基于Multisim的血氧饱和度论文

燕山大学课程设计说明书题目：双波长近红外光谱法无创脑血氧饱和度监测系统学院（系）：电气工程学院年级专业：10级生物医学工程2班学号： 100103040032学生姓名：郭文指导教师：赵勇等教师职称：副教授燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：生物医学工程系年月日燕山大学课程设计评审意见表目录第一章摘要 (1)第二章原理与推导 (2)第一节脑血氧监测的意义 (2)第二节组织成分的光谱特性为脑血氧检测提供可能 (3)第三节脑血氧监测的基本原理和推导新的计算方法 (4)第三章系统硬件设计 (11)第一节电源制作 (11)第二节传感器设计 (12)3．1光源的选择 (12)3．2光电转换器的选择及其对光调制频率响应特性的研究 (12)3．2．1硅光电池的特性 (13)3．2．2 光电池对光调制频率响应特性的实验研究 (14)3．3传感器的构建 (16)3．3．1脉冲发生器 (16)3．3．2恒流源 (17)3. 3. 3 同步积分模块 (18)第四章心得体会 (19)第五章参考文献 (20)第一章摘要随着电子技术、激光技术和计算机技术的飞速发展，生物医学仪器亦有了长足的进步，研究无创伤、微型化和智能化的医疗仪器己成为国内外学者关注的热点．血氧饱和度(Sa02)直接反映了细胞和组织供氧和氧代谢的状况，是呼吸循环系统的重要生理参数．而脑组织新陈代谢率高，耗氧量占全身耗氧量的20％，密切监测脑血氧和脑代谢状况肋止脑损伤是十分重要的.通过调查研究知，近红外光对人体有很强的穿透能力，能透过皮肤、头骨、和脑组织数厘米的深度．组织成分(水和天然细胞色素)的吸收光谱特性为脑血氧检测提供可能．双波长近红外光谱法监测脑血氧饱和度基于双光源双感受器模型．应该充分考虑该模型中近处光电池采集的光不完全在非脑组织中传播这一因素，根据改进的朗伯特一比尔定律利吸光度加和定律独立地推导出更准确的计算公式，公式系数的确定变得更简单．在系统传感器的设计中，我们小组采用了660nm和810nm两种波长的激光二极管不是发光二极管作为光源，使用光电池来取代光敏二极管采集信号，拟用20mm和30mm作为两光电池到光源的相对距离．设计并制作了方波发牛器、恒流源、I／V变换器等电路．根据光电池对光调制频率响应特性的实验研究结果，我们拟用400Hz作为光源及信号处理电路的理想调制频率．系统的信号处理电路包括同步分离器、调节放大器组、同步积分器、采样保持电路等电路模块．我们小组提取和制作锁相放大器的核心部分：同步积分器，并成功地应用于脑血氧信号的处瑚中．作者还进行了同步积分器输入输出波形的观察以及其传输特性的实验研究．证实了同步积分器有极好的频率匹配传输的特性，对匹配频率外的输入信号衰减极大，尤其有抑制偶次谐波的能力．为了提高检测的实时性和精密度，我们使用采样保持电路而不是传统的峰值检波器来提取生理信号的幅值，其控制信号来自单稳态触发器输出的同步窄脉冲．第二章原理与推导根据量子力学理论，在分子中存在电子能级和振动一转动能级．当电子能级和振动．转动能级发生跃迁时，就会产生分子吸收光谱或发射光谱．人们将780nm～2．5 u m光谱区定义为近红外光谱区，2．5 la m～40．0u m光谱区定义为红外光谱区，而40．0 u m～1000 u m光谱区定义为远红外光谱区．红外光的能量与分子振动能量相当，而近红外吸收光谱主要是由于分子基频振动(吸收带通常在中红外光谱区)的泛频(780nm 1．8 um)和组频(1．8 um～2．5tam)吸收所致。

