CN107688012A - 一种微弱荧光信号检测方法 - Google Patents

Abstract

一种微弱荧光信号检测方法，实现所述检测方法的传感集成电路包括光电传感单元、复位校准单元、状态控制单元、第一电流提取放大单元、第二电流提取放大单元、电流‑波长转换单元和电流‑光强转换单元，所述微弱荧光信号检测方法为：将两PN结的光电流进行处理后输出与波长和光强相关的电压量，通过分别测量两波长的检测光在不同时刻的出射光强度，即可计算出血氧浓度。本发明提供一种具有自校准功能、误差较小、精度较高的微弱荧光信号检测方法。

Description

一种微弱荧光信号检测方法

技术领域

本发明涉及血氧浓度监测领域，特别涉及一种微弱荧光信号检测方法。

背景技术

CMOS双PN结光电二极管，由两个垂直堆叠的不同深度的二极管构成。这种器件的层叠式结构使得以硅材料作为滤光片时，光在硅晶体中的透射深度与波长有强烈的依赖关系，入射光功率和波长不同时，PN结输出的光电流也不相同。两个PN结的光电流比值与波长成良好的线性关系，而输出电流大小与入射光功率成比例。

血氧浓度是人体非常重要的生命指标，正常的血氧浓度应该维持在一定的水平，过高的血氧浓度会导致体内细胞老化，而过低的血氧浓度造成有机体的供氧不足。近红外光谱法是一种无损伤、高精度、高效率的检测方法。近红外光谱区的光对人体组织有较强的穿透能力，这些红外光经人体组织吸收和反射后，其光谱携带了组织中的生理信息，其中就包括血氧浓度的信息。

血氧浓度定义为氧合血红蛋白浓度除以氧合血红蛋白浓度与氧离血红蛋白浓度之和，氧合血红蛋白与氧离血红蛋白在近红外光谱内具有不同的吸收特性，氧合血红蛋白的吸收系数随检测光波长的增加而增大，氧离血红蛋白的吸收系数随检测光波长的增加而减小，在805nm左右两者吸收系数相同。监测血氧浓度的红外光谱选择700～900nm的波段，在此区间内生物组织对光线的吸收作用大大降低，可以更深入一些组织。因此小于805nm的光谱反应了氧离血红蛋白浓度的变化，大于805nm的光谱反应了氧合血红蛋白浓度的变化。通过测量两波长的检测光在不同时刻的出射光照强度，同时在相应波长下的吸收系数已知条件下，根据修正的朗伯-比尔定律，可以推算出组织内氧合血红蛋白浓度和氧离血红蛋白浓度的相对变化量和变化趋势，从而计算出血氧浓度。

发明内容

为了克服已有血氧浓度监测方式的不具有自校准功能、误差较大，精度较低的不足，本发明提供一种具有自校准功能、误差较小、精度较高的微弱荧光信号检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种微弱荧光信号检测方法，实现所述检测方法的传感集成电路包括光电传感单元、复位校准单元、状态控制单元、第一电流提取放大单元、第二电流提取放大单元、电流-波长转换单元和电流-光强转换单元；所述光电传感单元中，第一输出端、第二输出端分别与所述状态控制单元的第二输入端、第一输入端相连；所述复位校准单元中，输入端Iref输入参考电流，第一输出端、第二输出端、第三输出端分别与状态控制单元的第三输入端、第四输入端、第五输入端相连；所述状态控制单元中，复位输入端RST输入复位信号，第一输入端、第二输入端分别连所述光电传感单元的第二输出端、第一输出端，第三输入端、第四输入端、第五输入端分别连所述复位校准单元的第一输出端、第二输出端、第三输出端，第一输出端连所述第一电流提取放大单元的输入端，第二输出端、第三输出端分别连所述第二电流提取放大单元的第一输入端、第二输入端，第四输出端连所述电流-光强转换单元的输入端；所述第一电流提取放大单元中，输入端连所述状态控制单元的第一输出端，第一输出端连所述电流-光强转换单元的输入端，第二输出端连所述电流-波长转换单元的第一输入端；所述第二电流提取放大单元中，第一输入端、第二输入端分别连所述状态控制单元的第二输出端、第三输出端，输出端连所述电流-波长转换单元的第二输入端；所述电流-波长转换单元中，第一输入端连所述第一电流提取放大单元的第二输出端，第二输入端连所述第二电流提取放大单元的输出端，第三输入端Vbias输入偏置电压，输出端Lenth输出与波长相关的电压信号；所述电流-光强转换单中，输入端连所述第一电流提取放大单元第一输出端和状态控制单元的第四输出端，输出端输出与光强度相关的电压信号；

