基于labview的无创血氧监测系统的设计

基于labview的无创血氧监测系统的设计

1血氧饱和度检测方法血氧饱和度是反映人体健康状况的重要生理参数。血氧饱和度表征了人体血液的含氧量,能有效反应人体循环系统和呼吸系统的生理状态,在病情诊断与健康监护方面发挥着积极的作用［１～３］。血氧饱和度的监测可为早期发现去氧饱和血症与低氧血症提供可靠的手段。当患者出现去氧饱和血症与低氧血症时,临床上往往不出现心率、呼吸的变化和心电图的改变,早期发现这些情况可对患者及时抢救［４，５］。传统的血氧饱和度测量方法是先进行人体采血,再利用血气分析仪进行电化学分析,测出血氧分压后计算出血氧饱和度。这种方法过程繁琐,不能进行连续监测,而且属于有创测量［６，７］。现今,无创血氧检测方法已得到很好的发展,实现无创、实时检测,且数据可靠［８］。但临床上使用的血氧饱和度监测仪以夹指式光电传感器为主,多为透射式原理。在连续监测过程中,由于夹指时间过长,易导致患者手指胀痛、麻木而产生厌恶情绪。本文提出一种光电反射式脉搏血氧监测方法,可缓解患者的痛苦,提高监测效果。2测量原理和算法2.1光强的散射途径检测人体自由组织中氧合血红蛋白的表达透射式血氧传感探头光源与检测器在被检测部位的两侧,主要接收穿透人体组织后的透射光。反射式血氧传感探头光源与检测器均置于被检测部位的同一侧,主要接收经人体组织后的反射光［９］。反射式传感探头的工作原理,如图1所示。光在生物组织中的传播规律可用传播理论的粒子描述。依据光的扩散传输理论,光子的传播行为可以用组织光学特性参数描述,如用吸收系数和散射系数可描述组织对入射光的吸收和散射能力的大小等［１０～１２］。光子密度波在多重散射介质中传输时,其传输方程的扩散方程近似为式中:c为光速;Φ(r,t)为(r,t)点处光子密度;μａ和D为多散射介质中的吸收系数和扩散系数;S(r,t)为光源项。扩散系数D=1/3[μａ+(1-g)μｓ],其中μｓ为散射系数,μｓ=1/lｓ,lｓ为散射平均自由程,g称为散射各向异性因子(数值为散射角余弦的平均值),(1-g)μｓ为有效散射系数或等效各向同性散射系数。Patterson等［１３］人根据光子扩散方程式(1)以及时间分辨光谱技术,给出反射式光强公式式中,ρ是坐标中光源与检测器之间的距离。对式(2)取e的对数,并对t求导数,得到当经过时间足够长时,式(3)近似等于-μａc因此,反射光强的变化W与吸收系数μａ成正比关系,即根据Lambert—Beer定律,当一束光强为I０的光垂直照射一分子浓度为C的样品时,透射光光强I和I０存在［１４］式中,ε(λ)为样品分子对波长λ的吸光系数;L为光的路径。对式(5)进行变换,得到吸收系数μａ为假设εＨｂ、CＨｂ分别为动脉血液中还原血红蛋白的吸光系数与浓度;εＨｂＯ２、CＨｂＯ２分别是动脉血液中氧合血红蛋白的吸光系数与浓度;当选择红光与红外光两束光探测人体组织时,仅考虑还原血红蛋白和氧合血红蛋白的影响,两个波长下的吸收系数可按式(6)分别写成光通过组织和血管时,可分为非脉动成分(如皮肤、肌肉、骨骼和静脉血等)和脉动成分(如动脉血),即可称为直流量和交流量。因此,光强在组织中的变化率W=IＡＣ/IＤＣ,结合式(4)、(7)和(8),根据双光束法得到由式(9)得出将式(11)带入得出选择红外波为等吸收点,此时εＨｂＩＲ=εＩＲＨｂＯ２。整理式(12)得式中,εＨｂＩＲ、εＲＨｂ和εＲＨｂＯ２均为常数,可采用时域或频域的光谱分析法获得。结合式(10),可将式(13)改写为式中,k１、k２为经验常数,可以通过实验获得。由式(14)可知,反射式血氧饱和度测量可以通过光电容积脉搏波信号的交流与直流信息计算得到。2.2bmp的信号描述脉率是脉搏搏动的频率,一般用1min内搏动的次数(BMP)表示。脉搏波信号,如图2所示。脉率可以用两个脉搏峰时间差(T２-T１)的倒数乘以60s,经简单计算即可获得脉率。3测量系统3.1测量设备如图3所示,实验测量装置包括反射式脉搏血氧传感器、前端电路、NIUSB-6353DAQ数据采集器及计算机4部分。3.2数据处理函数基于图形化编程语言的LabVIEW提供了功能强大的函数模块库,包含数学、仪器I/O和信号处理等方面的函数［１５］。利用强大的软件功能进行设计,可以节省大量硬件电路设计的时间,同时增加了数据处理的精度,有效避免过程处理中引入的噪声和信号失真,使信号保持较高的真实性［１６］。LabVIEW程序框图如图4所示。4氧饱和度监测仪测试测试对象选择10名轻症患者,无心肺疾病及任何家族史。分别采用本文设计和临床用血氧饱和度监测仪对患者进行测试实验。每人测量5min,观察数据稳定变化后记录数据,结果见表1、表2。表中,Monitor为本文设计,Prototype为临床用血氧饱和度监测仪,Error为二者之间的误差。二者测量数据的对比曲线,如图5所示。5结果分析基于反射式光电传感器,利用LabVIEW软件及NIUSB-6353DAQ数据采集器,搭建了血氧饱和度测量系统,并与临床用血氧饱和度监测仪进行对比测试实验,两者血氧饱和度测量结果平均误差为0.2%,脉率测量结果平均误差为0.8time/m