CN103622704B - 一种宽动态范围的脉搏血氧测量系统 - Google Patents

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本发明涉及一种宽动态范围的脉搏血氧测量系统，其主要技术特点是：包括双光束发光单元、前级检测放大电路、直流消除电路、缓冲放大单元、中央处理器模块和输出模块，所述的中央处理器模块分别与双光束发光单元、前级检测放大电路、直流消除电路、缓冲放大单元以及输出模块相连接，所述的前级检测放大电路、直流消除电路、缓冲放大单元依次相连接。本发明设计合理，其对透过组织末端的两路光进行采样测量和前级放大之后，加入数字反馈直流消除电路，在提高光电信号强度的同时以数字反馈方式降低信号中的直流分量，实现更大范围的双光束信号同步放大，提高信噪比，从而增大信号检测的动态范围。

Description

一种宽动态范围的脉搏血氧测量系统
技术领域
本发明属于生理指标检测技术领域，尤其是一种宽动态范围的脉搏血氧测量系统。
背景技术
脉搏血氧饱和度的检测是临床的常规检测指标，广泛应用在ICU、CCU等监护病房、普通病房以及手术过程的监护中，也可广泛用于动物实验对血氧饱和度的检测。脉搏血氧饱和度反映了机体血液中含氧血红蛋白的比例，能客观反映机体血氧状态。脉搏血氧饱和度的检测通常用分光光度法，该方法包括透射光和反射光法，其以朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律为基础，利用还原血红蛋白和氧合血红蛋白的光吸收系数的差别来进行。朗伯-比尔定律为：
I=I0e-εCd     (1)
其中，I为透射光强，I0为入射光强，C为受光物质溶液浓度，d为溶液受光路径长度，ε为物质的光吸收常数。由此推出：
D=ln(I0/I)=εCd     (2)
其中D为光密度，D通常采用双波长法进行测量定标。假设双波长光光路径长度相等，则波长1的光密度为：
D1=ε11C1d+ε12C2d     (3)
波长2的光密度为：
D2=ε21C1d+ε22C2d     (4)
其中εij为波长λi的光线通过物质j时的吸收系数。
经过进一步的推导，可得到忽略了高次项的经验公式：
%SpO2=A+B(D1/D2)+C(D1/D2)2     (5)
上式是在忽略了体表和其它非血红蛋白组织的影响情况下的近似公式，上式中，A，B，和C的值可以根据经验曲线确定。因此，经过双波长吸收测量得到(D1/D2)的值，即可以通过上式计算出血氧饱和度数值。
根据上述原理制成的脉搏血氧计通常使用透射型探头，如图1所示。使用时探头套在指尖或夹在耳朵、舌头等部位，探头上壁固定了两个并列放置的发光二极管，发光波长分别为660nm红光和904nm红外光；下壁是一个光电转换器件，将透射过手指的红光和红外光转换成电信号。其中，皮肤肌肉等组织对入射光的吸收在整个血液循环过程中保持恒定不变，因此这些来自非脉动的静脉血、毛细血管、以及肌肉组织等部分的光吸收成分代表了容积脉搏血流的直流分量；此外，由于皮肤内的血液容积在心脏的作用下呈周期性的脉动变化，在心脏交替收缩和舒张的过程中，光电接收器接收到的光强信号随之呈脉动性周期变化，代表了容积脉搏血流的交流分量。当发光管工作状态稳定后，两光强产生的直流分量相对比较稳定，故影响(D1/D2)值的主要是两路光强的交流分量。现有方法一般通过获得所述两路光的最大值和最小值来计算所需交流分量，因此，根据两种透射光在一个完整脉搏波中的波形就可以计算出(D1/D2)的值。