所述微弱荧光信号检测方法为：将两PN结的光电流进行处理后输出与波长和光强相关的电压量，通过分别测量两波长的检测光在不同时刻的出射光强度，即可计算出血氧浓度。

本发明将光波长探测技术、光强度检测技术与微电子集成技术相结合，设计了一种用于血氧浓度监测的传感集成电路，可以与光电传感单元CMOS双PN结光电二极管单片集成实现对血氧浓度的监测。该传感集成电路将两PN结的光电流进行处理后输出与波长和光强相关的电压量供后续电路处理。所述传感集成电路有自校准功能，可以减小因温度等环境变量的变化而导致的较大误差，提高血氧浓度监测的精度。

本发明的有益效果主要表现在：将微弱的光信号转换成微弱的电流信号后进行处理，可同时测量出光波长和光强度，进而实现对血氧浓度的检测，可以与CMOS双PN结光电二极管单片集成，减小了电路面积，同时本电路具有自校准功能，大大减小了因环境温度变化导致的较大误差，提高了电路的可靠性，实现血氧浓度监测的高精度、小体积、低功耗。

附图说明

图1为本发明结构单元框图。

图2为本发明设计原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种微弱荧光信号检测方法，实现所述检测方法的传感集成电路包括光电传感单元1、复位校准单元2、状态控制单元3、第一电流提取放大单元4、第二电流提取放大单元5、电流-波长转换单元6和电流-光强转换单元7；所述微弱荧光信号检测方法为：将两PN结的光电流进行处理后输出与波长和光强相关的电压量，通过分别测量两波长的检测光在不同时刻的出射光强度，即可计算出血氧浓度。

所述光电传感单元1中，第一输出端11b、第二输出端12b分别与状态控制单元3的第二输入端32a、第一输入端31a相连；

光电传感单元1由CMOS双PN结光电二极管组成，分别为浅PN结光电二极管D1和深PN结光电二极管D2；所述浅PN结光电二极管D1与所述深PN结光电二极管D2共阴极连接，并且阴极作为该光电传感单元1的第一输出端11b，所述浅PN结光电二极管D1阳极作为该光电传感单元1的第二输出端12b，所述深PN结光电二极管D2阳极接地；

所述复位校准单元2中，输入端Iref输入参考电流，第一输出端21b、第二输出端22b、第三输出端23b分别与状态控制单元3的第三输入端33a、第四输入端34a、第五输入端35a相连；

复位校准单元2由NMOS管N1、N2、N3、N4、N5、N6和PMOS管P1、P2、P3、P4、P5、P6所组成；所述NMOS管N1栅漏短接，漏极作为复位校准单元2的输入端Iref，栅极连所述NMOS管N3栅极，源极连所述NMOS管N2漏极，所述NMOS管N2栅漏短接，栅极连所述NMOS管N4栅极，源极接地，所述NMOS管N3漏极连所述PMOS管P2漏极，所述NMOS管N3栅极连所述NMOS管N5栅极，源极接所述NMOS管N4漏极，所述NMOS管N4栅极连所述NMOS管N6栅极，源极接地，所述NMOS管N5栅极作为复位校准单元2的第三输出端23b，源极接所述NMOS管N6漏极，所述NMOS管N6源极接地，所述PMOS管P1源极接电源VDD，栅漏短接且连接所述PMOS管P3栅极、所述PMOS管P5和所述PMOS管P2源极，所述PMOS管P2栅漏短接且连接所述PMOS管P4栅极和所述PMOS管P6栅极，所述PMOS管P3源极接地，漏极接所述PMOS管P4源极，所述PMOS管P4漏极作为复位校准单元2的第一输出端21b，所述PMOS管P5源极接电源VDD，漏极接所述PMOS管P6源极，所述PMOS管P6漏极作为复位校准单元2的第二输出端22b；