尤其是由O—H、N—_H、c—H键的伸缩振动和弯曲振动的谐振和泛频吸收引起的。

近红外光能很容易地穿透生物组织，在安全标准边缘，近红外光子可以穿透7～8cm的生物组织14J．由于近红外光谱提取信息方便，光谱图重现性好，分析精度高I，I，所以很适合做C—H、N．H、O．H键结构的定量分析．近红外光谱脑血氧饱和度无创检测方法就是利用组织中氧化和还原血红蛋白的近红外吸收光谱特征来进行的．第一节脑血氧监测的意义氧是维持人体生命的重要物质，人体组织细胞进行新陈代谢所需要的氧是从血液中获取的；人体的呼吸运动将空气中的氧吸入肺泡，再经过气体交换进入血液，并随动脉血的流动向全身各组织器官输送，在组织内的毛细血管网处，血液中的氧与血液相分离，供给组织细胞维持生命活动所需的氧‘61．如图2．1所示．图2.1血液中的氧绝大部分是与血红蛋白(Hb)结合在一起的．19血红蛋白可结合1．34～1．36ml氧气吵健康成年人，如血红蛋白的量为159／100ml，则100m1血液能结合氧气的最大量约为20m1．血氧饱和度(Sa02)是血液中氧合血红蛋白(Hb02)的容量占全部血红蛋白(氧合血红蛋白Hb02和还原血红蛋白Hb之和)容量的百分比，它直接反映了细胞和组织供氧和氧代谢的状况，是呼吸循环系统的重要生理参数，许多呼吸系统的疾病都会引起人体血液中血氧浓度的降低，严重的会威胁人的生命．而脑组织新陈代谢率高，耗氧量占全身耗氧量的20％，而且对缺氧特别敏感，短时间缺氧就有可能造成中枢系统不可恢复的损伤．在深低温停循环的心血管手术中、神经外科的血管内手术中、脑意外的急救中、危重病人抢救时、心脏骤停后大脑复苏的治疗等情况下，一个重要闯题是脑保护，为避免缺氧或缺血导致病人出现严重紊乱，并降低手术并发症的发生，需连续监测脑血氧含量，密切关注脑供氧和脑代谢的状况，以防对大脑的损伤．因此，监测脑血氧状况是十分重要的．脑血氧监测较脉搏血氧监测有更特殊的临床应用价值，脉搏血氧监测只有在动脉搏动的情况下才有意义，而脑血氧传感器测量的是大脑局部的混合血氧饱和度，有其特殊的临床应用范围，可以采集人体在低血压、脉搏搏动减弱甚至心脏停止跳动时的血氧信号．第二节组织成分的光谱特性为脑血氧检测提供可能水构成生物组织的绝大部分，水分子的极性强，所以其振动在中红外区有很强的吸收．但存约700nm～900nm时的光吸收比其他谱区要小，使得一个“光谱窗”被打开，为检测生物组织中的其它成分提供可能性．水的近红外吸收光谱见图2．2．图2.2水的近红外吸收光谱不同的天然细胞色素具有不同的吸收光谱，天然细胞色素b、C1、C为红色细胞色素，aa3为绿色细胞色素．从细胞色素b的吸收光谱可以看出(见图2．3)，它在近红外光谱区的吸收率很小，对血氧饱和度检钡4的影响不大．而以氧化铜为中心的细胞色素C氧化酶(Cyt02）有与氧结合状态相关联的确定的吸收光谱．它在约780 nm～870nm处有一个吸收峰．从单个分子的水平来比较，Cyt02的吸收峰比血红蛋白的要高，且其与还原态的吸收差异也比氧合与还原血红蛋白的吸收差异要大．但与血红蛋白比起来，细胞色素C及其氧化酶的浓度要稳定得多，一般会多天维持同一水平．而且因为组织中血红蛋白的含量比细胞色素c大的多，血红蛋白对光总的吸收是细胞色素C的十倍左右。

图2.3细胞色素b的吸收光谱其它天然色素如褪黑激素也会给脑血氧检测带来较小的影响．同时胆红素会降低脑血氧饱和度并减缓其变化．还有一些组织生色团(如Cerebrocuprein和Erythocuprein)的吸收光谱也会因氧合状态的改变而改变，但它们在近红外光谱区对光的吸收都很小，可以忽略。

