【正文】 特性非常適合電池供電應用場合。177。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。電源線噪聲及其諧波都受到抑制，因為CMRR抑制頻率高達200Hz。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),輸入失調電壓最大100μV (AD623B)，輸入失調電壓漂移1μV/℃(AD623B)，輸入偏置電流最大25nA。AD623儀表放大器是美國模擬器件公司(Analog Devices Inc.，簡稱ADI)推出的一種低價格、單電源、輸出擺幅能達到電源電壓(通常稱之為電源限輸出)的最新儀表放大器。從強干擾中提取信號必須選用具有高共模抑制比的放大器。 前置放大模塊電路為了對各種生物信號進行分析和處理首先必須正確獲取生物電信號，同時生物電信號大都屬于低頻、微弱和強噪聲背景下的自然信號，于是生物電信號的前置放大級顯得尤為重要。最后還需要盡可能低的功耗。同時需要對精確度、可靠性有較高的要求。這里取R=，C=20pf，截止頻率為2000Hz。）由放大器的虛短虛斷非常容易得到電路輸出電壓： =IR （） 光電轉換電路電容C的作用是改變相移、防止自激，同時R和C又形成低通濾波器，抑制高頻干擾。運算放大器與電阻R形成電流電壓變換電路。因此，接收電路中應采用電流電壓變換電路，將電流信號轉換為電壓信號。其光敏面積2峰值波長900nm、工作波長范圍400～1100nm，且具有暗電流小、噪聲低、受溫度影響小、價格便宜等優(yōu)點。另外，由于所檢測的是光信號的幅度大小，為了準確地測出幅值的變化，必須選用線性好、響應快的器件。同理，由于紅外發(fā)光二極管的正向電壓＝，為180Ω。PNP型三極管工作在飽和狀態(tài)，飽和壓降＝，要得到發(fā)光管的工作電流為20mA(相當于＝20mA)，取紅光發(fā)光二極管的正向電壓VF＝，則限流電阻R2=()/20mA=150Ω。 紅光、紅外光發(fā)光管驅動電路，發(fā)光管由單片機的口線低電平驅動發(fā)光。在時鐘2接通放大器2，短路放大器1，獲得紅外光信號。這非常關鍵，因為后面分離信號輸出正是以此為基礎。脈沖信號的頻率選定為工頻整數倍以降低工頻干擾，本系統(tǒng)的驅動頻率分別選用400Hz和800Hz。從信息攜帶與檢出要求看，采用調制光攜帶信息可使光信號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，除了抑制背景光干擾外，調制對抑制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的固有噪聲和外部電磁場干擾也有一定作用。調制就是使光的強度、振幅、頻率或相位等某一個(或幾個)參數按一定規(guī)律變化。 驅動電路脈搏血氧飽和度檢測以光電檢測技術為基礎，因此，周圍雜散光、暗電流等各種干擾對系統(tǒng)影響比較大。此外，發(fā)光二極管的穩(wěn)定性也是應考慮的一個重要因素,因為需要保證出射光光強的穩(wěn)定性。綜合系統(tǒng)的電路設計和價格等因素，在光源設計中我們選定波長為660nm和940nm的發(fā)光二極管LED，其性能足以滿足本系統(tǒng)的需要。另一光波長選在660nm波長附近，檢測光附近還原血紅蛋白（）表現出強烈的吸收特性，該波長處光對氧合血紅蛋白()和非氧合血紅蛋白()吸收系數之差近似最大。原理推導中要求其中一波長對氧合血紅蛋白()和非氧合血紅蛋白()的吸光系數相等，該光波波長應該選在805nm左右，而該點的吸光系數隨波長變化梯度較大，這樣當發(fā)光管存在個體差異時，不利于調試替換。