大范围血氧饱和度无创检测的方法研究与仪器设计_图文

1、文章编号:167I-7104(20080I-0023.03 UUO平o奄弗l删 大范围血氧饱和度无创检测的方法研究与仪器设计【作 者】周峰.李顶立。.李艳2,邢雷2.叶树明。,陈杭2航天医学工程研究所(北京,100094【摘 要】在血氧吸光模型的基础上提出了一种大范围血氧饱和度(SpO,检测的非线性数据标定方法,解决了大范围血氧饱和度检 测中的非线性问题.提高了血氧饱和度检测仪的适用范围和检测精度。利用CAN总线通讯和DSP高速数字信号处理等技 术设计了无创脉搏式大范围血氧饱和度检测仪,在血氧饱和度范围为35%1100%范围内检测仪的测量误差小于3%. 适用于临床、航天员生理信号检测等应用。文

2、中详细介绍了检测仪电路组成及功能。【中图分类号】R318.6【文献标识码】AStudy on a NonInvasive WideRange Blood Oxygen Saturation Detecting Method and Its Instrument Design【Writers 1ZHOU Fen91,LI Dingli,LI Yan2,XING Lei2,YE Shu.min91,CHEN Han911College of Biomedical Engineering and Instrument Science,Zhejiang University,Hangzhou,3100

3、272China Astronaut Research and Training Center,Beijing,100094【Abstract】 Key words This paper proposes a nonlinear method of detecting the blood oxygen saturation(SpO,in a wide range on the basis of spectrophotometry,solves the nonlinear problem in detecting Sp02in a wide range,and improves the appl

4、icable range and detection precision.CAN bus communication and DSP fast digital signal processing are utilized in thedesign of a noninvasive pulse blood oxygen saturation(SpO,monitor in a wide range,which has a measure error below 3%within a range of 35%一100%.and is applicable for clinical monitorin

5、g and detection of cosmonautsphysiological signals.This oximeters components and their functions are also introduced in detail in the paper.blood oxygen saturation,pulse,nonlinear,wide-range血氧饱和度是重要的生理参数之一,相关的测量 方法和测量设备在临床中已得到广泛应用。血氧饱和 度测量有有创和无创两种方式。由于血氧饱和度的有 创检测方法不仅费时,易对患者造成痛苦甚至感染, 而且不能提供连续、实时的数据,在

6、病人处于危险状 况下,不易及时地抢救病人。因此,采用无创的快速准 确的检测方法来监测血氧饱和度,便具有广泛而实际 的意义u1。比较常用的无创脉搏式血氧饱和度监测仪 口o主要用在手术室、ICU病房等,用于危重病人的生 命体征监护。虽然血氧饱和度和心率等指标在体育科 研、非卧床病人的监护及特殊场合(如军事领域也有 重要意义,但由于目前该类设备皆为集中式控制,设备 体积较大,使用不方便,价格昂贵和可管理性差,限制 了相关应用H3。本文介绍一种无创脉搏式血氧饱和度 检测方法,利用该方法设计的大范围内对血氧饱和度 进行准确、实时测量的仪器,适用于临床及航天员生 收稿日期:2007-06-15 理信号检测

7、等领域。豳大范围血氧饱和度测量方法血氧饱和度定义为在全部血容量中能被结合的氧 容量占全部可结合氧容量的百分比,可以用血液中结合 氧的血红蛋白浓度与所有血红蛋白浓度的比值表示。 实际应用中,常用动脉血氧饱和度(SpO:来代替血氧饱 和度(so:。考虑到动脉血中的血红蛋白有两种可变物:还原血红蛋白(Hb和氧合血红蛋白(HbO:,血氧饱和 度可表示如下:SpO,:!旦!.x100%,=L %(1 1HbO,+Hb一人体动脉的搏动能够造成测试部位血液容量的波 动,从而引起光吸收量的变化。当透光区域动脉血管搏 动时,动脉血液对光的吸收量将随之变化,称为脉动分 量或交流量(AC;而皮肤、肌肉、骨骼和静脉血

8、等其他 组织对光的吸收是恒定不变的,称为真流量(DC。脉 搏式血氧饱和度测量技术就是利用这个特点,通过检测血液容量波动引起的光吸收量变化,消除非血液组 织的影响,求得血氧饱和度。根据Lambert-beer定律I=/0e“。 (2 其中厶为人射光强,为透射光强,E、C、L分别为 透射物质的吸光系数、浓度和吸光光程。我们采用两 束不同波长的光入。和入:作为入射光分时入射,即双光 束法,以消除光程变化JL的影响。根据式(2,可以进一 步得出:_*AC=一(Hb02.CHb02-EHbCHbL (3 IDCr九1,h令:D。=鲁,Dx2=箐,并将其代人血氧饱和度 公式(1,可得到血氧饱和度的非线性表