近红外光对人体有很强的穿透能力，它能透过头发、头骨、和脑组纵数厘米的深度．人脑中每100克组织中含血红蛋白600—1000mg，使人脑极适合近红外光谱法无创测量血红蛋白和氧合血红蛋白的含量．第三节脑血氧监测的基本原理和推导新的计算方法氧合血红蛋白和还原血红蛋白的近红外吸收光谱见图2．4．显然在红光谱区(600hm～700nm)Hb02和Hb的吸光系数差别很大，在该波段内，选用合适的波长的激光照射组织，光的吸收程度将很大程度依赖于血氧饱和度；而在红外光谱区(800nm～1000nm)，Hb02和Hb的吸光系数差别不大，若使用等吸收波长805nm左右的激光照射组织，光的吸收程度则主要反映了血红蛋白(Hb02和Hb)的总量．利用氧合和还原血红蛋白吸光系数的差异就可以测量血氧饱和度．图2．4 氧台血红蛋自和还原血红蛋白的近红外吸收光谱脑血氧饱和度仪利用分光光度法直接测量大脑局部血氧饱和度(rSc02)．大脑组织中静脉和动脉占了绝大部分，脑血氧饱和度实质是局部大脑血红蛋白混合氧饱和度，主要代表静脉部分．因而能在低血压、脉搏搏动减B日甚至心脏停止跳动的情况下使用不受限制．脑组织位于由颅骨构成的封闭腔内，因而若采用远近两个不同距离的光感受器，则近处光感受器所接收的信号较多的反映了浅表层组织(头皮、头骨)的信息，而远处光感受器所接收的信号较多的反映了深部组织的信息．其检测模型基于图2.5中的双光源双感受器模型．图中1、2代表近处和远处光感受器，接收波长N和R的光照射下来自表层组织(皮肤、皮下组织、骨骼)和脑组织的信息．图2.5脑血氧检测的双光源双感受器模型血氧饱和度的计算基于朗伯一比尔定律(The Lambert--Beer Law)和吸光度加和定律，朗伯一比尔定律是：(1．1) 其中I0和I分别表示发射光强和接收光强，c表示待测物质浓度，L表示光穿过组织的路径长度，E表示待测成分的摩尔吸光系数，W为光吸收度．对生物组织而占，由于光子在组织中吸收与散射的随机性，朗伯一比尔定律应改进为：此时的G表示待测成分在组织中的平均浓度，L指的是光子在组织中行走的平均光程，一般为光源到光感受器间距离的4—6倍(对一百个成年人的脑颅和前臂分别进行测量，得到这个倍数分别为6．26和4．16，散射因子G用来弥补因散射而减弱的光强，对于特定的检测对象，G一般假定为常数．吸光度加和定律是指在某一波长下，样品溶液中含有多种对光产生吸收的物质，那么该溶液对该波长光的总吸光度m，应该等于溶液中每一成分的吸光度之线性加和．吸光度加和定律是多组分混合体系对光吸收的重要性质，是对多组分混合体系进行定量分析的理论依据。

作者认为，吸光度加和定律实际上是朗伯一比尔定律的推论．设待测样品溶液中含n种光吸收物质，若将这11种物质视为分层排列，那么第一种物质的入射光强足Io，出射光强为I1，作为第二种物质的入射光强．同理类推，对于第n种物质，其入射光强是In-1，出射光强是In．这样从1到n种物质的吸光度之和为简化得即总吸光度．在生物组织中可以进行类似推导．具体到双波长双感受器脑血氡无创监测模型，光子穿透的组织是多组分混合体系，体系包括皮肤、皮F组织、骨骼、脑组织(特指不含血红蛋白的脑组织)、氧化血红蛋白和还原血红蛋白等．因而据吸光度加和定律有：式中，W总表示总的吸光度，W非脑组织表示皮肤、皮下组织、骨骼等非脑组织的吸光度，W脑组织表示只不含血红蛋白的脑组织的吸光度，则分别表示氧化血红蛋白和还原血红蛋白的吸光度．