為減少組織對測量精度的影響，選擇光波波長時，要求氧合血紅蛋白()和非氧合血紅蛋白()對它的吸光系數要大于非血液組織對它的吸光系數，但不要太大使透過部分難于檢測。AT89C55WD主要特征有： ?與51單片機系統(tǒng)兼容?20K Bytes的重復編程閃存?10000次可擦寫周期?4V 運行范圍?全數據運行頻率范圍:0 Hz到33MHz?三層編程記憶鎖?256*8 bit內部 RAM ?32條可編程 I/O線?3個16位定時器/計數器?8個中斷源 ?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中斷?硬件看門狗計時程序?雙數據指針?斷電標志 ?綠色（不含鉛、錫鹵化合物）的包裝工藝 光源及其驅動電路的設計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成。最高工作頻率達到33MHz。根據要求，最終系統(tǒng)要實現手指處測得的血氧信息的處理、獲得血氧參數，綜合設計難度、價格及單片機性能等方面，最終在單片機芯片的選型上選用AT89C55WD芯片，其屬于AT89系列，最高工作頻率達到33MHz。由于ATMEL公司AT89系列單片機芯片的突出特點和符合本課題基本要求，而且ATMEL公司對AT89系列也提供了豐富的資源，有開發(fā)平臺、開發(fā)模塊、高速仿真器、初學者工具等。AT89系列單片機有多個固定中斷向量入口地址，可快速響應中斷。AT89系列具有32個通用工作寄存器，相當于有32條立交橋，可以快速通行。該系列單片機并且有以下突出特點：（1）具有預取指令功能，即在執(zhí)行一條指令時，預先把下一條指令取進來，使得指令可以在一個時鐘周期內執(zhí)行。在醫(yī)療設備領域，ATMEL公司的單片機市場占有率高，通用度也很高，供貨穩(wěn)定。因為與51系列單片機兼容可以說是降低了使用的門檻，較易上手。一般來說，應考慮如下諸多因素：單片機芯片的運算速度、芯片的價格、芯片的硬件資源、芯片的運算精度、芯片的通用性、開發(fā)工具以及單片機芯片的功耗等因素。只有選定了芯片，才能進一步設計其外圍電路及系統(tǒng)的其它電路。在實際過程中，該方面的經驗往往起到非常重要的作用。這些設計階段加入的少量措施，往往會在調試階段發(fā)揮關鍵性的作用。設計者在進行單片機硬件系統(tǒng)設計時，應該充分考慮調試階段可能遇到的問題。軟件開發(fā)時所使用的編譯器為Keil μVision2，它支持51系列單片機的開發(fā)、設計和調試。單片機部分的軟件采用C語言進行開發(fā)。整個系統(tǒng)的軟件部分包括硬件系統(tǒng)控制和信號處理，其中信號處理包括在單片機中對光電脈搏波進行預處理和提取脈搏波特征點并計算血氧飽和度參數值。在單片機系統(tǒng)的應用中，硬件和軟件是相互依賴的，硬件設計者和軟件設計者應該對彼此的工作有很好的了解，真正的單片機系統(tǒng)設計者應該了解硬件設計和軟件設計中的各種問題。單片機應用軟件編程應用系統(tǒng)性能指標硬件設計選用單片機芯片軟件調試硬件調試系統(tǒng)測試與調試系統(tǒng)集成 單片機系統(tǒng)設計與開發(fā)流程圖單片機系統(tǒng)的設計工作包括硬件設計和軟件設計兩個部分。有了具體的指標之后，設計者就可以選擇系統(tǒng)配置了。數字信號處理輸出單片機電源控制外圍電路 單片機系統(tǒng)框圖 單片機系統(tǒng)的開發(fā)流程。 單片機最小系統(tǒng)，顧名思義就是單片機所構成的最小的能工作的電路，以51單片機為例，最小系統(tǒng)包括：單片機芯片、復位電路、晶振，基本上就已足夠，然而單片機最小系統(tǒng)既簡單又復雜，簡單是因為電路模塊清晰，復雜是說要想穩(wěn)定工作需要做很多電路上的處理。