一種寬動(dòng)態(tài)范圍的脈搏血氧測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種寬動(dòng)態(tài)范圍的脈搏血氧測(cè)量系統(tǒng)，其主要技術(shù)特點(diǎn)是：包括雙光束發(fā)光單元、前級(jí)檢測(cè)放大電路、直流消除電路、緩沖放大單元、中央處理器模塊和輸出模塊，所述的中央處理器模塊分別與雙光束發(fā)光單元、前級(jí)檢測(cè)放大電路、直流消除電路、緩沖放大單元以及輸出模塊相連接，所述的前級(jí)檢測(cè)放大電路、直流消除電路、緩沖放大單元依次相連接。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，其對(duì)透過(guò)組織末端的兩路光進(jìn)行采樣測(cè)量和前級(jí)放大之后，加入數(shù)字反饋直流消除電路，在提高光電信號(hào)強(qiáng)度的同時(shí)以數(shù)字反饋方式降低信號(hào)中的直流分量，實(shí)現(xiàn)更大范圍的雙光束信號(hào)同步放大，提高信噪比，從而增大信號(hào)檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍。
【專利說(shuō)明】一種寬動(dòng)態(tài)范圍的脈搏血氧測(cè)量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生理指標(biāo)檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種寬動(dòng)態(tài)范圍的脈搏血氧測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]脈搏血氧飽和度的檢測(cè)是臨床的常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)，廣泛應(yīng)用在I⑶、CXU等監(jiān)護(hù)病房、普通病房以及手術(shù)過(guò)程的監(jiān)護(hù)中，也可廣泛用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)血氧飽和度的檢測(cè)。脈搏血氧飽和度反映了機(jī)體血液中含氧血紅蛋白的比例，能客觀反映機(jī)體血氧狀態(tài)。脈搏血氧飽和度的檢測(cè)通常用分光光度法，該方法包括透射光和反射光法，其以朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律為基礎(chǔ),利用還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白的光吸收系數(shù)的差別來(lái)進(jìn)行。朗伯-比爾定律為:
[0003]1=1, ε Cd (I)
[0004]其中，I為透射光強(qiáng)，10為入射光強(qiáng)，C為受光物質(zhì)溶液濃度，d為溶液受光路徑長(zhǎng)度，ε為物質(zhì)的光吸收常數(shù)。由此推出:
[0005]D=In (Ι0/Ι) = ε Cd (2)
[0006]其中D為光密度，D通常采用雙波長(zhǎng)法進(jìn)行測(cè)量定標(biāo)。假設(shè)雙波長(zhǎng)光光路徑長(zhǎng)度相等，則波長(zhǎng)I的光密度為: [0007]D1= ε J1Qd+ ε 12C2d (3)
[0008]波長(zhǎng)2的光密度為:
[0009]D2= εε 22C2d (4)
[0010]其中ε Jj為波長(zhǎng)λ i的光線通過(guò)物質(zhì)j時(shí)的吸收系數(shù)。
[0011]經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的推導(dǎo)，可得到忽略了高次項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)公式:
[0012]%Sp02=A+B (D1ZD2)+C (D1ZD2)2 (5)
[0013]上式是在忽略了體表和其它非血紅蛋白組織的影響情況下的近似公式，上式中，A，B，和C的值可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)曲線確定。因此，經(jīng)過(guò)雙波長(zhǎng)吸收測(cè)量得到(D1ZD2)的值，即可以通過(guò)上式計(jì)算出血氧飽和度數(shù)值。