所述状态控制单元3中，复位输入端RST输入复位信号，第一输入端31a、第二输入端32a分别连所述光电传感单元1的第二输出端12b、第一输出端11b，第三输入端33a、第四输入端34a、第五输入端35a分别连所述复位校准单元2的第一输出端21b、第二输出端22b、第三输出端23b，第一输出端31b连所述第一电流提取放大单元4的输入端4a，第二输出端32b、第三输出端33b分别连所述第二电流提取放大单元5的第一输入端51a、第二输入端52a，第四输出端34b连所述电流-光强转换单元7的输入端7a；

状态控制单元3由NMOS管N7、N8、N9、N10、N11、N12和PMOS管P7、P8、P9、P10、P11、P12组成；所述NMOS管N7漏极与所述PMOS管P7源极相连并作为状态控制单元3的第一输入端31a，源极与所述PMOS管P7漏极相连并作为状态控制单元3的第二输出端32b，所述NMOS管N7的栅极作为复位输入端RST，并连接至所述NMOS管N8栅极和所述PMOS管P9、P10栅极，所述PMOS管P7栅极与所述PMOS管P8栅极相连，并连接至所述NMOS管N9、N10、N11栅极以及所述NMOS管N12漏极，所述PMOS管P8漏极与所述NMOS管N8源极相连并作为状态控制单元3的第二输入端32a，源极与所述NMOS管N8漏极相连并连接至所述PMOS管P10源极和所述NMOS管N10漏极，且作为状态控制单元3的第一输出端31b，所述NMOS管N9漏极与所述PMOS管P9源极相连并作为状态控制单元3的第三输入端33a，源极与所述PMOS管P9漏极相连并作为状态控制单元3的第三输出端33b，所述PMOS管P10漏极与所述NMOS管N10源极相连并作为状态控制单元3的第五输入端35a，所述NMOS管N11漏极与所述PMOS管P11源极相连并作为状态控制单元3的第四输入端34a，所述NMOS管N11源极与所述PMOS管P11漏极相连并作为状态控制单元3的第四输出端34b，所述PMOS管P11栅极连至所述PMOS管P12和所述NMOS管N12栅极以及复位输入端RST，所述PMOS管P12源极接电源VDD，漏极接所述NMOS管N12漏极，所述NMOS管N12源极接地；

所述第一电流提取放大单元4中，输入端4a连所述状态控制单元3的第一输出端31b，第一输出端41b连所述电流-光强转换单元7的输入端7a，第二输出端42b连所述电流-波长转换单元6的第一输入端61a；

第一电流提取放大单元4由PMOS管P13、P14、P15、P16、P17、P18组成；所述PMOS管P13源极接电源VDD，栅漏短接并连接至所述PMOS管P15、P17栅极和所述PMOS管P14源极，所述PMOS管P14栅漏短接并连接至所述PMOS管P16和P18栅极，漏极作为第一电流提取放大单元4的输入端4a，所述PMOS管P15源极接电源VDD，漏极接所述PMOS管P16源极，所述PMOS管P16漏极作为第一电流提取放大单元4的第二输出端42b，所述PMOS管P17源极接电源VDD，漏极接所述PMOS管P18源极，所述PMOS管P18漏极作为第一电流提取放大单元4的第一输出端；

所述第二电流提取放大单元5中，第一输入端51a、第二输入端52a分别连所述状态控制单元3的第二输出端32b、第三输出端33b，输出端5b连所述电流-波长转换单元6的第二输入端62a；

第二电流提取放大单元5由NMOS管N13、N14、N15、N16组成；所述NMOS管N13漏极同时作为第一、第二输入端51a、52a，栅漏短接，并连接至所述NMOS管N15漏极，所述NMOS管N13源极连所述NMOS管N14的漏极、栅极，以及所述NMOS管N16的栅极，所述NMOS管N14源极接地，所述NMOS管N15漏极作为第二电流提取放大单元5的输出端5b，源极连所述NMOS管N16漏极，所述NMOS管N16源极接地；