9、达式 sp02=蕊番糕笺可(4 其中,盘、鑫、。H盔,分别为Hb和Hbo。波长对 入。和入:光的吸光系数。这就是大范围内血氧饱和度的 检测方法。根据还原血红蛋白和氧合血红蛋白的吸光 系数特点,我们选择波长为660nm和940nm的光作为双 波长检测光。曩系统组成及功能无创大范围血氧饱和度检测仪的结构框图如图1所示。+嘤謦 l竺竺l 匝丑一 一。图1大范围血氧饱和度检测仪系统结构无创大范围血氧饱和度检测仪输入端与血氧传感 器相接,采集被测试者指部血氧脉搏波信号。然后,通 过血氧信号调理电路,利用第一部分所介绍的大范围 内血氧饱和度检测方法,即动态吸光度分析法测量血 氧饱和度。最后,在输出端通过C

10、AN总线接口,将数 据传送到医学信息管理主机。该检测仪采用先进的多 通道16位SAR型A/D转换电路、TI公司低功耗高性能 C2000系歹tJDSP等先进电子器件,配合高性能模拟和数 字处理技术,实现血氧脉搏波信号的调理、采集和分 析,满足复杂数据处理算法的要求。系统中各电路模块功能及实现如下:(1血氧信号调理电路采用高阻抗的低电压商性能运算放J喘TLV272, 作为血氧传感器的I/V转换电路。血氧传感器的LED光 源采用可关断H桥型恒流驱动电路以提高光源的稳定 性,通过软件控制光源的启闭实现光信号的软斩波调 制功能,结合算法要求进行数据处理和分析。其电路如 图2所示。图2血氧放大调理电路采用

11、多通道16位SAR型A/D转换器对血氧脉搏波 进行采样和处理,计算出血氧饱和度。数据采集采用8通道16位s A R型A/D芯片 ADS8344,最高采样频率100kHz,SPI接口;单2.75.5V 操作。(3处理器系统主数据处理器采用TI公司的C2000系y1DSP芯 片TMS320LF2407A作为主CPU。该CPU最高主频为 40MHz,运算速度为40MIPS,具有256KB FLASH, 2.5KB RAM,CAN2.0A/B总线接口等功能。采用芯片 自带的内部FLASH作为程序存储器,扩展一片64Kx 16的静态RAM,为复杂算法提供运算空间。此外,系统中采用多路选通电路,可以同时连

12、接眨酝骧弦酝戳臻鹜翻 设计制造心电等信号的测试端口,满足更多的生理参数测量要求。3实验与结果使用FLUCK Index2XL系列血氧饱和度模拟仪,发生35%、50%、75%、90%、100%被测血氧脉搏模拟信号输入到血氧传感器上。使用所设计的血氧饱和度检测仪采集该信号,并在单检上显示血氧饱和度值。重复上述步骤,以测试该监测仪的准确性及灵敏度。通过多次测量取平均值的方法对测量结果进行分析。表1给出了35%、50%、75%、90%、100%五个点处血氧饱和度的测量值及误差。从表中的数据可以看出,该检测仪可以准确地测量血氧饱和度值。表135%、50%、75%、90%、100%的测量值与误差nb Th

13、e re.q1mPaRlirement vahies and errnrg within therange of 35%,50%,75%,90%and 100%标准Sp02(% D九1/Dk N量SpO.(% 平均误差(%1000.6251000501.84847,4172583利用同样的方法,在35%一100%(步长l%范围内进行血氧饱和度检测,测量结果如图3所示。图中可以看出,在35%一100%范围内,该血氧饱和度检测仪的测量结果也保持了较高的准确性,平均测量误差控制在3%以内。4结论oid,- 、 标准S p02值一 -z、 一一测量sp02值一、?一、240h,。2图335%d00%范

14、NNSpO,标准值、测量值及平均误差average errorsofSp02within the range from 35%to 100%本文所介绍的大范围血氧饱和度检测方法能够准确测 量血氧饱和度值,并且应用该原理所开发的无创脉搏式 大范围血氧饱和度检测仪具有性能稳定、处理速度高 等特点,适用于临床测量与研究,特别是已用于航天员 日常训练的血氧饱和度测量,并取得很好的效果。参考文献【2de Kock J PTarassenko L.Pulse oximetry:theoretical andexperimental modelJ.Med Bioleng Comput,1993,31(3:2

