【導(dǎo)讀】血氧飽和度是臨床醫(yī)療上重要的基礎(chǔ)參數(shù)。采用手指脈搏血氧測(cè)量法的最大。脈血氧飽和度，應(yīng)用前景廣泛。本論文簡(jiǎn)要地介紹了手指式脈搏血氧測(cè)量技術(shù)的。意義，國(guó)內(nèi)外的發(fā)展歷史、發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。根據(jù)近年來(lái)微電子技術(shù)、計(jì)算。原理，并且在該原理的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了一套數(shù)字化脈搏血氧檢測(cè)系統(tǒng)。顯示模塊和USB模塊。單片機(jī)模塊選用ATMEL公司的AT89C55WD芯片。模塊電路主要完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便后續(xù)的處理。同時(shí)系統(tǒng)外擴(kuò)了存儲(chǔ)器。塊保證了各個(gè)芯片的正常工作電壓。對(duì)系統(tǒng)各個(gè)單元結(jié)構(gòu)的功能與實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行。軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)時(shí)序設(shè)計(jì)、信號(hào)的預(yù)處理以及移動(dòng)平均處理。序設(shè)計(jì)主要是使得紅光發(fā)射管與紅外光發(fā)射管交替發(fā)光。信號(hào)的處理是軟件設(shè)計(jì)?；€(xiàn)漂移，自學(xué)習(xí)閾值判別方法消除運(yùn)動(dòng)偽影干擾。采用采用五點(diǎn)差分法提取脈。使用USB接口傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)血氧信號(hào)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的通訊。人群的理想選擇。

　　

【正文】 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁(yè) ?8 個(gè)中斷源 ?可編程串行通道 ?低功耗空閑和掉電模式 ?可從掉電模式中恢復(fù)中斷 ?硬件看門(mén)狗計(jì)時(shí)程序 ?雙數(shù)據(jù)指針 ?斷電標(biāo)志 ?綠色（不含鉛、錫鹵化合物）的包裝工藝 光源及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 透射式血氧探頭由兩部分組成，即發(fā)射部分 (Photoemitter)和接收部分（ Photodetector）， 其中，發(fā)射部分由紅光發(fā)射管和紅外光發(fā)射管組成，接收部分由硅光電池構(gòu)成。用的血氧探頭如圖 : 圖 手指脈搏血氧測(cè)量用的探頭 基礎(chǔ)理論己經(jīng)表明氧合血紅蛋白和非氧合血紅蛋白吸收光譜明顯不 同，如上圖所示。為減少組織對(duì)測(cè)量精度的影響，選擇光波波長(zhǎng)時(shí)，要求氧合血紅蛋白( 2HbO )和非氧合血紅蛋白 (Hb )對(duì)它的吸光系數(shù)要大于非血液組織對(duì)它的吸光系數(shù)，但不要太大使透過(guò)部分難于檢測(cè) 。 由于氧合血紅蛋白和非氧合血紅蛋白對(duì) 600nm 以下波長(zhǎng)光吸光系數(shù)過(guò)大，不適宜血氧飽和度測(cè)量。原理推導(dǎo)中要求其中一波長(zhǎng)對(duì)氧合血紅蛋白 ( 2HbO )和非氧合血紅蛋白 (Hb )的吸光系數(shù)相等， 該光波波長(zhǎng)應(yīng)該選在 805nm左右，而該點(diǎn)的吸光系數(shù)隨波長(zhǎng)變化梯度較大，這樣當(dāng)發(fā)光管存在個(gè)體差異時(shí)，不利于調(diào)試 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁(yè) 替換。而在 940nm 附近的波長(zhǎng)段，兩曲線(xiàn)變化較緩且接近重合，所以一般將交點(diǎn)選在該波長(zhǎng)段。另一光波長(zhǎng)選在 660nm 波長(zhǎng)附近，檢測(cè)光附近還原血紅蛋白（ HbR ）表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收特性，該波長(zhǎng)處光對(duì)氧合血紅蛋白 ( 2HbO )和非氧合血紅蛋白 (Hb )吸收系數(shù)之差近似最大。 光源類(lèi)型的選擇 采用選定波長(zhǎng)的發(fā)光二極管 LED， 其性能介于半導(dǎo)體激光器和寬帶光譜之間，單色性和發(fā)光效率雖不及激光電源，但價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)較激光器簡(jiǎn)單。綜合系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和價(jià)格等因素，在光源設(shè)計(jì)中我們選定波長(zhǎng)為 660nm和 940nm的發(fā)光二極管 LED，其性能足以滿(mǎn)足本系統(tǒng)的需要。 