所述电流-波长转换单元6中，第一输入端61a连所述第一电流提取放大单元4的第二输出端42b，第二输入端62a连所述第二电流提取放大单元5的输出端5b，第三输入端Vbias输入偏置电压，输出端Lenth输出与波长相关的电压信号；

电流-波长转换单元6由PMOS管P19、P20、P21，NMOS管N17、N18以及双极型晶体管J1、J2组成；所述双极型晶体管J1发射极接电源VDD，集电极作为电流-波长转换单元6的第一输入端61a，基极连所述PMOS管P20的栅极，所述双极型晶体管J2发射极接电源VDD，集电极作为电流-波长转换单元6的第二输入端62a，基极连所述PMOS管P21的栅极，所述PMOS管P19源极接电源VDD，栅极作为电流-波长转换单元6的第三输入端Vbias，漏极连所述PMOS管P20、P21源极，所述PMOS管P20漏极接所述NMOS管N17漏极、栅极以及所述NMOS管N18栅极，所述NMOS管N17源极接地，所述PMOS管P21漏极连所述NMOS管N18漏极，并作为电流-波长转换单元6的输出端Lenth，所述NMOS管N18源极接地；

所述电流-光强转换单元7中，输入端7a连所述第一电流提取放大单元4第一输出端41b和状态控制单元3的第四输出端34b，输出端7b输出与光强度相关的电压信号；

电流-光强转换单元7由低噪声电阻R1构成；电阻R1一端接地，另一端作为电流-光强转换单元7的输入端7a和输出端7b。

所述光电传感单元1中，浅PN结光电二极管D1和深PN结光电二极管D2处于反偏压状态，从D1、D2的共阴极流出两光电流之和I₁+I₂，而从D1的阳极流出光电流I₁，输出光电流的大小与入射光的光照强度成比例，入射光越强，输出的光电流越大，当以硅为滤光片时，所述浅PN结光电二极管D1产生的光电流和所述深PN结光电二极管D2产生的光电流的比值与光波长成强烈依赖关系，在一定波长范围内可视为线性关系；

所述复位校准单元2中，所述NMOS管N1、N2分别与所述NMOS管N3、N4和NMOS管N5、N6构成Casecode电流镜结构，用于按一定比例精确复制参考电流供后续电路处理，所述PMOS管P1、P2分别与所述PMOS管P3、P4和PMOS管P5、P6也构成Casecode电流镜结构，用于实现电流流向的转变以及按一定比例精确复制参考电流供后续电路处理，P型Casecode电流镜对电流的放大倍数比N型Casecode电流镜对电流的放大倍数小；

所述状态控制单元3中，所述NMOS管N7和所述PMOS管P7构成第一对传输门，用于传导光电流I₁，所述NMOS管N8和所述PMOS管P8构成第二对传输门，用于传导光电流I₁+I₂，所述NMOS管N9和所述PMOS管P9构成第三对传输门，用于传导经P型Casecode电流镜处理的参考电流，供第二电流提取放大单元5使用，所述PMOS管P10和所述NMOS管N10构成第四对传输门，用于传导经N型Casecode电流镜处理的参考电流，供第一电流提取放大单元4使用，所述NMOS管N11和所述PMOS管P11构成第五对传输门，用于传导经P型Casecode电流镜处理的参考电流，供电流-光强转换单元7使用，所述PMOS管P12和所述NMOS管N12构成一对反相器，用于控制各传输门的通断，当输入RST信号为高电平时，第一、二对传输门导通，第三、四、五对传输门关断，电路处于工作状态，此时传导光电传感单元1输出的光电流；当输入RST信号为低电平时，第一、二对传输门关断，第三、四、五对传输门导通，电路处于复位矫正状态，此时传导复位校准单元2输出的光电流；