根据上述原理，血氧饱和度检测的基本方法是：利用还原血红蛋白和氧合血红蛋白对红光和红外光的吸收不同，对两路光强产生的直流分量和交流分量进行检测，然后根据公式计算出血氧饱和度数值。检测装置的基本结构包括血氧探头和信号处理装置：血氧探头的关键部件是一个包括发光二极管和光敏元件的传感器，发光二极管提供两种或两种以上的光；光敏元件把通过手指带有血氧饱和度信息的光信号转换成电信号；该电信号经过数字量化后被提供给信号处理模块用以计算血氧饱和度。
上述技术方案存在的缺点是：由于信号中的直流分量相对交流分量大很多，为避免出现饱和失真，通常需要对前置信号放大电路的放大倍数做出一定限制，因而无法对交流分量做足够的放大。而依赖交直流分量分离后的模拟电路放大，一方面增加了电路的复杂性并引入新的干扰信号，另外，由于红光、红外光两路电路参数如放大倍数、滤波性能等的不一致性，很难保证血氧饱和度的测量精度。在低灌注情况、受测体的脉搏微弱以及测试部位组织透光率较高时，直流分量显著大于交流分量，此时信噪比很低，对脉搏波形的检测和提取非常困难，通常采取提高发光强度的方式提高信噪比。但受到放大器饱和和截止限制，无法实现预期，直接影响血氧饱和度的有效测量，更无法保证血氧饱和度值的精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、测量精度高且适用范围广的宽动态范围的脉搏血氧测量系统。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种宽动态范围的脉搏血氧测量系统，包括双光束发光单元、前级检测放大电路、直流消除电路、缓冲放大单元、中央处理器模块和输出模块，所述的中央处理器模块分别与双光束发光单元、前级检测放大电路、直流消除电路、缓冲放大单元以及输出模块相连接，所述的前级检测放大电路、直流消除电路、缓冲放大单元依次相连接。
而且，所述的中央处理器模块包括连接在一起的微处理器、A/D单元和D/A单元，所述的A/D单元为两个并分别与前级检测放大电路和缓冲放大单元相连接，所述的D/A单元与直流消除电路相连接。
而且，所述的输出模块为显示屏、打印机或计算机。
本发明的优点和积极效果是：
本发明通过对透过组织末端的两路光进行采样测量和前级放大之后，加入数字反馈直流消除电路，在提高光电信号强度的同时以数字反馈方式降低信号中的直流分量，实现更大范围的双光束信号同步放大，提高信噪比，从而增大信号检测的动态范围。可以广泛适用于不同肤色、不同指头粗细、不同年龄舌、耳等部位的血氧测量，也可以适用于弱灌注、脉搏微弱等状况下的测量。
附图说明
图1为现有脉搏血氧计的测量原理示意图；
图2为本发明的系统连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种宽动态范围的脉搏血氧测量系统，如图2所示，包括双光束发光单元、前级检测放大电路、直流消除电路、缓冲放大单元、中央处理器模块和输出模块，所述的中央处理器模块分别与双光束发光单元、前级检测放大电路、直流消除电路、缓冲放大单元以及输出模块相连接，前级检测放大电路、直流消除电路、缓冲放大单元依次相连接。所述的中央处理器模块对双光束发光单元进行发光控制，中央处理器模块对前级检测放大电路输出信号采样以及缓冲放大电路输出信号进行采样并将分析得到的直流成分输出到直流消除电路中，直流消除电路消除直流分量后通过缓冲放大单元送入中央处理器模块，最终由中央处理器模块将检测结果送至输出模块。下面对系统中的各个模块分别进行说明：
中央处理器模块包括微处理器、A/D单元和D/A单元，微处理器通过I/O接口与双光束发光单元相连接实现对发光单元的发光控制功能；微处理器分别通过A/D单元与前级检测放大电路及缓冲放大单元相连接，A/D单元对前级检测放大电路及缓冲放大单元输出的模拟信号进行模数转换然后送入微处理器，微处理器通过D/A单元与直流消除电路相连接，微处理器对输入的信号进行分析并将其中的直流成分转换为模拟信号输出到直流消除电路中。
