簡易手指血氧儀課程設計報告

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文主要分為兩大部分，第一部分為傳感器性能檢測，對熱敏電阻、熱電偶兩種傳感器的實驗情況進行分析；第二部分為血氧飽和度檢測系統(tǒng)課題設計，首先介紹了脈搏血氧儀的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢、簡述系統(tǒng)工作原理，而后針對實驗過程進行詳細展開，最后對實驗收獲和體會進行總結。</p><p><b>　　正文<

2、/b></p><p>　　第一部分：傳感器性能檢測</p><p>　　熱敏電阻溫度特性實驗</p><p><b>　　第一組實驗數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　第二組實驗數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　數(shù)據(jù)處理</b>&l

3、t;/p><p><b>　　分析與結論</b></p><p>　　熱敏電阻隨溫度變化曲線如上圖所示，整體趨勢為電阻值隨溫度的下降而減小，為正溫度系數(shù)熱敏電阻，但是在中間區(qū)段，圖線會有波動。究其原因，在進行第一組實驗時，懷疑是由于我們操作錯誤所造成的。于是保留原有數(shù)據(jù)進行第二組實驗，同樣在中間溫度段出現(xiàn)了類似問題。所以我們懷疑是熱敏電阻本身的問題，線性度不好，以至于在某

4、些溫度點的電阻值會出現(xiàn)大的跳動。</p><p><b>　　熱電偶溫度特性實驗</b></p><p><b>　　第一組實驗數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　第二組實驗數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　數(shù)據(jù)處理</b></p>

5、;<p><b>　　分析與結論</b></p><p>　　根據(jù)熱電偶的工作原理，連接處的兩種不同材料對于溫度的“反應”能力不同，會產(chǎn)生塞貝克電勢差，這個電勢差隨溫度的變化而變化。根據(jù)圖線數(shù)據(jù)可知，塞貝克電勢差隨溫度的降低而減小，線性度、重復性都比較好。</p><p>　　第二部分：血氧飽和度檢測系統(tǒng)設計</p><p>　　

6、（一）血氧儀發(fā)展現(xiàn)狀簡介</p><p>　　隨著越來越多的人開始認識到亞健康問題的嚴重性和生活水平的提高，家用型便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品市場正經(jīng)歷高速增長，如便攜式血壓計。下一波增長熱點將是血糖儀和血氧儀，特別是便攜式脈搏血氧儀，目前雖還未得到普及，但是最有增長潛力，未來市場增速有望超過40%。</p><p>　　附圖：武漢力源血氧脈搏儀參考設計板</p><p>　

7、　脈搏血氧儀提供了以無創(chuàng)方式測量血氧飽和度或動脈血紅蛋白飽和度的方法。脈搏血氧儀還可以檢測動脈脈動，因此也可以計算并告知病人的心率。脈搏血氧儀是測量病人動脈血液中氧氣含量的一種醫(yī)療設備。 </p><p>　　血氧儀的應用市場主要可分為以下幾個方面：病人在急救和轉運過程中、消防搶險、高空飛行必須監(jiān)測血氧；心臟病、高血壓、糖尿病人，特別是老人都會有呼吸方面的問題，監(jiān)測血氧指標可很好地了解自己的呼吸、免疫系統(tǒng)是否正常

8、，血氧飽和度已成為普通家庭日常監(jiān)測的重要生理指標；醫(yī)護人員在查房和出診是也將血氧作為必監(jiān)測項目，使用數(shù)量有壓過聽診器的趨勢；呼吸疾病患者特別是長期打鼾的、使用呼吸機和制氧機的患者，在日常生活中使用血氧儀來監(jiān)測治療效果；戶外動者、登山愛好者、體育運動者在運動時都使用血氧儀，及時知道自己的身體情況，并采取必要的保護措施。</p><p>　　目前市場上的血氧儀大多數(shù)是指夾式脈搏血氧儀，它的整套方案提供商主要有以下幾家