所述第一电流提取放大单元4中，所述PMOS管P13、P14分别与所述PMOS管P15、P16和所述PMOS管P17、P18构成Casecode电流镜结构，用于对电流的高精度提取和放大，供后续电路处理；

所述第二电流提取放大单元5中，所述NMOS管N13、N14与所述NMOS管N15、N16构成Casecode电流镜结构，用于对电流的高精度提取和放大，供后续电路处理；

所述电流-波长转换单元6中，所述双极型晶体管J1和J2分别用于对第一电流提取放大单元4、第二电流提取放大单元5输出的电流进行电流-电压的对数转换，其中J1的发射极与基极电压J2的发射极与基极电压其中I_s为常数，所述PMOS管P19、P20、P21与所述NMOS管N17、N18共同构成带有缘电流镜的差动对，实现对输入信号的差动输出，其输出电压为 外围电路可通过输出电压V_Lenth确定两电流比值从而计算出波长数据；

所述电流-光强转换单元7中，通过所述低噪声电阻R1将电流转换成电压输出，由于电流正比于入射光强度，因此输出电压V_intensity＝I*R₁正比于光照强度；

当RST信号处于高电平时，电路处于正常工作状态，光电传感单元输出的光电流经信号处理后转换成与波长和光照强度相关的电压输出为

V_intensity＝I*R₁

当RST信号处于低电平时，电路处于复位矫正状态，假设所述复位校准单元2中N型Casecode电流镜对电流的放大倍数是P型Casecode电流镜对电流的放大倍数的n倍，n为常数，参考电流经信号处理后转换成相应的电压量为

V’_intensity＝I_ref*R₁

通过上述四式可消除温度、工艺精度对检测精度的影响，大大提高了监测精确度。

本发明设计最终实现了将微弱的荧光信号转换成光电流，进行信号处理后，输出与光照强度和光波长相关的电压量，并通过分别测量两波长的检测光在不同时刻的出射光强度，即可计算出血氧浓度，传感集成电路可以与CMOS双PN结光电二极管单片集成，具有自校准功能，对温度和工艺的变化不敏感，为生物医疗监测的便携化、智能化、低功耗化提供了新的方法。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应该视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种微弱荧光信号检测方法，其特征在于：实现所述检测方法的传感集成电路包括光电传感单元、复位校准单元、状态控制单元、第一电流提取放大单元、第二电流提取放大单元、电流-波长转换单元和电流-光强转换单元；所述光电传感单元中，第一输出端、第二输出端分别与所述状态控制单元的第二输入端、第一输入端相连；所述复位校准单元中，输入端Iref输入参考电流，第一输出端、第二输出端、第三输出端分别与状态控制单元的第三输入端、第四输入端、第五输入端相连；所述状态控制单元中，复位输入端RST输入复位信号，第一输入端、第二输入端分别连所述光电传感单元的第二输出端、第一输出端，第三输入端、第四输入端、第五输入端分别连所述复位校准单元的第一输出端、第二输出端、第三输出端，第一输出端连所述第一电流提取放大单元的输入端，第二输出端、第三输出端分别连所述第二电流提取放大单元的第一输入端、第二输入端，第四输出端连所述电流-光强转换单元的输入端；所述第一电流提取放大单元中，输入端连所述状态控制单元的第一输出端，第一输出端连所述电流-光强转换单元的输入端，第二输出端连所述电流-波长转换单元的第一输入端；所述第二电流提取放大单元中，第一输入端、第二输入端分别连所述状态控制单元的第二输出端、第三输出端，输出端连所述电流-波长转换单元的第二输入端；所述电流-波长转换单元中，第一输入端连所述第一电流提取放大单元的第二输出端，第二输入端连所述第二电流提取放大单元的输出端，第三输入端Vbias输入偏置电压，输出端Lenth输出与波长相关的电压信号；所述电流-光强转换单中，输入端连所述第一电流提取放大单元第一输出端和状态控制单元的第四输出端，输出端输出与光强度相关的电压信号；

所述微弱荧光信号检测方法为：将两PN结的光电流进行处理后输出与波长和光强相关的电压量，通过分别测量两波长的检测光在不同时刻的出射光强度，即可计算出血氧浓度。