。选择时要注意选择性能好的光敏二极管为什么载波不用方波而用正弦波？首先方波可以看成基波（同频率的正弦波）和三次谐波，五次谐波等等。从傅里叶变换也可以看出来:ft=4Asint+13sin3t+15sin5t如果我们用560HZ与5560HZ的方波作为载波被脉搏波调制那么得到的调制信号频谱极有可能会重叠，这样后面就无法分离出来了。退一步说即使频谱没有重叠但是间隔也会变小使得分离变得非常困难。560 1680 2800 3920 5040 6160 7280 8400 5560 如上图所示，这样的间隔对后面的带通滤波器的要求很
14、高。不容易实现。下面讨论一下解调的过程。解调即是从已调信号中恢复出解调信号。我们这里就是从振幅受260HZ的1360HZ载波调制的已调信号中恢复出调制信号。得到的信号与高频信号（一般来说都是用低频去调制高频）的包络变化规律一致。从频谱上看调制就是将调幅信号由高频搬到低频。解调的方法有两种：包络检波与相干检波。相干检波的核心器件也是一个乘法器。它的特点是用一个频率和相位与载波相同的信号与已调信号相乘。这里限于条件不予采用。另一种就是我们采用的是包络检波。它的核心思想是利用电路充电时间很短，放电时间很长，从而在冲放电的过程中保持住包络线，这样就检出了已调信号的包络了。四：电路系统的实现正弦波的产生
15、 发光二极管的驱动 光敏二极管电流电压转换 带通滤波器带通滤波器解调滤波器解调二极管 交直流分离交直流分离 放大电压变换放大二极管滤波大滤波ADC单片机计算SaO2下面具体讨论一下各框图的意义及具体电路的实现。正弦波的产生方案一：用定时器来产生560HZ和5560HZ的方波,然后用一个低通滤波器滤出基波分量，就得到了正弦波。555定时器电路图如下： 560 5560但是555定时器稳定性和精度都很差只适用于一般要求的电路。这里舍弃555方案。方案二：利用RC桥式震荡电路如下图所示这种电路稳定性也不高。舍弃这种方案方案三：用单片机配合低通滤波器实现输出正弦波。首先用单片机输出一个方波，然后再用一
16、个低通滤波器，就得到了正弦波。（滤波器部分在最后）滤出来之后这样的信号还不能驱动发光二极管发光还得加个直流电平:发光二极管由于前面已经正弦波上加了一个直流分量，这里驱动二极管就不用再加其他元件了，如果有必要的话可以加一个电阻，阻值视正弦波幅值而定。光敏二极管方案一：光敏二极管输出电流与输入光强呈线性，从而能够测得光强大小。由于光敏二极管得到的是一个电流信号，这里我们采用一个运放来实现电流电压转换，同时进行放大如下图所示：方案二：利用集成芯片。这里采用TI的OPT101。原理图如下它采用+ 2.7V + 36V 供电。只有120A静止电流。性能优越，这里采用芯片设计。带通滤波器带通滤波器这里起到
17、的作用就是前面所说的信号分离的作用。这里对带通滤波器的要求比较高，再设计时要注意参数的选择。（滤波器部分在最后）。解调上面一步的带通滤波器已经将两个260HZ和1360HZ的已调信号分离了，解调就是要从这个已调信号中恢复原信号。方案一：包络检波法。电路图如下所示：方案二：正如前面所说的还有一种相干检波法，它要求用一个与调制严格相同的时序与已调信号相乘再通过一个低通滤波器即是原信号。由于第一种方案中参数的选取对解调的效果影响很大，相比之下第二种方案要简单的多。交直流分离这里采用一个高通滤波器。电源电源部分采用的是很普遍的二极管和电容滤波。滤波器部分由于滤波器的成功与否直接决定了整个检测电路的成败，因此这里选取了美信的滤波器集成芯片MAX274.由方波到正弦波的低通滤波器，后面解调的低通滤波器，信号分离的带通滤波器都由它搭建的。它是由互相独立的可以级联的四个二阶单元组成的有源滤波器。可以构成巴特沃斯，切比雪夫以及贝塞尔低通以及带通滤波器。滤波器的参数有四个电阻决定，因此稳定性较分立元件搭出来的跟稳定。