一种人体无创动脉血氧饱和度检测电路设计

一种人体无创动脉血氧饱和度检测电路设计*

王永青 张志鹏 王洪瑞 刘秀玲

（河北大学电子信息工程学院，河北保定市 071002）

摘要：根据动脉血液的光吸收量随脉搏波动变化的规律设计出一种人体无创脉搏血氧饱和度测试仪电路。利用DSP时序信号控制光源驱动电路和信号分离电路，实现信号同步发送和分离接收；采用压控电压源二阶低通滤波器消除杂散光的高频干扰；使用信号分离电路、高通滤波电路和次级低通滤波电路，分别提取出血氧直流信号和交流信号，并对其分别使用反相电路和交流信号放大电路，有助于AD采集，提高测试精确度。利用移动平均法对采集到的血氧交流信号进行消噪处理，提高了测试数据的准确度。

关键词：动脉血氧饱和度; 无创; 检测; 血氧复合信号; 移动平均算法

1、引言

动脉血氧饱和度是判断人体循环和呼吸系统是否出现障碍或者周围环境是否缺氧的重要指标[1]。由于心脏呈周期性收缩和舒张，使得血液脉动的流过肺部，血液中一定含量的还原血红蛋白（Hb）与肺泡中的氧气结合成为氧合血红蛋白（HbO2），然后这些氧被运载到全身的毛细血管，并且把氧释放出来，供给细胞组织的代谢。目前，血氧饱和度的测量方法可分为有创测量和无创测量。由于有创测量检测结果缺乏时效性，易对病患造成痛苦，且操作方法较为繁琐。因此逐渐被具有连续、及时、安全等特点的无创检测所代替。

S

CHbO2

CHbO2 CHb

100%

（1）

当以一个特定波长光照射测试部位时，按照Lambert-Beer定律，且血液对光的吸收程度主要与血红蛋白含量有关[3]。通过测试部位后的光强为：

IDC I0e 0C0L e

HbOCL2HbO2

e HbCHbL (2)

其中，I0为入射光强，ε0、C0和L分别为非脉动成份的人体组织和静脉血的总吸光系数、光吸收物质浓度和光路径长度；εε

Hb、CHb

HbO2、CHbO2分别为动脉血液中

氧合血红蛋白（HbO2）的吸光系数和光吸收物质浓度；

分别为动脉血液中还原血红蛋白（Hb）的

吸光系数和光吸收物质浓度。

入射光路径长度L会随动脉血管的舒张和收缩发生变化，假设当入射光路径长度变化△L时，透射光强变化量为IAC，则：

IDC IAC I0e 0C0Le

( HbOC HbCHb)(L L)2HbO2

2、动脉血氧饱和度测量原理

无创动脉血氧饱和度测试仪就是根据动脉血液对光吸收量随人体脉搏波动而变化的规律设计的。由于动脉血管搏动，动脉血液对光的吸收量呈脉动变化，称为脉动分量（即交流量△I）；当心脏收缩时血容量最多，光吸收量也最大，测量到的光强度最小；而心脏舒张时血容量最小，光吸收量最小，测量到得光强度最大。而静脉血、肌肉、骨骼和皮肤等其他组织对光的吸收被认为是恒定不变的（即直流量I），如图1所示。

输

出 光 强 度

Imax

I DC

I

AC

(3)

若使用两种波长为λ部位，则可推导出：

IACIDC

IACIDC

1 1 2 2

1

和λ

2

的光束分别照射测试

[ HbO21S Hb1(1 S)] L(CHbO2 CHb) (4)

[ HbO22S Hb2(1 S)] L(CHbO2 CHb)(5)

若选择波长为λ2的入射光线，使ε

HbO2

λ2

=ε

Hb

λ2

，

图1 人体组织对光的吸收强度曲线

并令R I

1

AC

/IDC/IDC

1 2

IAC

2

，则动脉血氧饱和度SaO2为： Hb

2

动脉血氧饱和度是指在全部血液容量中，氧和血红蛋白的含量占全部可结合氧含量的百分比，即

[2]

S

HbO

1

2

Hb

1

R

Hb HbO

1

2

1

Hb

1

(7)

*

科技部国际科技合作项目(2008DFR10530)资助。

第1页下一页