下面进行新的脑血氧计算方法的推导，在推导中，符号及对应的意义如下： N：近红外光R：红光下标1：近处光电池下标2：远处光电池NI：从近处光电池得到的近红外光后向散射信号Rl：从近处光电池得到的红光后向散射信号N2：从远处光电池得到的近红外光后向散射信号R2：从远处光电池得到的红光后向散射信号IOR：红光光源的发射光强ION：近红外光源的发射光强对于N光远处光电池有，总的吸光度对于N光近处光电池有，总的吸光度近似认为，即远近两条光通路在除脑组织外的部分吸光度相等，也即近似认为远近两通路在非脑组织部分的光程一致(从脑血氧无创检测双光源双感受器模型看来，这里的近似是很显然的)．且，令为，即氧合血红蛋白与还原血红蛋白在选定的近红外波长上吸光系数近似相等．设，将上述两式相减得远近两光电转换器在近红外光源下的总的吸光度之差为：据朗伯一比尔定律有：故：同理对于R光远处光电池有，总的吸光度：对于R光近处光电池有，总的吸光度：同样近似认为，，上述两式相减得远近两光电池在红光光源下的总的吸光度之差：据朗伯一比尔定律有：故：联合式1.8，推得脑血氧饱和度为：其中：由于．所以，式1．14的物理意义如下：即脑血氧饱和度的值正比于除脑组织外的红光吸光度之差比红外光吸光度之差，系数为负常数．美国的Somanetics公司最新推出的无创近红外脑血氧监测仪型号（INV03100)亦采用双波长双感受器模型，其使用的公式由以下式给出．其最终的定标校验公式为，并指出系数A、B、C需通过实验研究得出，即获得多名健康者实验数据后，通过回归分析的方法得出．从该公式看出，其基于的前提是第一个感受器上采集的光完全来自非脑组织．作者认为这是不可能的．首先，非脑组织的厚度因人而异，而近处光电池到光源的距离却是固定的，该公式可能较近似地适合少数待测人群，但普适性差；其次，光在组织中散射的随机性决定了一定有相当一部分光子进入脑组织，而且光子在生物组织中行走的平均光程一般为光源到接收器问距离的4—6倍，该公司产品的近处光感受器到光源的距离为30zmn，光了的平均路径将达12—18cm，而表皮到脑组织的厚度不到1cm，所以有相当大的一部分光子的光程会包含脑组织．可见该公司的计算方法所作的近似过于粗略．我们在推导过程中认真考虑了这一因素，独立地推导出更准确的计算公式．从推出的公式町以看出其系数的确定更加简单，其中A、D可从光谱曲线上直接读出．B、C可以根据前人的实验结果结合适当的实验研究得出．另外，从推导的过程，我们还可以看出，系统的设计并不要求，，即并不要求近红外光源的出射光强等于红外光的出射光强．这样减少了对系统光源进行精密调节的困难，但为了系统设计的简便(为了使各路放大器的放大倍数在同一数量级上)，以及减小计算上的相对误差，我们仍然有必要对系统的双光源进行粗略的调节，使输出光强大致相等．第三章系统硬件设计脑血氧监测系统硬件设计的指导思想是：无创、经济及智能化．它以计算机为信号运算与显示的平台，传感器光源采用调制模式，以减少信号的漂移，其调制信号被信号处理模块利用来实现多路信号的同步分离放大和相关检测．相关检测的核心部件是同步积分器，这种功能强大、造价低廉的方波匹配器首次被作者从复杂而精密的锁相放大器中提取制作出来并巧妙地应用到脑血氧监测系统中，使得检出脑血氧微弱信号的难题被彻底解决．整个系统的硬件设计结构紧凑、造价低廉、性能稳定，将具有很好的市场前景系统详细的结构图见第五章的附录1．下文将把系统划分为电源、传感器、信号处理电路、接口电路四大模块来分别详细地讲解．