双光束发光单元与中央处理器模块相连接，并在中央处理器模块的控制下输出两路光用于照射组织末端，光的强度可由中央处理器模块控制。
前级检测放大电路与中央处理器模块、直流消除电路相连接。前级检测放大电路用于接收双光束发光单元透过组织末端的两路光，能够将光信号转换为电信号并进行放大处理，一方面将检测放大后的信号输出到直流消除电路中进行处理，另一方面前级检测放大电路的输出信号被中央处理器模块采样接收。
直流消除电路与中央处理器模块、前级检测放大电路以及缓冲放大单元连接，该直流消除电路在接收到前级检测放大电路输出的电信号时，能够去除信号中的直流分量，并将结果输出到缓冲放大单元；当中央处理器模块有直流输出时，直流消除电路能够将中央处理器模块输出信号的直流分量去除。
缓冲放大单元与直流消除电路和中央处理器模块连接，该缓冲放大单元用于将直流消除电路输出的信号进行缓冲放大，并通过A/D采样将结果输出到中央处理器模块进行计算得到脉搏血氧测量结果。
输出模块可以采用显示屏、打印机或者计算机，通过多种不同的输出方式将测量结果进行输出。
在中央处理器模块对前级检测放大电路、缓冲放大单元输入的数字信号进行处理的过程为：前级A/D采样处理的直流减除量为Dr和Dir，后级放大器放大倍数为B，采样后所得交流量为Ar和Air，则理论血氧值计算公式为：
%SpO2=(Ar/BDr)(Air/BDir)     （6）
由上述可知，通过中央处理器模块对双光束发光单元进行发光控制，使得在低灌注情况下，组织末端获得足够的光照；通过直流消除电路去除信号中的直流分量，减少信号中直流成分的干扰，并通过缓冲放大电路对信号进行再放大，增大信号中交流成分的幅值；对缓冲放大后的信号在一段时间内进行A/D采样，并输入中央处理器模块进行分析，将直流成分负反馈到直流消除电路中进行消减，可以避免残留的直流成分累积增加。因此，测量系统通过发光控制和直流消除电路的配合，有效地降低光电信号中的直流分量，提高了低灌注情况下脉搏血氧检测的动态范围，解决了现有技术中存在的问题。
本发明的工作原理是：中央处理器模块在对透过组织末端的两路光进行采样测量和前级放大之后，加入数字反馈直流消除电路，除去信号中的直流分量，然后再进行后级缓冲放大，一方面可以提高发光强度，另一方面可以加大放大倍数，提高交流信号的有效幅度。由于直流消除电路处理之后，信号中还残留一部分直流成分，测量过程中还可能出现直流分量的增加，因此，通过实时对缓冲放大后的信号进行采样分析，由中央处理单元对信号中所包含的直流成分进行分析计算，当直流分量过大时（超过设定阈值）由D/A输出负反馈到直流消除电路中进行再次消减，保证了直流分量不会造成电路的饱和和截止；在此基础上，中央处理单元还对发光单元进行控制，调节入射光强度，使测量系统在低灌注条件下也能获得足够强度的光电信号。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种宽动态范围的脉搏血氧测量系统，其特征在于：包括双光束发光单元、前级检测放大电路、直流消除电路、缓冲放大单元、中央处理器模块和输出模块，所述的中央处理器模块分别与双光束发光单元、前级检测放大电路、直流消除电路、缓冲放大单元以及输出模块相连接，所述的前级检测放大电路、直流消除电路、缓冲放大单元依次相连接；所述的中央处理器模块包括连接在一起的微处理器、A/D单元和D/A单元，所述的A/D单元为两个并分别与前级检测放大电路和缓冲放大单元相连接，所述的D/A单元与直流消除电路相连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽动态范围的脉搏血氧测量系统，其特征在于：所述的输出模块为显示屏、打印机或计算机。
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