9、：武漢力源、奧地利微電子、TI、ADI、飛思卡爾。 </p><p>　　脈搏血氧儀的兩大開發(fā)趨勢是：更高的測量精度和小型化。為了滿足這一市場需求趨勢，周文勝表示，ADI的產(chǎn)品研發(fā)方向也著眼于高集成度ASSP和新技術(如MEMS和磁耦隔離等)的開發(fā)。 </p><p>　　胡戎表示：“目前市面上的脈搏血氧儀的主要不足是：在不同的測量環(huán)境下，測量精度的一致性不好，這歸根結底還是硬件設計和軟件

10、算法的缺陷?！敝芪膭僖矎娬{(diào)：“從技術上來說，血氧儀的精度提高將是一個重要的方向。” </p><p><b>　?。ǘ┗驹?lt;/b></p><p><b>　　血氧飽和度的概念</b></p><p>　　功能性氧飽和度為HbO2（氧合血紅蛋白）濃度與HbO2（氧合血紅蛋白）+Hb（還原血紅蛋白）濃度之比：</

11、p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　系統(tǒng)工作原理</b></p><p>　　根據(jù)功能性氧飽和度的定義，利用兩個不同波長的LED入射光源，分別為和，由動脈組織體積變化引起的光程變化可通過以下運算而去除，所得結果Q為雙波長吸收比率：</p><p><b>　?。?/p>

12、2）</b></p><p>　　從而功能性血氧飽和度可表示為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　若選擇合適的入射光波，使得近紅外光譜區(qū)，上式可簡化為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　由

13、 （5）</p><p>　　、是由于脈搏搏動而引起的透射光的最大變化量，考慮和遠小于1（x充分小時，），則有：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　只要測定兩路透射光的最大光強和，以及由于脈搏搏動而引起的透射光最大變化量、；或是測定兩路透射光最大光強和，與最小光強和代入上式就可以計算出雙波長吸

14、收比率。</p><p>　　其中透射光的變化量稱為動脈分量或交流量（AC）；而皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等其他組織對光的吸收是恒定不變的，稱為直流（DC）?？紤]到透射光中交流量占直流量的百分比遠小于1，透射光的最大光強可看成直流（DC）。</p><p>　　綜上所述，Q值可表示為 ，并帶回（4）式，即可求出（其中A、B為固定參數(shù)）

15、 </p><p><b>　?。ㄈ┱n題設計</b></p><p><b>　　1、方案設計與論證</b></p><p>　?。?）本課題的設計內(nèi)容</p><p>　　由實驗室提供血氧探頭，我們要自行設計濾波電路、交直流分離電路，以及提高部分的探頭控制電路（控制紅光與紅外光以一定的頻率

16、交替發(fā)射、接收），完成線路的搭接與調(diào)試。預期達到的效果是：利用時鐘自動控制紅光與紅外光以固定頻率完成發(fā)射、接收，并且分別將它們的交流、直流信號分離出來，在示波器上顯示。</p><p><b>　　（2）方案設計框圖</b></p><p>　　實驗室提供的血氧探頭內(nèi)部的核心部件是發(fā)射、接收裝置，即發(fā)光二極管和光敏三極管，通過控制兩個三極管電壓值（起到開關電路作用）分

17、別可以實現(xiàn)紅光和紅外光的發(fā)射與接收。由于光敏三極管接收的信號很微弱，而且夾雜著干擾信號，所以首先要進行前置放大，隨后進行濾波去噪。其中，前置放大電路已經(jīng)連接在血氧探頭上，我們設計的濾波電路包括兩部分：即低通濾波器和50Hz工頻陷波電路，可以有效濾去高頻噪聲。之后，要進行交直流信號的分離。對于直流信號的分離，可用大電容來實現(xiàn)；對于交流信號的分離，可用高通濾波器來濾去直流分量，保留交流分量。</p><p>　　提高