電源部分是重中之重，系統(tǒng)需要能源，能源都來自電源，電源可以是直流電源也可以是電池，當然對于本課題中便攜式設備來說，電池就是最主要的。 單片機系統(tǒng)核心模塊單片機系統(tǒng)在硬件系統(tǒng)的設計中居于核心地位，單片機性能直接決定整個系統(tǒng)的靈敏度、穩(wěn)定度、功耗大小、性價比以及數據處理能力大小。 發(fā)光二極管驅動電路傳感器同步解調放大電路A/D數據采集電路單片機處理系統(tǒng)頻率發(fā)生器和同步時序控制電路 脈搏血氧測量法框圖指套式傳感器輸出的電信號經過放大、濾波、信號基線電平變換和去直流分量等信號調理過程后,將這兩個信號中的脈動成分分離出來,送入具有自動增益調整功能的電壓/電流轉換電路,再經過A/D轉換成數字信號,送給微處理器。 脈搏血氧法測量系統(tǒng)的硬件部分是以雙波長法為基礎進行設計的。（6）液晶顯示。（5）數據傳輸。（4）程序與數據存儲。（3）模數轉換。光電信號轉換電路由后期硬件電路來完成.（2）濾波電路。3系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)硬件的總體結構系統(tǒng)需要完成的主要功能：（1）紅光、紅外光信號處理。所以我們就是主要針對的是血氧飽和度在80%以上的情形。 血氧飽和度擬合曲線但考慮到我們研究的手指式脈搏血氧儀主要是為了家庭平時的健康自測用，一般不會遇到血氧飽和度低于80%的情況。研究表明，為滿足臨床要求，在70%、100%的血氧段范圍內，可采用線性公式（）來擬合。這里在動物實驗條件下進行測定，在50%的測量情況下得到線性擬合公式為= （）另外，通過對雙波長光強變化比和血氧飽和度之間的相關分析，產生了線性和二次函數關系的經驗公式分別為:=ABR （）= （）式（）、（）中，A、B和C為統(tǒng)計所得到的經驗常數，可通過試驗定標得到。所以實際應用時還必須經反復試驗測定最后確定實際的線性比例系數，也就是線性公式（）的系數。雙波長光吸收比值R可由光測量值經式（）計算得到，的計算可以由線性公式（）確定。而在近紅外光波長處，相對而言，和的光吸收系數差別很小，如果選擇合適波長的近紅外光使得（本研究所選用的=940nm就是符合這個要求的，事實上選擇940nm附近的波長段，氧合血紅蛋白(HbO2)和非氧合血紅蛋白()吸光光譜曲線變化較緩且接近重合，在后文“光源類型的選擇”中會詳述）。式（）就是求解血氧飽和度的公式。 （）式（）中，和分別表示兩波長和條件下吸光度的變化值。光程的變化使輸出光強的AC信號在和之間被調制而改變。 和在近紅外區(qū)域的吸收系數假設動脈血的體積發(fā)生變化，導致動脈血的光程變化，而舒張期的吸收作為背景吸收保持不變光程。而紅外光吸光量的變化反映出較多的動脈特性，主要反映動脈血的變化。紅外光吸光量的變化主要反映氧合血紅蛋白含量的變化；紅光吸光量的變化主要反映還原血紅蛋白含量的變化。血液的光吸收程度主要與血紅蛋白含量有關。根據LambertBeer定律，當以一個特定波長的光入射指端時，透射光強可分為兩部分:一部分是恒定的成分，稱為直流量(DC)，主要反映指端各種非脈動成分(如肌肉、骨骼、色素、脂肪、水和靜脈血等)對光的吸收；另一部分為脈動成分，稱為脈動分量或交流量(AC)，是由于血管床隨心臟搏動而產生的收縮和舒張引起，主要反映動脈血中脫氧血紅蛋白()和氧合血紅蛋白()對光的吸收。非血成份不隨脈動過程而變化,而血的成份隨脈動過程引起的血液流入與流出血管床的容量變化而變化,因此前者(非血成份)對光的吸收量是不變的,而后者對光的吸收量是脈動的。