專利名稱：一種基于led的無創血氧飽和度檢測儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于LED的無創血氧飽和度檢測儀，特別適用于醫療領域內臨床監護中對血氧飽和度的連續實時的檢測。
背景技術：
目前血氧飽和度的檢測手段分為有創測量和無創測量兩種方法。現有的有創檢測方法存在費時的缺點，易對患者造成痛苦甚至感染，且不能提供連續實時的血氧飽和度數據。本發明在朗伯-比爾定律的基礎上，利用血液中還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白在紅光和紅外光區獨特的吸收光譜來研究組織中血液成份。本發明可實現對人體內血氧飽和度連續、實時的測量，不會對人體造成損失，且具有結構簡單、使用靈活、結果安全可靠的優點，在醫療領域內臨床監護方面有廣泛的用途。
發明內容
本發明的目的是克服現有血氧飽和度檢測系統中存在的不足，提供ー種結構簡單、使用靈活、可精確測量的無創血氧飽和度檢測儀。本發明采用如下技術方案予以實現。本發明所述的血氧飽和度檢測儀主要包括硬件設計和軟件設計兩部分。本發明硬件設計部分的核心電路為人體檢測裝置連接電路，包含一個血氧探頭。所述的血氧探頭包括光源器件和探測器。光源器件固定在探頭上壁，為兩個并列放置的發光二極管，可分別發射紅光和紅外光，由LED驅動電路提供穩定合適的發光電源電流；探測器固定在探頭下壁，為ー個光電接收器件PIN光電ニ極管,可將透射過人體的紅光和紅外光轉換成電信號，所述的電信號為微弱的電流信號。當上述電路檢測到電流信號后，一方面信號經過電流反饋電路將信號反饋給主控芯片，主控芯片對信號進行判斷后發出數字指令，經A/D轉換電路后以模擬信號的形式傳送至LED驅動電路，使其提供發光所需的適宜電流；另ー方面電流信號經過ー級電流轉電壓放大電路后得到放大的電壓信號，經ニ級電壓放大電路得到數據采集卡可接收的電壓信號，再經低通濾波電路消除高頻噪聲的影響，最終得到與透射光強成正比的電壓信號。上述的放大、濾波電路均由電源穩壓模塊提供工作時穩定的電壓。所述的硬件設計部分電路還包括主控電路，包含工作指示電路與低壓報警電路。工作指示電路和低壓報警電路均由ー個電阻和發光二極管與單片機接ロ相連。當系統處于工作狀態時，工作指示燈處于亮狀態；當系統供電電壓，即鋰電池電壓低于18. 6V時，低壓報警燈處于亮狀態，發出報警信號，并將信號反饋至單片機控制系統，控制系統對信號進行分析后發出指令對鋰電池充電。所述的軟件設計部分的流程框圖如圖2。軟件程序主要實現兩路LED以一定頻率交替變換。程序開始后，先進行初始化，包括LED驅動電路的選擇觸發、A/D芯片的驅動、鋰電池電壓的判斷、電流反饋的精密調節等過程的初始化。初始化后判斷電源電壓和反饋電壓的大小，如果反饋電壓小于16. 8V，低壓報警系統工作，鋰電池進行充電；如果反饋電壓大于16. 8V，工作指示燈亮，并判斷系統是否有中斷指令。如沒有中斷判斷，則系統正常エ作。為實現后期兩路LED信號合成波的分離，在兩路LED信號交換間隔加入時間間隔相等的OV電平，使得兩路LED信號以102的形式工作，實現兩路LED以一定頻率交替變換。本發明與現有技術相比，它的優點是
I.采用無創式檢測系統檢測血氧飽和度，對人體不會造成損傷，且可實現連續實時的檢測。2.本發明采用PIN光電ニ極管作為探測器件，探測精度高，結果安全可靠。3.本發明結構簡單，使用靈活，應用前景廣泛。