發(fā)光二極管一般選用正向電流 FI 100mA,光輸出功率 。此外，發(fā)光二極管的穩(wěn)定性也是應(yīng)考慮的一個(gè)重要因素 ,因?yàn)樾枰ＷC出射光光強(qiáng)的穩(wěn)定性 。光電接受二極管選用低 噪聲，響應(yīng)速度快的硅光敏二極管。 驅(qū)動(dòng)電路 脈搏血氧飽和度檢測(cè)以光電檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，因此，周?chē)s散光、暗電流等各種干擾對(duì)系統(tǒng)影響比較大。為了克服這一問(wèn)題必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用光的調(diào)制技術(shù)。調(diào)制就是使光的強(qiáng)度、振幅、頻率或相位等某一個(gè) (或幾個(gè) )參數(shù)按一定規(guī)律變化。調(diào)制的任務(wù)就是要把所傳輸?shù)男畔⒁孕盘?hào)變化為形式載到光波上去。從信息攜帶與檢出要求看，采用調(diào)制光攜帶信息可使光信號(hào)自身具有與背景輻射不同的特征，有利于和背景輻射區(qū)分開(kāi)，除了抑制背景光干擾外，調(diào)制對(duì)抑制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的固有噪聲和外部電磁場(chǎng)干擾也有 一定作用。 本系統(tǒng)采用脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)，光調(diào)制在單片機(jī)控制下，按照不同頻率發(fā)放兩個(gè)發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的頻率選定為工頻整數(shù)倍以降低工頻干擾，本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)頻率分別選用 400Hz和 800Hz。發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路在控制信號(hào)的作用下，順序產(chǎn)生紅光、暗光、紅外光、暗光四種工作狀態(tài)，每?jī)蓚€(gè)時(shí)鐘為一個(gè)周期，完成順序發(fā)射工作。 這非常關(guān)鍵，因?yàn)楹竺娣蛛x信號(hào)輸出正是以此為基礎(chǔ)。 由光敏二極管接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò) I/V轉(zhuǎn)換電路最后得到了包括紅光信號(hào)、紅外光信號(hào)和背景光干擾信號(hào)三者混合的輸出信號(hào) 21?I ,在時(shí)鐘 1接通放大器 1，短 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁(yè) 路放大器 2，獲得紅光信號(hào) 1I 。在時(shí)鐘 2接通放大器 2，短路放大器 1，獲得紅外光信號(hào) 2I 。每一時(shí)鐘周期下半周關(guān)閉光源獲得環(huán)境暗電流輸出信號(hào)，將總信號(hào)中減掉 暗電流信號(hào)才為有用光信號(hào)。 圖 紅光、紅外光發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路 如 圖 ，發(fā)光管由單片機(jī)的口線(xiàn)低電平驅(qū)動(dòng)發(fā)光。當(dāng)口線(xiàn) 作在高電平時(shí) PNP型三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí) R2和 R4無(wú)電流流過(guò)，紅光和紅外 光為暗。當(dāng) 口線(xiàn) ， PNP型三極管工作在飽和狀態(tài)，飽和壓降 ECV ＝ ，要得到發(fā)光管的工作電流為 20mA(相當(dāng)于 cI ＝ 20mA)，取紅光發(fā)光二極管的正向電壓 VF＝ ，則限流電阻 R2=( CCV ECV FV )/20mA=150Ω。我們選的 PNP 三極 管的 β＝ 100 ，當(dāng)它工 作在飽和狀態(tài) 時(shí) cI β bI ，則bI 20mA/100=， 1R ( CCV EBV )/ bI =()V/＝ ，取 1 R ＝ 20kΩ。同理，由于紅外發(fā)光二極管的正向電 壓 FV ＝ 3R 為 20kΩ， 4R 為 180Ω。 光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 選擇光電接收器件時(shí)，考慮到光電傳感器接收到的信號(hào)是穿透皮膚淺表血 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁(yè) 管，經(jīng)血液吸收、散射后的近紅外信號(hào)，屬于緩慢變化的微弱生理信號(hào)，存在著較強(qiáng)的背景噪聲和干擾，故需要靈敏度較高的接收管。另外，由于所檢測(cè)的是光信號(hào)的幅度大小，為了準(zhǔn)確地測(cè)出幅值的變化，必須選用線(xiàn)性好、響應(yīng)快的器件。因此，我們選擇了北京光電器 件廠(chǎng)的 2CU3硅光電二極管。其光敏面積 2? 