18、部分，我們設計時鐘電路，提供一定的時序，通過高低電平的周期性變化控制血氧探頭中紅光與紅外光交替發(fā)射、接收。與此同時，時鐘控制兩組通路開關，可以實現(xiàn)在紅光發(fā)射、接收時，后續(xù)的兩路通道中，只有一路選通，當紅外光發(fā)射、接收時，另外一路選通。這樣就可以實現(xiàn)，紅外、紅光信號在時間和空間上的分離，通過四個探頭（分別對應紅外、紅光接收信號的交、直流分量）在示波器上顯示，可以清晰地讀出數(shù)據(jù)，從而計算Q值。</p><p><

19、;b>　　2、理論分析與計算</b></p><p><b>　　低通濾波器</b></p><p>　　由于人體正常的脈搏信號低于3Hz，噪聲多數(shù)為高頻噪聲，所以此處通過低通濾波器（核心部件為uA741）起到去噪的作用，下限頻率設置為10Hz。原因是：為了保證人的生理信號不受影響，所以下限截止頻率不能太低；另外，環(huán)境中的噪聲相對于生理信號而言，都是

20、比較高的，在幾赫茲的區(qū)段內(nèi)很少，所以下限頻率設定為10Hz基本滿足要求。</p><p>　　50Hz工頻陷波電路</p><p>　　因為我們的生活用電為220V，50Hz市電，在環(huán)境中有大量的50Hz工頻干擾，所以要設計陷波電路對這一頻率值的噪聲進行有針對性的濾除。此處我們采用無源雙T網(wǎng)絡的設計方案，通過電阻、電容的合理搭配，濾除工頻噪聲。</p><p>&l

21、t;b>　　高通濾波器</b></p><p>　　要把交直流混合信號中的交流分量提取出來，可以使用高通濾波器。因為我們的有用信號頻率很低，所以對于高通濾波器的上限頻率提出了較高的要求。我們設計出以uA741為核心的高通濾波電路，將上限截止頻率設定為0.1Hz，目的是讓此濾波器只能濾掉直流，而對于有用信號的衰減要盡量小。</p><p><b>　　時鐘電路&l

22、t;/b></p><p>　　考慮到人體脈搏信號頻率很低，為了能使信號輸出時能在示波器上清晰顯示，而且紅外、紅光分別工作的時間要達到一定的長度才能夠有充足的時間進行度數(shù)，另外，函數(shù)發(fā)生器（起到原始時鐘的作用）的最低頻率為0.16Hz左右。綜合多方面考慮，我們選用了74LS161芯片，16進制計數(shù)器來設計時鐘電路，選用Q3端作為輸出，即高低電平跳轉周期最大，這樣可以保證時鐘周期足夠大，滿足工作要求。<

23、/p><p><b>　　模擬開關電路</b></p><p>　　要把紅外、紅光信號的交、直流四種分量完全分離開，我們在信號處理電路（交直流分離電路）后面分別加了兩組通路開關。使用4066芯片，四路通道分時工作，紅光發(fā)射時，對應的交、直流通道同時選通，其余通道關閉；同理，紅外發(fā)射時，對應的交、直流通道同時選通，其余通道關閉。</p><p>&l

24、t;b>　　電路圖</b></p><p><b>　　低通濾波器</b></p><p>　?。?）50Hz工頻陷波電路</p><p><b>　?。?）直流分離電路</b></p><p><b>　?。?）交流分離電路</b></p>&

25、lt;p><b>　　測試方法與數(shù)據(jù)記錄</b></p><p>　　被測人調(diào)整好呼吸后（最好先到室外呼吸一下新鮮空氣），靜坐，將血氧探頭夾在手指上，整個測量過程中，被測人不要移動，盡量保持心態(tài)平穩(wěn)，呼吸順暢。在示波器上分別觀察并記錄紅光、紅外光的交流、直流分量，根據(jù)每組的四個數(shù)據(jù)計算一個Q值，對于每一個被測人要測量三組求平均值。隨后，被測人在憋氣（無氧）狀態(tài)下重復上述測量。</

26、p><p><b>　　附圖一：血氧探頭</b></p><p>　　附圖二：示波器波形（此時藍色波形為紅光交流分量，黃色波形為紅光直流分量）</p><p><b>　　數(shù)據(jù)記錄如下：</b></p><p>　　觀察實驗數(shù)據(jù)可知，在有氧狀態(tài)下，對于每一個被測者，Q值基本在某一數(shù)值附近上下波動，數(shù)據(jù)變