[0014]根據(jù)上述原理制成的脈搏血氧計(jì)通常使用透射型探頭，如圖1所示。使用時(shí)探頭套在指尖或夾在耳朵、舌頭等部位，探頭上壁固定了兩個(gè)并列放置的發(fā)光二極管，發(fā)光波長(zhǎng)分別為660nm紅光和904nm紅外光；下壁是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器件，將透射過(guò)手指的紅光和紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。其中，皮膚肌肉等組織對(duì)入射光的吸收在整個(gè)血液循環(huán)過(guò)程中保持恒定不變，因此這些來(lái)自非脈動(dòng)的靜脈血、毛細(xì)血管、以及肌肉組織等部分的光吸收成分代表了容積脈搏血流的直流分量；此外，由于皮膚內(nèi)的血液容積在心臟的作用下呈周期性的脈動(dòng)變化，在心臟交替收縮和舒張的過(guò)程中，光電接收器接收到的光強(qiáng)信號(hào)隨之呈脈動(dòng)性周期變化，代表了容積脈搏血流的交流分量。當(dāng)發(fā)光管工作狀態(tài)穩(wěn)定后，兩光強(qiáng)產(chǎn)生的直流分量相對(duì)比較穩(wěn)定，故影響(?/?)值的主要是兩路光強(qiáng)的交流分量?，F(xiàn)有方法一般通過(guò)獲得所述兩路光的最大值和最小值來(lái)計(jì)算所需交流分量，因此，根據(jù)兩種透射光在一個(gè)完整脈搏波中的波形就可以計(jì)算出(D1ZD2)的值。
[0015]根據(jù)上述原理，血氧飽和度檢測(cè)的基本方法是:利用還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白對(duì)紅光和紅外光的吸收不同，對(duì)兩路光強(qiáng)產(chǎn)生的直流分量和交流分量進(jìn)行檢測(cè)，然后根據(jù)公式計(jì)算出血氧飽和度數(shù)值。檢測(cè)裝置的基本結(jié)構(gòu)包括血氧探頭和信號(hào)處理裝置:血氧探頭的關(guān)鍵部件是一個(gè)包括發(fā)光二極管和光敏元件的傳感器，發(fā)光二極管提供兩種或兩種以上的光；光敏元件把通過(guò)手指帶有血氧飽和度信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；該電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字量化后被提供給信號(hào)處理模塊用以計(jì)算血氧飽和度。
[0016]上述技術(shù)方案存在的缺點(diǎn)是:由于信號(hào)中的直流分量相對(duì)交流分量大很多，為避免出現(xiàn)飽和失真，通常需要對(duì)前置信號(hào)放大電路的放大倍數(shù)做出一定限制，因而無(wú)法對(duì)交流分量做足夠的放 大。而依賴交直流分量分離后的模擬電路放大，一方面增加了電路的復(fù)雜性并引入新的干擾信號(hào)，另外，由于紅光、紅外光兩路電路參數(shù)如放大倍數(shù)、濾波性能等的不一致性，很難保證血氧飽和度的測(cè)量精度。在低灌注情況、受測(cè)體的脈搏微弱以及測(cè)試部位組織透光率較高時(shí)，直流分量顯著大于交流分量，此時(shí)信噪比很低，對(duì)脈搏波形的檢測(cè)和提取非常困難，通常采取提高發(fā)光強(qiáng)度的方式提高信噪比。但受到放大器飽和和截止限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期，直接影響血氧飽和度的有效測(cè)量，更無(wú)法保證血氧飽和度值的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計(jì)合理、測(cè)量精度高且適用范圍廣的寬動(dòng)態(tài)范圍的脈搏血氧測(cè)量系統(tǒng)。
[0018]本發(fā)明解決現(xiàn)有的技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0019]一種寬動(dòng)態(tài)范圍的脈搏血氧測(cè)量系統(tǒng)，包括雙光束發(fā)光單元、前級(jí)檢測(cè)放大電路、直流消除電路、緩沖放大單元、中央處理器模塊和輸出模塊，所述的中央處理器模塊分別與雙光束發(fā)光單元、前級(jí)檢測(cè)放大電路、直流消除電路、緩沖放大單元以及輸出模塊相連接，所述的前級(jí)檢測(cè)放大電路、直流消除電路、緩沖放大單元依次相連接。
[0020]而且，所述的中央處理器模塊包括連接在一起的微處理器、A/D單元和D/A單元，所述的A/D單元為兩個(gè)并分別與前級(jí)檢測(cè)放大電路和緩沖放大單元相連接，所述的D/A單元與直流消除電路相連接。
[0021]而且，所述的輸出模塊為顯示屏、打印機(jī)或計(jì)算機(jī)。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