2 2mm 、峰值波長(zhǎng) 900nm、工作波長(zhǎng)范圍 400～ 1100nm，靈敏度 ? ，且具有暗電流小、噪聲低、受溫度影響小、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。 光敏二極管的特性是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流，而隨后的 A/D轉(zhuǎn)換電路是以電壓為檢測(cè)對(duì)象。因此，接收電路中應(yīng)采用電流電壓變換電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。光敏二極管受光照產(chǎn)生的光生電流 I與普通二極管的電流方 向相反， I與受光光強(qiáng)的變化成正比，光敏管工作在零偏狀態(tài)。運(yùn)算放大器與電阻 R形成電流電壓變換電路，如 圖 。（圖中 S_GND為信號(hào)地，運(yùn)算放大器工作正負(fù)電源為 5V、 0V，為避免信號(hào)丟失，將信號(hào)抬高至 GNDsV_ =1V。） 由放大器的虛短虛斷非常容易得到電路輸出電壓： outA =IR （ ） 圖 光電轉(zhuǎn)換電路 電容 C的作用是改變相移、防止自激，同時(shí) R和 C又形成低通濾波器，抑制高 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁(yè) 頻干擾。由于系統(tǒng)對(duì)發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)頻率為 400和 800Hz，那么為保證 RC組成的濾波電路不會(huì)造成光敏管電流信號(hào)的失真，其截止頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于 800Hz，即8002 1 ??RC? Hz。這里取 R=， C=20pf，截止頻率為 2021Hz。 在生物醫(yī)學(xué)信號(hào) 檢測(cè)電路系統(tǒng)中，需要 嚴(yán)格 選用具有良好低噪聲特性、 低功耗的放大器。 同時(shí) 需要對(duì)精確度、可靠性有較高的要求。 為了使放大器輸入電流趨于零，需要高輸入阻抗。最后還需要盡可能低的功耗。針對(duì)這些要求， 光電轉(zhuǎn)換電路中的 運(yùn)算放大器 我們選用 OP495，主要特點(diǎn)是單電源供電、達(dá)到 4MHz的帶寬、低偏置電壓 65?V，低偏置電流 80nA、低噪聲、輸入輸出皆是軌 軌的。 前置放大模塊電路 為了對(duì)各種生物信號(hào)進(jìn)行分析和處理首先必須正確獲取生物電信號(hào)，同時(shí)生物電信號(hào)大都屬于低頻、微弱和強(qiáng)噪聲背景下的自然信號(hào)，于是生物電信號(hào)的前置放大級(jí)顯得尤為重要。 生物電信號(hào)本身是屬于高內(nèi)阻的微弱信號(hào)源， 抵抗干擾的最好方法就是采用有較高輸入阻抗的放大器。從強(qiáng)干擾中提取信號(hào)必須選用具有高共模抑制比的放大器。 因此 本課題選用 Analog Devices公司生產(chǎn) 的低功耗、高精度儀表放大器AD623作為前置放大的核心器件。 AD623儀表放大器是美國(guó)模擬器件公司 (Analog Devices Inc.，簡(jiǎn)稱(chēng) ADI)推出的一種低價(jià)格、單電源、輸出擺幅能達(dá)到電源電壓 (通常稱(chēng)之為電源限輸出 )的最新儀表放大器。主要特點(diǎn)是 : ① AD623使用一只外接電阻設(shè)置增益 (G)，高達(dá) 1000，從而給用戶(hù)帶來(lái)極大方便。 ② AD623 具 有 優(yōu) 良的 直流 特性 : 增 益精 度 0.%1(G=1) ，增 益漂 移25ppm(G=1),輸入失調(diào)電壓最大 100μV (AD623B)，輸入失調(diào)電壓漂移1μV/℃ (AD623B)，輸入偏置電流最大 25nA。 ③ AD623具有優(yōu)良的 CMRR(它隨增益增加而增加 )，使誤差最小。電源線(xiàn)噪聲及其諧波都受到抑制，因?yàn)?CMRR抑制頻率高達(dá) 200Hz。 ④ AD623帶寬 800kHz(G=1)，達(dá) %建立時(shí)間 20μs(G=10)。 ⑤ AD623的輸入共模范圍很寬，可以放大比地電位低 150mV的共模電壓。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁(yè) 雖然 AD623單電源供電能達(dá)到最佳性能，但雙電源供電 177。177。)也能提供優(yōu)良的性能。 ⑥ AD623低功耗 (電源電流最大 575μA)、寬電源范圍和電源限輸出特性非常適合電池供電應(yīng)用場(chǎng)合。電 源限輸出特性使低電源供電條件下，電源限輸出級(jí)使其動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到最大。 ⑦ AD623可以取代分立器件搭成的儀表放大器，具有優(yōu)良的線(xiàn)性度、溫度穩(wěn)定性和小體積可靠性。 ⑧ AD623儀表放大器采用 8腳工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝形式，即 DIP、 SOIC和小型SOIC三種形式 。 