15、91:298【33王跃华,徐圣普用于检测血氧饱和度的光电传感器J医疗装 备,1999,(10:124徐久强,赵海,孙佩刚,尹震字基于WPAN的脉搏血氧饱和度 检测仪的研究与实现.东北大学学报(自然科学版,2006,(277: 747.刁5028Wang DF,et a1.A Three Dimensional Automatic Shrinking Algorithm for FluorescenceMolecular Tomography.JointMolecular Imaging Conference,200729Shang S,et a1.A penalized linear and

16、nonlinear combinedCOn.iugate gradient method for the reconstruction of fluorescence molecular tomography.International Journal of BiomedicalImaging,2007,Article ID:84724f30Song XL,et a1.Reconstruction for freespace fluorescencetomography using a novel hybrid adaptive finite element3liLy YJ.et aI-A m

17、ultilevel adaptive finite element algorithmfor bioluminescence tomography.Optics Express,2006,14(18: 8211-8223【321Roy R,et a1.Fluorescenceenhanced optical tomography of a large tissue phantom using point illumination Geometries.Journal of Biomedical Optics,2006,11(4:04400733Alexander DK.et a1.The in

18、verse source problem based on theradiative transfer equation in optical molecular imaging.Journal of Computational Physics,2005,202:323345【341Allard M,et a1.Combined magnetic resonance andbioluminescence imaging of live mice.Journal of BiomedicalOptics,2007,12(3:034018【35Wessels JT,et a1.In Vivo Ima

19、ging in Experimental Preclinical Tumor Research-A Review.Cytometry Part A,2007,71A(8: 54254936Deane NG,et a1.Targeted imaging of colonic tumors inSmad3(-/-mice discriminates cancer and inflammation.Molecular Cancer Research,2007,5(4.:34134938Beckmann N,et a1.In Vivo mouse imaging and spectroscopy in

20、 drug discovery.NMR Biomedicine,2007,20(3:154185【391Rudin M,et a1.Molecular imaging in drug discovery anddevelopment.Nature Reviews,2003,2(2:123131 大范围血氧饱和度无创检测的方法研究与仪器设计作者:周峰 , 李顶立 , 李艳 , 邢雷 , 叶树明 , 陈杭 , ZHOU Feng, LI Ding-li, LI Yan, XING Lei, YE Shu-ming, CHEN Hang作者单位:周峰,李顶立,叶树明,陈杭,ZHOU Feng,LI

21、Ding-li,YE Shu-ming,CHEN Hang(浙江大学生物 医学工程和仪器科学学院,浙江,杭州,310027 , 李艳,邢雷,LI Yan,XING Lei(航天医学工 程研究所,北京,100094刊名:中国医疗器械杂志英文刊名:CHINESE JOURNAL OF MEDICAL INSTRUMENTATION年,卷(期:2008,32(1引用次数:0次参考文献(4条1. 严新忠 . 杨静 . 郭略 人体血氧饱和度监测方法的研究 期刊论文-医疗装备 2005(122. de Kock J P. Tarassenko LPulse oximetry:theoretical and

22、 experimental model 1993(33. 王跃华 . 徐圣普 用于检测血氧饱和度的光电传感器 1999(104. 徐久强 . 赵海 . 孙佩刚 . 尹震宇 基于WPAN的脉搏血氧饱和度检测仪的研究与实现 期刊论文-东北大学学报(自然 科学版 2006(7相似文献(10条1.学位论文 陈声权 脉搏式血氧饱和度测量系统的研究 19932.期刊论文 谭小丹 . 陈亚明 . 邓亲恺 . TAN Xiao-dan. CHEN Ya-ming. Deng Qin-kai脉搏式血氧饱和度仪的软件系统 的研制 -中国医学物理学杂志 2000,17(4本文介绍自行研制的脉搏式血氧饱和度仪的软件系

23、统。该软件系统基于Franklin C语言,运用自动基线调节,可调积分放大,线性回归等方法,使 该血氧饱和度仪达到临床监护的要求。3.学位论文 罗文志 基于ARM的血氧饱和度检测仪的研究 2007众所周知,氧是人体新陈代谢的重要物质,能不能充分吸入氧气,使动脉血液中溶入足够的氧,是维持生命的重要条件。反之,及时监测动脉中氧 含量是否充分又是判断人体呼吸系统、循环系统是否出现障碍和周围环境是否缺氧的重要临床指标。血氧饱和度作为手术中常规监测指标已广泛用于手 术麻醉、重症急救以及医疗保健等各个方面,具有十分重要的应用价值。 ARM系列微处理器作为全球16/32位RISC处理器市场的领先者,在许多领

