无创血氧饱和度检测仪的设计

摘要：介绍了无创血氧饱和度测量原理，即红外光根据人体组织中不同的血红蛋白氧合状态具有不同的光吸收谱特征，利用这些特征即可检测人体组织血氧饱和度。系统采用单片机C8051F020为核心，设计了无创血氧饱和度检测仪的各硬件部分和软件流程图，并通过可控数字电位器替代了传统的反馈电阻实现了增益自动调节，克服了个体差异造成的血氧信号只通过固定增益影响了测量精度的缺点。该系统结构稳定，功耗小，成本低，为临床测量提供连续有效的监测信息，适用于临床测量与研究，具有广阔的应用前景。
关键词：近红外光谱；血氧饱和度；自动增益；C8051F020

0 引言
氧是维持人体组织细胞正常功能、生命活动的基础。人体的绝大多数组织细胞的能量转换都是在氧的参与下完成的。所以，实时监护人体组织中氧的代谢及运输过程，可以间接获得细胞的代谢状态，在生命科学的研究领域有重要的意义。
要了解人体组织中氧的代谢及运输过程，即掌握动脉血管内的血氧运输代谢情况，人们通常采用两种有效实用的方法。第一种方法：直接采集人体动脉血样进行血气分析。它包括血液的pH，PO2，PCo2的测定值，还包括经计算求出的血氧饱和度等参数，但这种方法是有创测量，且对血液标本采集有一些限制要求，不能作为实时监护的方法。第二种方法：利用无创血氧测量技术来检测动脉血氧饱和度。它是利用近红外光在组织中血红蛋白氧合状态不同时具有独特的光吸收谱特征来检测组织血氧饱和度。
传统的无创血氧仪器通过光电检测传感器采集透射过血液组织中脉动光强信号，经过固定增益放大和滤波后送入单片机进行数据处理得出血氧饱和度值。本文设计了基于C8051F020单片机配合可控数字电位器实现增益自动调节的无创血氧饱和度测试仪，解决了个体差异对血氧信号的影响，有效地提高了血氧饱和度的精度。

1 检测原理
无创血氧饱和度的检测原理是根据Beer-Lambert定律，引出分光光度法进行物质定性分析和定量分析。根据这个理论基础，由氧合血红蛋白与还原血红蛋白对不同波长色光的吸光度不同和血氧饱和度的定义，推导出动脉血管中的血氧饱和度计算公式。
根据朗伯-比尔定律可以得出单色光透过某均匀溶液后透射光强I与溶液诸参数的关系是：

式中：E表示该溶液对某特定单色光的吸光系数；C表示该溶液的浓度；D表示光透过溶液所经光程长度。
若定义吸光度A为：
A=ln(I0／I)=ECD (2)
假如均匀组织为血管，当动脉血脉动时，D将有一个△D的改变，此时透射光I也将有一个△I的改变，此时吸光度A的改变△A为：
△A=ln[I／(I-△I)]=EC×△D (3)
根据医学定义，由于含氧血红蛋白和还原血红蛋白处于同一血液溶液中，他们的含量之比即为浓度之比，这样血氧饱和度为：

式中：△W即为该色光光电信号的交直流成份之比，由以上表达式再根据数学变换，当有两路光源透射过手指后最终可以推出血氧饱和度的计算表达式为：

式中：Ei表示不同物质的吸光系数，对于一定波长和一定组织成分而言，Ei是确定的常量。将上式写为如下形式，并展开成二阶泰勒级数为：

只要测量出色光光电信号的交直流成份之比△W’／△W与标准血氧计测量的血氧饱和度，利用最小二乘法二次曲线拟合技术，确定常数A，B，C就可以得到血氧饱和度经验公式。