圖I是本發明的硬件設計方框圖；圖2是本發明的軟件設計流程圖；圖3是指套式血氧探頭示意圖；圖4是電源穩壓電路原理圖；圖5是ー級電流轉電壓放大電路原理圖；圖6是ニ級電壓放大電路原理圖；圖7是低通濾波電路原理圖；圖8是主控電路原理圖；圖9是上電指示與充電指示電路原理圖；圖10是LED驅動電路原理圖；圖11是LED接頭電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進ー步的描述。本實施例以指套型血氧探頭為例。圖I為本發明的硬件設計部分方框圖，核心電路為手指檢測裝置連接電路，包含一個指套式血氧探頭。圖3為指套式血氧探頭示意圖，包括光源器件和光電接收器件。光源器件固定在探頭上壁，為兩個并列放置的發光二極管，可發出紅光與紅外光，由LED驅動電路提供穩定合適的發光電源電流。本實施例中兩個發光ニ極管分別發出660匪的紅光和940匪的紅外光。探頭的下壁是一個PIN光電ニ極管,可將透射過手指的紅光和紅外光轉換成電信號，所述的電信號為微弱的電流信號。PIN光電ニ極管具有高靈敏度、低暗電流和高帶寬的優點，因而能夠有效探測到微弱信號，并可克服后端運算放大器空載電流輸出對光敏部件輸出電流的影響。圖11為LED接頭電路原理圖。主控芯片通過軟件編程控制發光二極管發光，分別得到信號I、信號2、信號3。所述的信號3是在信號I和信號2交換間隔加入的時間間隔相等的OV電平。發射出的光經過人體后一部分透射出去，透射光信號4被探測器接收。圖10為LED驅動電路原理圖。其原理是利用整流電阻調節LED的偏置電流。本實施例中使用MAX1916高性能芯片的外圍電路驅動LED以一定頻率發光。MAX1916芯片通過對ー個電阻調節實現三只LED偏置電流的設置。本實施例中LED的發光頻率為500HZ。反饋信號經過A/D模數轉換后傳送至單片機控制系統，控制系統對信號進行分析后通過接ロ控制LED驅動芯片的使能端EN，實現對其電壓的調節。電路系統時刻監測驅動芯片端ロ電壓是否滿足正常工作電壓。當上述電路檢測到微弱的電流信號后，一方面該信號經過電流反饋電路將信號反饋給主控芯片，主控芯片對信號進行判斷后發出數字指令，經A/D轉換電路后以模擬信號的形式傳送至LED驅動電路，使其提供發光所需的適宜電流；另一方面該電流信號經過ー級電流轉電壓放大電路后得到放大的電壓信號，經ニ級電壓放大電路得到可處理的電壓信號，再經低通濾波電路消除高頻噪聲的影響，最終得到與透射光強成正比的電壓信號。圖5是ー級電流轉電壓放大電路原理圖。所述的放大電路采用負反饋電阻網絡的前置電流轉電壓放大電路，放大器正向輸入端采用暗電流小、線性度好的零偏置光電壓模 式。PIN光電ニ極管接收到的直流低頻弱信號從采集芯片的2管腳進入。所述的采集芯片可精確采集IOnW-IOOnW的直流弱信號。前置放大電路采用跨阻連接方式，跨接的反饋電阻R16不宣過大，否則電路穩定性變差，易造成干擾，測量時間長。本實施例中反饋電阻設置為IOOkQ。在反饋電阻上并接反饋電容C12，抑制平滑噪聲的干擾。本實施例中反饋電容設置為10pF。圖6是ニ級電壓放大電路原理圖。ニ級放大電路再次放大的目的是使電壓達到數據采集卡的電壓采集范圍，提高信號質量，不引起嚴重的信號失真。本實施例中數據采集卡的采集范圍為3-10V，經處理后的電壓信號為3V左右，故可實現數據采集過程。采集到的數據送至PC機內進行算法處理。圖中運算放大器芯片輸入電壓與輸出電壓滿足關系式
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1V OUTPUT2= X Voutputi。圖7是低通濾波電路原理圖。由于人體脈搏信號的頻率成份95%都集中在0. I 6Hz之間，在8Hz以下能量衰減達到_5分貝，在15Hz以上能量衰減達到_40分貝。為了減少高頻干擾，本實施例中設置ー個截止頻率為300Hz的低通濾波器，用以消除脈搏信號中高頻噪聲的干擾。當信號通過低通濾波器后，去除驅動光源的調制信號，此時6管腳輸出的信號即為與透射光強成正比的電壓信號，此電壓信號的波形攜帯有血氧飽和度的相關信
