血氧儀核心硬件電路設(shè)計及Multisim仿真

關(guān)鍵字：Muhisim仿真 血氧飽和度 雙波長透射式測量 光電二極管

　　腦組織新陳代謝率高，耗氧量占全身耗氧量的20％，而且對缺氧特別敏感，短時間缺氧就有可能造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)不可恢復(fù)的損傷。心臟病患者，易發(fā)心絞痛、心肌梗塞，這兩種情況，多數(shù)是因為血管堵塞，導(dǎo)致缺氧造成。心肌一旦缺氧，輕則感到胸悶，喘不上氣來；中度缺氧時，人會感覺心臟痛；重度時就是心肌梗塞了。血液中的氧含量可以用來表征這些癥狀，為適時適當?shù)刂委熖峁﹨⒖?。因此，血氧含量的實時連續(xù)監(jiān)測以及需補充的氧量確定等方面顯得尤為重要。

　　目前社會上對血氧飽和度的測量普遍采用光電式脈搏血氧測定法，其原理是檢測血液對光吸收量的變化，測量氧合血紅蛋白(HbO2)占全部血紅蛋白(Hb)的百分比，從而直接求得SpO2，文中通過參數(shù)計算和軟件仿真的方法對核心硬件電路進行了設(shè)計和仿真，驗證了此方法可實現(xiàn)無創(chuàng)、實時連續(xù)測量，也可作為實體制作參考。

1 總體框架

　　考慮到便攜，容易測量，采用指夾式Nellcor血氧探頭。光電式脈搏血氧測定法原理是通過檢測交替點亮紅光(660 nm)、紅外光(940 nm)透射過手指的微弱光線，進行光電轉(zhuǎn)換后，進行I-V轉(zhuǎn)換、濾波放大，再送往A／D轉(zhuǎn)換經(jīng)微處理器處理?？傮w結(jié)構(gòu)框圖與處理過程如圖1所示。

　　利用MSP430的2個I／O接口通過H橋電路對紅光和紅外光通路進行導(dǎo)通控制，光二極體可以分時接收透過手指的紅光和紅外光微弱信號，通過串接1 MΩ精密電阻實現(xiàn)I-V轉(zhuǎn)換，作為濾波放大電路的輸入端，經(jīng)過一階低通電路提取出直流信號，經(jīng)過帶通電路提取出有用頻段的交流信號，送由內(nèi)部具有ADC的MSP430微處理器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進行每個周期內(nèi)紅光交直流信號之比、紅外光交直流信號之比和血氧飽和度的計算。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

　　2．1 手指量測

　　在量測部分使用手指作為感測來源，選擇紅光和紅外線作為發(fā)射波長。使用光源投射方式，紅光和紅外線位于手指上方，手指下方為光二極體，接收光源的變化。

　　2．1．1 LED驅(qū)動電路

　　此處的驅(qū)動電路是為了順序點亮紅光LED和紅外光LED，為了防止兩種光的相互干擾，采用間隔一定時間t交替點亮的方法：時序為紅光亮，此時紅外光是熄滅的；t時間后兩燈都處于熄滅狀態(tài)；過t時間后，紅外燈亮，此時紅燈熄滅；t時刻后兩燈都熄滅；再過t時刻后，紅燈再亮，紅外燈再滅。以這種時序交替亮滅，讓光二極體對單個燈管的光進行檢測，以盡量減少兩種光的串擾。

　　2．1．2 光檢測電路

　　接收電路部分，采用光二極體接受紅光和紅外線信號，光電二極管是一種PN結(jié)型半導(dǎo)體元件，當光照射到PN結(jié)上時，半導(dǎo)體內(nèi)電子受到激發(fā)，產(chǎn)生電子空穴對，在電場作用下產(chǎn)生電勢，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。在一定的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流的大小幾乎與反向電壓的高低無關(guān)。在入射照度一定時，光電二極管相當于一個恒流源，其輸出電壓隨負載電阻增大而升高?？赏ㄟ^串接一精密電阻，將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號。

　　2．2 信號濾波處理

　　由于光二極體接收到的信號包括血壓波信號(約0．7～3 Hz)，還有其他的一些干擾信號，需要分別取出其直流、交流分量。因此設(shè)計低通濾波電路取出直流分量，帶通濾波電路取出有用的交流分量，具體的參數(shù)設(shè)計參照圖2和圖3。