AD623主要用于低功耗醫(yī)用儀表放大器、傳感器接口，熱電偶放大器，工業(yè)過(guò)程控制、低功耗數(shù)采系統(tǒng)及差動(dòng)放大器。 AD623是在傳統(tǒng)的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種新型儀 表放大器 。 AD623與傳統(tǒng)三運(yùn)放結(jié)構(gòu)儀表放大器 (例如 AD620)的不同之處是在兩個(gè)輸入放大器之前分別加 兩個(gè) PNP晶體管作為電壓緩沖器，以便向兩個(gè)輸入放大器提供共模信號(hào)，并且符合電源限輸入運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)的要求。輸出放大器用來(lái)將差動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換成單端電壓，它還對(duì)前面兩個(gè)輸入放大器輸出的共模信號(hào)起到抑制作用。 由于 AD623電路結(jié)構(gòu)中的三個(gè)運(yùn)放輸出擺幅都能達(dá)到任一電源限，而且其共模電壓范圍可擴(kuò)展到負(fù)電源限以下，所以提高了 AD623的輸出信號(hào)范圍。 AD623中的三個(gè)運(yùn)放都是電壓反饋型運(yùn)放 (VFA)，所以當(dāng)增益增加時(shí)， AD623帶寬減小。AD623的增益 (G)是用一個(gè)精密電阻 (%1%精度 )RG(連接 1腳和 8腳的電阻 )設(shè)置的。 電阻選擇計(jì)算公式如 式 （ ） : 1100??? G kRG （ ） 通過(guò)調(diào)節(jié) 1腳和 8腳間的阻抗 GR 可以調(diào)節(jié) AD623的增益，增益計(jì)算公式為 : GRkG ??? 1001 （ ） AD623的參考端 (REF)電位用來(lái)確定零輸出電壓 ，當(dāng)負(fù)載與系統(tǒng)的地不明確共地時(shí)特別有用。它提供一種對(duì)輸出引入精密補(bǔ)償?shù)闹苯臃椒?，還可以利用參考端提 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁(yè) 供一個(gè)虛地電壓來(lái)放大雙極性信號(hào)。如果 AD623相對(duì)地輸出，則參考端應(yīng)接地 。 為了增強(qiáng)電路的耐直流極化的能力，避免進(jìn)入截止和飽和狀態(tài)，前置放大增益不宜過(guò)大，本課題設(shè)計(jì) AD623的增益為 : GRkG ??? 1001 =1+ 510 =21, GR =5kΩ （ ） 為了防止干擾噪聲進(jìn)入差動(dòng)輸入端，在儀表放大器 AD623兩個(gè)輸入端之間接一個(gè)電容，再用兩個(gè)電阻一起構(gòu)成一個(gè)差動(dòng)低通濾波器，如圖 。采用差動(dòng)方式連接電容帶來(lái)的附加作用是，降低共模電容的不平衡，有助于高頻共模抑制。 為了達(dá)到更好的使用效果， 根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)里推薦的做法， AD623采用雙電源供電方式 ，并且 SSV 接 5V， SSV? 接 5V。為了防止干擾噪聲進(jìn)入差動(dòng)輸入端，在儀表放大器 AD623兩個(gè)輸入端之間接一個(gè)電容，再 用兩個(gè)電阻一起構(gòu)成一個(gè)差動(dòng)低通濾波器，如圖 。采用差動(dòng)方式連接電容帶來(lái)的附加作用是，降低共模電容的不平衡，有助于高頻共模抑制。 最后為了保證 AD623同相端及反相端內(nèi)的交流信號(hào)進(jìn)入地，在 AD623上連接了 100pF的瓷片電容和 10 F? 的電解鉭電容。 圖 前置放大電路 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 25 頁(yè) 同步檢波、正 /負(fù)極切換電路 為了消除外界環(huán)境光的干擾影響，采用了同步檢波的正 /負(fù)極性切換電路將暗光信號(hào)從有用信號(hào)中減去，切換電路由一個(gè)運(yùn)放和模擬開(kāi)關(guān) 4066組成，如 圖 所 示。其原理是：模擬開(kāi)關(guān)受控制于信號(hào) CP。由于每個(gè) CP信號(hào)的后半周期是暗電流期，而我們想要去除的也是這后半周期的暗電流值。于是希望當(dāng)開(kāi)關(guān)合上的時(shí)間正好對(duì)應(yīng)暗電流的那半個(gè) CP周期，以期作差。當(dāng) C=0時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)運(yùn)放的同相輸入端為高阻抗輸入，輸入信號(hào)未經(jīng)衰減而輸入，使其反相輸入端電位為正電位，其輸入和輸出電位相同， R上沒(méi)有電流流過(guò)，相當(dāng)于一個(gè)同相緩沖器，輸出的信號(hào)和輸入信號(hào)相同。當(dāng) C=1時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，運(yùn)放此時(shí)作為反向放大器工作，增益為1，輸入和輸出信號(hào)反向。 經(jīng)過(guò)同步檢波的正 /負(fù)極性性切換電路后暗光信