24、 域内得到了成功的应用。近年来,ARM在国内的应用也得到了飞速的发展,越来越多的公司和工程师在基于ARM的平台上面开发产品。 本文的目标 是设计一个具有数字化、信息化特征的血氧饱和度检测系统。血氧饱和度特征信号在通过光电传感器提取到系统后,经过具有高共模抑制比的放大电路 进行放大、滤波,由高精度的A/D转换器件进行量化,提高了信号的精度。在数字电路中,系统以32位高速ARM处理器为硬件平台,对硬件系统的资源进 行了调度和控制,达到了对信号进行实时检测、显示、存储等功能。并且本文完成了以S3C44B0X为核心系统的硬件平台构架为今后多参数监护仪的后继 开发提供了一个处理平台。 本论文首先介绍了脉

25、搏式血氧饱和度的光电检测原理及其方法,然后详细介绍了脉搏式血氧饱和度的检测模拟电路和 数字电路,以及ARM为核心的软件系统的构成。本文的重点是血氧饱和度的检测软、硬件各个部分的设计与实现,包括硬件电路的详细设计和软件部分设 计及开发平台。最后给出了血氧饱和度的检测的定标方法。4.期刊论文 严新忠 . 杨静 . 郭略 . YAN Xin-zhong. YANG Jing. GUO Lue人体血氧饱和度监测方法的研究 -医疗装备 2005,18(12血氧饱和度是人体的重要参数,临床上许多场合都要对血氧饱和度进行检测,其中通过无创的方法对血氧饱和度进行检测能够为医生的临床行为提供 快速、直接、有效的

26、操作依据.其中透射式血氧饱和度监测技术已经成为较成熟的监护手段,但由于传感器使用范围的限制,在某些场合需要使用反射式血 氧仪对血氧饱和度进行检测.本文对现有几种血氧饱和度的测量方法进行了讨论,重点对脉搏式血氧饱和度的测量原理进行了详细地分析,并对反射式血氧 饱和度测量仪的研制进行了简单地探讨.5.学位论文 韩冬 经皮血氧饱和度测定对游离皮瓣移植后血管危象动态监测的实验研究 2008目的:以新西兰兔下腹部腹壁浅动脉皮瓣模型,模拟游离皮瓣各种血管危象的类型,评价经皮血氧饱和度(SPO2监测法在动态监测游离皮瓣移植后血 管危象中的应用价值。 方法:30只新西兰兔消毒、备皮、制作双侧下腹部腹壁浅动脉皮

27、瓣模型,随机分为3组:动脉阻断组,静脉阻断组,动静脉 阻断组。用显微外科血管夹阻断及复通血管,用反射式脉搏式血氧饱和度监测仪经皮动态测定皮瓣SPO2的变化,并与皮瓣颜色、温度变化时间作比较。 结果:动脉阻断后10637s皮瓣经皮SPO2降至最低阈值,复通后17817s回升达到正常水平。静脉阻断后,皮瓣SPO2开始表现为紊乱和波动,19826s SPO2后达到最低阈值,复通后63537s平缓回升到正常水平。静脉阻断组的下降和回升的时间差明显长于动脉阻断组(P0.001。全血管阻 断后SPO2下降时间与复通时间与动脉阻断组相似。皮瓣温度、颜色的变化时间明显长于皮瓣SPO2变化时间。 结论:经皮SP

28、O2测定方法无创而简单 ,能够敏感、客观、连续、定量的反映皮瓣的灌注状况,其变化早于温度、颜色等变化表现。脉搏式血氧饱和度监测仪价格低廉,简单可靠,易于操作 、可重复性强等优点,是客观监测皮瓣血运状况的最佳仪器,可以与临床观察相配合使用。并能够利用电子工程技术实现无线、连续、实时、无创性的 动态监测,提早发现皮瓣血管危象及栓塞类型,并自动报警通知医护人员,为抢救皮瓣节约时间。6.期刊论文 黄建新 . 刘怀 . HUANG Jianxin. LIU Huai监护用脉搏式血氧饱和度检测模块的研制 -南京师范大学学报 (工程技术版 2006,6(17.学位论文 周洪 远程医疗监护系统的研制及血氧饱和度模块的设计