它所檢測到的信號越弱,表示光信號穿透指尖時,被那里的組織、骨骼和血液吸收掉的越多。上壁固定了兩個并列放置的光二極管,發(fā)光波長分別為660nm紅光和940nm紅外光。如果忽略由于散射、反射等因素造成的衰減,由朗伯比爾(LambertBeer)定律可得： （）式（）中:—透射光強度—入射光強度—摩爾消光系數—吸收物質的摩爾濃度—光路的長度,即吸收物質的厚度LambertBeer定律成立以下列條件為前提:1)入射光為單色光；2)吸收過程當中各物質無相互作用；3)輻射與物質的作用僅限于吸收過程,沒有散射、熒光和光化學反應。2血氧信號檢測算法血氧飽和度測量是基于動脈血液對光的吸收量隨動脈搏動而變化的原理。在對經過組織的透射光做光電轉換后，利用A/D轉換，提高了系統(tǒng)檢測的動態(tài)范圍，利用數字技術的優(yōu)勢取代了復雜的模擬放大濾波電路，簡化了硬件電路。 本文的主要研究內容傳統(tǒng)的脈搏血氧飽和度檢測系統(tǒng)多是通過模擬技術完成信號調制解調、雙光束分離、交直流分離、濾波放大、脈搏波檢出等一系列工作的，這種方法不僅硬件復雜，而且增加了系統(tǒng)不可靠和不穩(wěn)定因素。在呼吸睡眠的研究中，可以通過對的監(jiān)測來判斷患者是否有睡眠呼吸暫停綜合癥或夜間低氧飽和度等情況；社區(qū)醫(yī)療的監(jiān)護過程中及時快速的對的監(jiān)測，對中風病人和心肌梗塞等患者的及時發(fā)現及時治療都有非常重要的意義。可以預見，無創(chuàng)脈搏血氧儀將更加廣泛地應用于臨床危重癥患者的監(jiān)護和手術中麻醉的監(jiān)護以及手術后患者的恢復情況、呼吸睡眠的研究、社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護等方面。 應用前景分析自從脈搏血氧飽和度()理論建立以來，值監(jiān)測具有正確、安全、無創(chuàng)、有效、操作簡單、價格適中等優(yōu)點，已是手術室、監(jiān)護室的基本監(jiān)測手段之一，也用于臨床研究、評價和診斷等領域，為臨床醫(yī)學做出了重大貢獻。這也是國內產品與國外一些知名產品存在差距的地方。由于在臨床使用上，儀器處于不同的工作環(huán)境，往往受到各種干擾的影響，從而給脈搏波信號的提取帶來困難，導致血氧飽和度測量難以準確甚至發(fā)生錯誤，影響了儀器的正常使用。 目前國內的研究水平國內的許多大學科研院所也都致力于血氧監(jiān)護儀的研制，如秦皇島康泰有限公司生產的手指血氧儀、深圳邁瑞有限公司、深圳理邦精密儀器有限公司生產的手指脈搏血氧儀，具有較高的性價比和市場競爭力；如中國航天工業(yè)總公司第一研究院第十三研究所的無創(chuàng)傷脈率血氧飽和度監(jiān)護儀，北京奧博光電技術有限公司的反射式血氧飽和度監(jiān)測儀，華中理工大學的脈血氧多波長測量方法及其脈搏血氧飽和度監(jiān)護儀，北京惠普生物醫(yī)學工程公司的血氧飽和度探測接頭，西安籃港數字醫(yī)療科技股份有限公司的手指血氧儀。Philips公司是個大型醫(yī)療器械公司，它收購了HP的血氧模塊。Masimo公司的Masimo SET系統(tǒng)的設計是為了充分解決運動噪聲、弱灌注、低信噪比的問題，大大的拓寬了血氧儀的應用范圍。N595型Nellcor血氧儀連接到MAXFAST前額粘貼式傳感器，探頭被放置在病人的左眉毛上方并用頭巾保護，研究顯示前額與手指相比沒有那么易受血管收縮的影響，并且病人在弱灌注的情況下，對的變化更具反映能力。Nellcor是一家研究和制造血氧