[0023]本發(fā)明通過(guò)對(duì)透過(guò)組織末端的兩路光進(jìn)行采樣測(cè)量和前級(jí)放大之后，加入數(shù)字反饋直流消除電路，在提高光電信號(hào)強(qiáng)度的同時(shí)以數(shù)字反饋方式降低信號(hào)中的直流分量，實(shí)現(xiàn)更大范圍的雙光束信號(hào)同步放大，提高信噪比，從而增大信號(hào)檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍?？梢詮V泛適用于不同膚色、不同指頭粗細(xì)、不同年齡舌、耳等部位的血氧測(cè)量，也可以適用于弱灌注、脈搏微弱等狀況下的測(cè)量。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為現(xiàn)有脈搏血氧計(jì)的測(cè)量原理示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)連接示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0026]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述。
[0027]一種寬動(dòng)態(tài)范圍的脈搏血氧測(cè)量系統(tǒng)，如圖2所示，包括雙光束發(fā)光單元、前級(jí)檢測(cè)放大電路、直流消除電路、緩沖放大單元、中央處理器模塊和輸出模塊，所述的中央處理器模塊分別與雙光束發(fā)光單元、前級(jí)檢測(cè)放大電路、直流消除電路、緩沖放大單元以及輸出模塊相連接，前級(jí)檢測(cè)放大電路、直流消除電路、緩沖放大單元依次相連接。所述的中央處理器模塊對(duì)雙光束發(fā)光單元進(jìn)行發(fā)光控制，中央處理器模塊對(duì)前級(jí)檢測(cè)放大電路輸出信號(hào)采樣以及緩沖放大電路輸出信號(hào)進(jìn)行采樣并將分析得到的直流成分輸出到直流消除電路中，直流消除電路消除直流分量后通過(guò)緩沖放大單元送入中央處理器模塊，最終由中央處理器模塊將檢測(cè)結(jié)果送至輸出模塊。下面對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊分別進(jìn)行說(shuō)明:
[0028]中央處理器模塊包括微處理器、A/D單元和D/A單元，微處理器通過(guò)I/O接口與雙光束發(fā)光單元相連接實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)光單元的發(fā)光控制功能；微處理器分別通過(guò)A/D單元與前級(jí)檢測(cè)放大電路及緩沖放大單元相連接，A/D單元對(duì)前級(jí)檢測(cè)放大電路及緩沖放大單元輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換然后送入微處理器，微處理器通過(guò)D/A單元與直流消除電路相連接，微處理器對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行分析并將其中的直流成分轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出到直流消除電路中。
[0029]雙光束發(fā)光單元與中央處理器模塊相連接，并在中央處理器模塊的控制下輸出兩路光用于照射組織末端，光的強(qiáng)度可由中央處理器模塊控制。
[0030]前級(jí)檢測(cè)放大電路與中央處理器模塊、直流消除電路相連接。前級(jí)檢測(cè)放大電路用于接收雙光束發(fā)光單元透過(guò)組織末端的兩路光，能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行放大處理，一方面將檢測(cè)放大后的信號(hào)輸出到直流消除`電路中進(jìn)行處理，另一方面前級(jí)檢測(cè)放大電路的輸出信號(hào)被中央處理器模塊采樣接收。
[0031]直流消除電路與中央處理器模塊、前級(jí)檢測(cè)放大電路以及緩沖放大單元連接，該直流消除電路在接收到前級(jí)檢測(cè)放大電路輸出的電信號(hào)時(shí)，能夠去除信號(hào)中的直流分量，并將結(jié)果輸出到緩沖放大單元；當(dāng)中央處理器模塊有直流輸出時(shí)，直流消除電路能夠?qū)⒅醒胩幚砥髂K輸出信號(hào)的直流分量去`除。
[0032]緩沖放大單元與直流消除電路和中央處理器模塊連接，該緩沖放大單元用于將直流消除電路輸出的信號(hào)進(jìn)行緩沖放大，并通過(guò)A/D采樣將結(jié)果輸出到中央處理器模塊進(jìn)行計(jì)算得到脈搏血氧測(cè)量結(jié)果。
[0033]輸出模塊可以采用顯示屏、打印機(jī)或者計(jì)算機(jī)，通過(guò)多種不同的輸出方式將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行輸出。
[0034]在中央處理器模塊對(duì)前級(jí)檢測(cè)放大電路、緩沖放大單元輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的過(guò)程為:前級(jí)A/D采樣處理的直流減除量為Dr和Dir，后級(jí)放大器放大倍數(shù)為B，采樣后所得交流量為Ar和Air，則理論血氧值計(jì)算公式為:
[0035]%Sp02= (Ar/BDr) (Air/BDir) (6)
[0036]由上述可知，通過(guò)中央處理器模塊對(duì)雙光束發(fā)光單元進(jìn)行發(fā)光控制，使得在低灌注情況下，組織末端獲得足夠的光照；通過(guò)直流消除電路去除信號(hào)中的直流分量，減少信號(hào)中直流成分的干擾，并通過(guò)緩沖放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行再放大，增大信號(hào)中交流成分的幅值；對(duì)緩沖放大后的信號(hào)在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行A/D采樣，并輸入中央處理器模塊進(jìn)行分析，將直流成分負(fù)反饋到直流消除電路中進(jìn)行消減，可以避免殘留的直流成分累積增加。因此，測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)發(fā)光控制和直流消除電路的配合，有效地降低光電信號(hào)中的直流分量，提高了低灌注情況下脈搏血氧檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。
[0037]本發(fā)明的工作原理是:中央處理器模塊在對(duì)透過(guò)組織末端的兩路光進(jìn)行采樣測(cè)量和前級(jí)放大之后，加入數(shù)字反饋直流消除電路，除去信號(hào)中的直流分量，然后再進(jìn)行后級(jí)緩沖放大，一方面可以提高發(fā)光強(qiáng)度，另一方面可以加大放大倍數(shù)，提高交流信號(hào)的有效幅度。由于直流消除電路處理之后，信號(hào)中還殘留一部分直流成分，測(cè)量過(guò)程中還可能出現(xiàn)直流分量的增加，因此，通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)緩沖放大后的信號(hào)進(jìn)行采樣分析，由中央處理單元對(duì)信號(hào)中所包含的直流成分進(jìn)行分析計(jì)算，當(dāng)直流分量過(guò)大時(shí)(超過(guò)設(shè)定閾值)由D/A輸出負(fù)反饋到直流消除電路中進(jìn)行再次消減，保證了直流分量不會(huì)造成電路的飽和和截止；在此基礎(chǔ)上，中央處理單元還對(duì)發(fā)光單元進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)入射光強(qiáng)度，使測(cè)量系統(tǒng)在低灌注條件下也能獲得足夠強(qiáng)度的光電信號(hào)。
[0038]需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說(shuō)明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于【具體實(shí)施方式】中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種寬動(dòng)態(tài)范圍的脈搏血氧測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:包括雙光束發(fā)光單元、前級(jí)檢測(cè)放大電路、直流消除電路、緩沖放大單元、中央處理器模塊和輸出模塊，所述的中央處理器模塊分別與雙光束發(fā)光單元、前級(jí)檢測(cè)放大電路、直流消除電路、緩沖放大單元以及輸出模塊相連接，所述的前級(jí)檢測(cè)放大電路、直流消除電路、緩沖放大單元依次相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬動(dòng)態(tài)范圍的脈搏血氧測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述的中央處理器模塊包括連接在一起的微處理器、A/D單元和D/A單元，所述的A/D單元為兩個(gè)并分別與前級(jí)檢測(cè)放大電路和緩沖放大單元相連接，所述的D/A單元與直流消除電路相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種寬動(dòng)態(tài)范圍的脈搏血氧測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述的輸出模塊為顯示屏、打 印機(jī)或計(jì)算機(jī)。
【文檔編號(hào)】A61B5/1455GK103622704SQ201310680539
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月10日
【發(fā)明者】徐圣普, 馮莉, 謝小波, 崔紅巖, 徐晗輝 申請(qǐng)人:中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所