27、化范圍在0.6-0.8之間，而在無氧狀態(tài)下，Q值下降到0.5左右，基本滿足變化規(guī)律要求。但是數(shù)據(jù)存在波動較大的問題，我們在測量數(shù)據(jù)時觀察波形也發(fā)現(xiàn)會有幅值不穩(wěn)（時大時小，但變化不明顯）現(xiàn)象，分析原因可能是與發(fā)光二極管發(fā)光強度變化有關，我們的系統(tǒng)穩(wěn)定性與重復性有待提高。</p><p><b>　?。ㄋ模┛偨Y</b></p><p>　　1、實驗中遇到的主要問題與解決方

28、案</p><p>　?。?）50Hz工頻陷波電路</p><p>　　對于該模塊，我們最初采用有源雙T網(wǎng)絡的設計方案，結果對于工頻干擾沒有產(chǎn)生濾波作用，用模擬示波器觀察噪聲波形，有一個頻率的噪聲非常明顯，我們估讀一下它的頻率，由于噪聲波形始終在抖動，用模擬示波器度數(shù)會產(chǎn)生較大誤差，所以把此噪聲頻率誤讀為63Hz左右。于是我們又重新設計了針對此頻段的帶阻濾波器，搭接調(diào)試后大噪聲仍然存在。后

29、來我們用數(shù)字示波器的自動度數(shù)功能重新測了一下噪聲頻率，發(fā)現(xiàn)原先的度數(shù)有誤，噪聲來源確實為50Hz工頻，由于前次使用模擬示波器時的疏忽，讓我們走了一段彎路。</p><p>　　通過請教老師，我們了解到起初的有源雙T網(wǎng)絡電路，可能是由于電阻、電容不平衡，導致阻帶中心頻率偏移，沒能對工頻干擾有效濾除。于是我們?nèi)サ袅朔糯笃?，采用無源設計方案，直接使用雙T網(wǎng)絡，實驗結果良好，從30Hz到70Hz的信號均有一定衰減，對于5

30、0Hz附近頻率的濾波效果很明顯。雖然采用無源設計會導致阻帶較寬，但是結合我們電路實際情況，對于有用信號沒有影響，對于工頻干擾的濾除效果也很好，能夠達到預期效果。</p><p>　　示波器AC/DC檔的使用</p><p>　　在我們起初調(diào)試電路的時候，發(fā)現(xiàn)各類濾波器的效果都不是很好，時常會將有用信號濾掉，我們重新進行軟件仿真、線路檢查、各頻段示波效果觀察，問題依舊存在。后來偶然發(fā)現(xiàn)，如果

31、把示波器的工作檔位調(diào)成DC檔，就可以達到預期效果。我們分析，這是因為如果使用AC檔，示波器會自動濾掉直流信號，而我們檢測到的生理信號頻率很低，示波器會把它誤當做直流量濾除，從而使信號無法達到預期效果。在此后的實驗中，我們一直用DC檔來觀察波形。</p><p>　　使用非門會使高電平衰減</p><p>　　要用時鐘控制兩個三極管的通斷，是通過高低電平實現(xiàn)的。我們在使用74LS14芯片中的

32、非門時發(fā)現(xiàn)，通過一個非門后，高電平會從5V左右衰減到3.7V，這樣會導致紅光、紅外二極管發(fā)光強度不同，進而影響到Q值的計算。于是我們采用了“非非門”的設計思路，讓一條支路通過兩個非門，邏輯信號仍然保持不變，使得兩條支路的邏輯高電平均為3.7V，這樣就可以讓兩個二極管保持相同的工作電壓。改進設計后，計算出的Q值恢復正常。</p><p>　　紅外、紅光交替發(fā)射會使波形產(chǎn)生大的“毛刺”</p><