第一节电源制作系统需要的电源电压有直流±5V利±15 V．这些电压由图3．1所示的电路通过变压器、整流桥、三端稳压器、电解电容等来实现．其中，+15V的电源的获得是使用220v一18V变压器将市电220V交流电转换成18V交流，再通过桥式整流电路和滤波电容将其转化为直流电压约+22v，三端稳压器7815再将电压稳定至+15V直流电压．其它二种电压以类似的方法获得．电路中的四个三端稳压器均附有适当面积的散热片，以保证其工作的可靠性．图3．1 电源电路原理图第二节传感器设计3．1光源的选择基于设计成本上的考虑，人们往往首先考虑使用发光二极管作为探测光源．实际上由于脑血氧检测的特点决定了光电二极管并不合适，因为1．脑血氧传感器的设计基于光的反射和后向散射模式，而且光电探测器到光源的距离不可以太短，这就决定了光源的光强要尽量大(在安全标准内)，而发光二极管的光强显然远不如激光二极管强；2．脑血氧检测基于氧化利还原血红蛋白吸光系数的差异而设计，要求光源的发射波长分别位于氧化和还原血红蛋白的等吸光波长附近和吸光差异较大处，单色性越好越有利于脑血氧的计算和公式中系数的确定．从下面的我们实测的发光二极管与半导体激光二极管发射光谱的对比图(图3．2)可见，半导体激光器发射光谱的单色性远比发光二极管好．所以我们实际采用了660nm和810nm两种波长的激光二极管作为光源．具体技术指标如下：近红外光半导体激光器N(810nm)输出功率：30mw，闽值电流：<30mA，工作电流：<65mA，结电压：<3v红光半导体激光器R(660nm)输出功率：10mw’阈值电流：<5mA，工作电流：<25mA，结电压：<3v图3．2 发光二极管与半导体激光二极管发射光谱的对比3．2光电转换器的选择及其对光调制频率响应特性的研究在光电转换器的选择上我们前期的工作选择的是光敏二极管，其输出电压与照射光强确有较好的线性，但我们最终使用光电池来取代光敏二极管，原因是：检测传感器使用时要求紧贴额头，以尽可能地减小背景光的影响，而光敏二极管的头部是圆柱形的，紧贴额头时会发生位移或抖动，不利于信号采集；另外，光敏二极管的光电接受表而小，要求待测光须与其接受面尽可能的垂直，而脑血氧的检测采集的是从各个方向反射和后向散射过来的光线，因而光敏二极管只能采集到很小一部分光信号，而光电池的表面是平面而且接受面积是一般光敏二极管的5—15倍，可以很好地采集光信号．所以我们后来使用光电池作为光电探测器．下面讲述光电池的特性以及作者进行的光电池对光调制频率响应特性的实验研究．3．2．1硅光电池的特性传感嚣采用了硅光电池的主要原因是硅光电池具有如下二大优点：1．其输出短路电流与待测光强有良好的线性关系；2．其频谱响应宽，可以兼顾红光与红外光的检测灵敏度；3．其温度稳定性好．下文将定量地介绍硅光电池的丰要特性．(1)．硅光电池的光照特性：硅光电池在不同的光照度下，光电流和光牛电动势是不同的，如图3．3所示．图3．3硅光电池的光照特性可见，短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，开路电压与照度的关系却是对数关系．因此使用时应该把它作为电流源来使用并采取I／V变换电路．如图3．4所示运算放大器中与光电池正极连接的反相输入端是虚地，保证了光电池的短路条件，使得输出电流为光电池的短路电流．根据I／v变换电路的规律，知图3．4 光电池的使用方法(2)光电池的光谱特性：光电池对不同特性的光其灵敏度是不同的，硒光电池私硅光电池的光谱特性曲线。