3 各硬件部分參數(shù)設(shè)計及在Multisim中的仿真結(jié)果

　　3．1 LED驅(qū)動電路

　　檢測光源分別來源于紅光和紅外光，并且要分時發(fā)射，因此設(shè)計中采用H橋電路對其進行控制，讓二者反向?qū)?，由于二極管的單向?qū)щ娦裕趦啥穗妷鹤兓瘯r能保證只有一個二極管導(dǎo)通，電路圖如圖2所示。

　　如圖2中所示，Q1，Q2，Q3，Q4基極分別通過單刀雙擲開關(guān)J1～J4接到相對應(yīng)的電壓和地，來模擬微控制器的P口輸出電壓對三極管進行控制。Q1，Q2設(shè)計為開關(guān)三極管，因基極電流較大，使三極管工作在飽和區(qū)，分別處于導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)。Q3，Q4基極通過接合適的電壓來實現(xiàn)對集電極電流的控制，工作在放大區(qū)，使LED所在支路工作在合適的電流狀態(tài)下，如圖2中各支路儀表所示，LED的工作電流控制在6.25 mA，此值可通過調(diào)整Vcc，R5，R6的值來得到，各支路的電流、電壓儀表分別列于圖2右側(cè)。

　　J1，J4組成紅光燈通路，J2，J3組成紅外燈的通路，兩種組合分時工作，按照固定頻率順序?qū)ā?/p>

　　3．2 光電轉(zhuǎn)換及信號處理

　　光電二極管接反向電壓后串接一個1 MΩ的精密電阻，將微弱的光電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，通過一個電壓跟隨器，降低后級電路對該信號的影響，提高帶負載的能力。因有用的血壓波信號約為0．7～3 Hz，考慮過渡帶的影響，在設(shè)計各低通、帶通電路時要對各截止頻率進行合理的設(shè)定，電路圖如圖3所示。

　　由于脈搏信號具有如下特點：(1)信號微弱，易引入背景干擾。(2)頻率低，主要頻譜分布在20 Hz以內(nèi)。因此選用一交流信號源來模擬實際信號，在通過電壓跟隨器后，首先通過一階RC低通電路提取出直流信號，截止頻率通過將R1和C2代入公式f0=求得為0．015 9 Hz，可通過伯德儀XBP1觀察仿真結(jié)果，如圖4所示。

　　帶通濾波電路首先讓信號通過兩個相同的二階低通濾波電路，讓超過截止頻率的信號以2倍于一階濾波的速率滑落，再通過一階高通濾波電路，使有用的頻率段信號通過。

　　由于各運放都有負反饋，所以工作在線性區(qū)，可利用“虛短”“虛斷”原則對各節(jié)點列寫基爾霍夫方程式，整理得到輸出比輸入的關(guān)系式，求出比值為0．707時的頻率值，即為該濾波電路的截止頻率。

　　二階低通濾波電路：下標分別表示圖中各個節(jié)點，V10，V7相當于此部分電路的輸入和輸出。

　　將數(shù)值代入C4=C5=C，R2=R3=R，式（1）～式（3）整理為

　　比值為0．707時的頻率即為截止頻率11.25Hz

　　一階高通濾波電路：在高頻時電壓增益為低頻時接近于零，截止頻率，總體的帶通濾波效果如圖6所示。

　　對分離出的交直流信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后由微處理器執(zhí)行運算，得到—個周期內(nèi)紅光交直流信號之比與紅外光交直流信號之比的比值。根據(jù)血氧飽和度的定義和比爾蘭伯特定律對血氧飽和度進行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可發(fā)現(xiàn)血氧飽和度與該比值的關(guān)系只與帶氧與不帶氧血紅素對各色光的吸收系數(shù)有關(guān)。由此，通過編程使微處理器根據(jù)不同的手指透光所對應(yīng)的比值計算出相應(yīng)的血氧飽和度。

4 結(jié)束語

　　近紅外雙波長透射式光電脈搏血氧測定法，已得到了業(yè)界的普遍認同，可實現(xiàn)對人體血氧量的無創(chuàng)、實時監(jiān)測。此系統(tǒng)MSP系列微處理器的選擇降低了運行功耗，由于內(nèi)部自帶一些模數(shù)轉(zhuǎn)換部件可減小整個設(shè)計的體積，可真正實現(xiàn)長時間、靈活便攜地測量。通過Muhisim仿真軟件對所設(shè)計的電路進行了仿真，仿真結(jié)果與理論結(jié)果相吻合。