33、p>　　用時鐘控制電路控制紅外、紅光交替產(chǎn)生，在轉換瞬間，由于線路中電容的充放電，會導致過沖現(xiàn)象，波形中出現(xiàn)大的毛刺，影響記錄讀數(shù)。由于我們憑借我們現(xiàn)有的技術無法使用單片機，所以在模擬電路范疇內(nèi)，我們采用的解決方案是：拉長時鐘周期，使得每種信號工作時間足夠長，充分滿足度數(shù)時間的需要。</p><p><b>　　2、設計完善</b></p><p>　　現(xiàn)在的設

34、計僅僅在模擬電路范疇內(nèi)，有一些問題難以解決，如過沖問題。下一步的技術路線是采用單片機技術，完成整個系統(tǒng)的控制、信號采集與計算處理、數(shù)字顯示等功能。最終達到的目標是制成手指血氧儀原型機，具有更高的穩(wěn)定性、準確性。通過大量的檢測數(shù)據(jù)來檢驗原型機各項性能指標。</p><p>　　3、實驗中的收獲與體會</p><p>　　此次生物醫(yī)學傳感器設計實驗是我們第一次把課堂上所學的知識應用到醫(yī)療儀器的

35、設計實踐中。這種集中時間、高強度、綜合性的實踐鍛煉是我們以前少有接觸的。通過這段時間的學習實踐，我收獲很多。</p><p>　　首先，在專業(yè)技能方面，我獲得了進一步提升。之前，綜合電子設計競賽的經(jīng)歷讓我感受頗深，經(jīng)過高頻電路的洗禮后，再回到普通模電實驗的“中頻段”，無論在設計，還是在調(diào)試的過程中，都覺得熟練、順暢很多。這次，我們面臨的是低頻問題，同樣也有一定的難度。從最初的方案設計開始，我們最重視的問題就是低頻

36、信號（最低到達零點幾赫茲）與直流信號的區(qū)分，這是我們整個設計過程中的核心問題。因為有了之前競賽的經(jīng)驗積累，我在布線、排除干擾、調(diào)試判斷等方面都會加以注意，盡可能地排除一些可預知問題的干擾、影響，如去耦電容的設置，輸入輸出阻抗匹配問題的考慮等，盡量提高效率。這段時間最大的收獲是操作熟練程度、發(fā)現(xiàn)電路問題以及解決問題的能力都得到了提高。另外，后期電路的焊接，也讓我的實踐技能得到鞏固提高。</p><p>　　在團隊合

37、作方面，此次設計實驗，我們有兩組男生選擇了同一個課題，由于同住一間宿舍，所以我們有很多一起討論、合作的機會。整個實驗過程中，查閱資料、確定設計方案、電路仿真、搭接電路、調(diào)試級聯(lián)、數(shù)據(jù)檢測等環(huán)節(jié)我們都有著合理的分工和配合。除了工頻陷波電路模塊給我們造成了一些障礙，耽誤了一些時間，我們在其他方面的進展都是相對順暢的。在我們今后的工程設計、項目組研究中，基本上都是通過團隊合作的方式進行。所以我們從現(xiàn)在開始就要有意識地培養(yǎng)這種團隊意識、組織精神

38、、協(xié)調(diào)能力，為今后的學習和工作打好基礎。</p><p><b>　　三、結語</b></p><p>　　傳感器技術幾乎融入了我們生活的方方面面，特別在醫(yī)療儀器行業(yè)，更是無處不在。將生理信息轉化為計算機可以處理的電信號，是醫(yī)療儀器必備的組成部分，由此可見其重要性。在我們今后的學習工作中，傳感器技術都是極其重要的方面。</p><p>　　電路

39、的設計、搭接與調(diào)試，是一項依靠大量實踐經(jīng)驗積累的專業(yè)技能，必須通過長時間的實踐鍛煉才能夠真正掌握其精髓。所以，今后我要不斷接觸設計實踐，在實踐中逐步培養(yǎng)起工程設計思想，不斷提高專業(yè)技能。</p><p><b>　　四、參考文獻</b></p><p>　　[1] 《生物醫(yī)學傳感器設計實驗指導書》（電子版）</p><p>　　[2] 《便攜血