血氧饱和度测量仪的设计

血氧饱和度测量仪的设计

血氧饱和度测量仪

的设计

目录

摘要 (3)

第一章绪论 (4)

1.1血氧饱和度的基本概念 (4)

1.2血氧饱和度测量仪课程设计的意

义 (3)

1.3血氧饱和度测量仪课程设计的技术要求 (4)

1.4基本步骤 (5)

1.4.1理论依据 (5)

1.4.2硬件电路的设计 (6)

1.4.3软件设计 (6)

1.4.4仿真及数值定标 (6)

第二章实验方案设计及论证 (6)

2.1设计理论依据 (6)

2.2.双波长法的概念 (6)

2.3光电脉搏传感器 (7)

2.4传感器可能受到的干扰 (9)

2.5实验方案设计 (10)

第三章硬件电路的设计 (10)

3.1硬件原理框图 (10)

3.2各部分电路的设

计....................................................................................1 1 第四章软件模块设计.......................................................................................1 3 4.1主程序流程图..........................................................................................1 4 4.2子程序流程图..........................................................................................1 4 4.3硬件调试 (16)

第五章设计收获及心得体会 (17)

第六章参考文献 (19)

附录程序清单…………………………………………………

(20)

摘要

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装换均需要氧的参加。所以，实时监护人体组织中氧的代谢具有重要的意义。

人体的新陈代谢过程是生物氧化过程。氧通过呼吸系统进入人体血液，与

血液红细胞中的血红蛋白(Hb)结合成氧合血红蛋白(2HbO )，再输送到人体各部分组织细胞中去。在全部血液中，被氧结合的2HbO 容量占全部可结合容量的百分比称为血氧饱和度2O Sa 。许多临床疾病会造成氧供给的缺乏，这将直接影响细胞的正常新陈代谢，严重的还会威胁人的生命，所以动脉血氧浓度即2O Sa 。 的实时监测在临床救护中非常重要。

在本次关于血氧饱和度测量仪的设计中，是基于MCS —51单片机的设计，需要选测合适的光电脉搏传感器采集数据，并利用4为LED 数码显示测量值，利用键盘切换显示脉搏跳动的频率。

关键词：51单片机 血氧饱和度 比尔—朗伯定理

第一章 绪论

1.1血氧饱和度的基本概念

血氧饱和度(SO2)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。而功能性氧饱和度为HbO2浓度与HbO2+Hb 浓度之比，有别于氧合血红蛋白所占百分数。因此，监测动脉血氧饱和度(SaO2)可以对肺的氧

合和血红蛋白携氧能力进行估计。正常人体动脉血的血氧饱和度为98% ，静脉血为75%。（Hb为血红蛋白，hemoglobin，简写Hb）

1.2血氧饱和度测量仪课程设计的意义

人体的新陈代谢过程是生物氧化过程，而新陈代谢过程中所需要的氧，是通过呼吸系统进入人体血液，与血液红细胞中的血红蛋白(Hb)，结合成氧合血红蛋白(HbO2)，再输送到人体各部分组织细胞中去通过连续或间断地监测血氧饱和度可以对人体携带氧的能力进行估计, 同时,其又是判断人体呼吸系统、循环系统是否出现障碍或者周围环境是否缺氧的重要指标, 在手术麻醉、监护室急救病房、病人运动和睡眠研究、以及慢性呼吸循环系统疾病患者的监上都有着重要的作用。

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PO：，计算SaO2：。这种方法比较麻烦，且不能进行连续的监测。因此，一种采用无损光谱学连续检测人体的血氧含量的方法应运而生。其基本原理是根据组织对光的固有特性，利用光在组织中传播的效应来获取和研究生物组织生理的、代谢的有用信息，安全、可靠、对肌体无损，具有广泛的研究应用前景和重要的实用价值。

1.3血氧饱和度测量仪课程设计的技术要求

通过MCS—51单片机（或其他单片机）制作一台数字显示的血氧饱和度测量仪。要求如下：

1.了解什么事血氧饱和度，掌握无创测量血氧饱和度的方法；

2.选择光电脉搏传感器，设计血氧饱和度检测电路；

3.利用4为LED数码显示测量值并可以切换显示脉搏跳动的频率；

4.选测单片机构建信号采集系统；

5.需将完成的检测调理电路，通过软件仿真验证。

1.4基本步骤

1.4.1理论依据

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：

ECD

e I I -⨯=0

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

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

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：

)

1ln(ln 1

][][][2

1222I

I

I I I W w C C C Hb HbO HbO SpO ∆-=∆-=∆∆+=

+=

如下：

现定义

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：

)()(12

122

2

2E E W

W E E E W W E SpO -'-∆'

∆-'-∆'

∆=

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：

22Cx Bx A d W

W c b W W a

SpO ++=+∆'∆+∆'

∆=

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。 1.4.2硬件电路的设计

根据脉搏血氧饱和度的测量仪的测量原理，设计了以MCS —51单片机为核心的脉搏血氧饱和度仪的硬件电路，包括方波脉冲发生电路，光电驱动电路，