o 上述的兩級放大電路與低通濾波電路均由電源穩壓電路模塊提供工作時穩定的電壓。圖4為電源穩壓電路原理圖。電源穩壓電路由36V鋰電池供電，經過DC-DC穩壓模塊后產生兩路±15V直流電壓，再經過4個穩壓芯片產生電路所需的±12V、±5V的高穩定直流電壓。穩壓芯片輸入、輸出端各連接ー個電解電容，用以吸收接入外接電源瞬間產生的脈沖干擾，防止對后續電路發生反饋作用。所述的硬件設計部分電路還包括主控電路。圖8為主控電路原理圖。它是以單片機為核心的控制系統，包括工作指示電路與低壓報警電路。當系統處于工作狀態時，工作指示燈處于亮狀態；當系統供電電壓，即鋰電池電壓低于18. 6V時，低壓報警燈處于亮狀態，發出報警信號，并將信號反饋至單片機控制系統，控制系統對信號進行分析后發出指令對鋰電池充電。圖9是上電指示與充電指示電路。上電指示燈是ー個多功能總開關，當電路總開關開啟，系統工作且指示燈亮。當電路對鋰電池進行充電時充電指示燈亮。P1.0是電流反饋輸入端。由于上述LED的高穩定工作狀態對電源要求很高，所以采用光敏三極管采集LED燈背光信號作為反饋的調節信號，反饋的電流信號經A/D轉換后傳送至單片機控制系統，分析后輸出對應的PWM信號，調節LED驅動電路的輸出電流。圖2是軟件設計部分的流程框圖。所述的軟件程序主要實現兩路LED以一定頻率交替變換。程序開始后，先進行初始化，包括LED驅動電路的選擇觸發、A/D芯片驅動、鋰電池電壓判斷、電流反饋的精密調節等過程的初始化。初始化后判斷電源電壓和反饋電壓的大小，如果反饋電壓小于16. 8V，低壓報警系統工作，鋰電池進行充電；如果反饋電壓大于16. 8V，工作指示燈亮。再判斷系統是否有中斷指令，如沒有中斷判斷，則系統正常工作。為實現后期兩路LED信號合成波的分離，在兩路信號交換間隔加入時間間隔相等的OV電平， 使得兩路LED信號以102的形式工作，實現兩路LED以一定頻率交替變換。
權利要求
1.一種血氧飽和度檢測儀，包括主控電路、電源穩壓電路、人體檢測裝置，其特征在干，所述的主控電路是以單片機為核心的控制電路，所述的電源穩壓電路包含ー個DC-DC穩壓模塊，所述的人體檢測裝置包含一個血氧探頭。
2.如權利要求I所述的電源穩壓電路，其特征在于，所述的DC-DC穩壓模塊可產生穩定的直流電壓，此直流電壓經過穩壓芯片處理后可得到大小合適的直流電壓，為放大電路、低通濾波電路提供穩定的工作電壓。
3.如權利要求I所述的人體檢測裝置，其特征在于，所述的血氧探頭由光源器件和探測器組成，光源器件固定在探頭上壁，探測器固定在探頭下壁。
4.如權利要求3所述的血氧探頭，其特征在干，所述的光源器件為兩個并列放置的發光二極管。
5.如權利要求4所述的發光二極管，其特征在于，可由LED驅動電路按照一定的頻率發射紅光與紅外光。
6.如權利要求3所述的血氧探頭，其特征在于，所述的探測器為PIN光電ニ極管，可將接收到的光信號轉換為微弱的電流信號。
7.如權利要求6所述的探測器，其特征在于，接收到的電流信號經ー級電流轉電壓放大電路和ニ級電壓放大電路后，可將電壓信號放大至數據采集卡可接收范圍之內，得到與透射光強成正比的電壓信號。再經低通濾波電路濾去高頻噪聲，將最終信號傳送至數據采集卡。
8.如權利要求I所述的主控電路，其特征在于，可控制系統的正常工作，當系統供壓不足時，可觸發報警電路，并發出指令為鋰電池充電。
全文摘要
本發明主要實現一種基于LED的無創血氧飽和度檢測儀。本發明將血氧探頭設置在待測量部位，發射光源發射出紅光與紅外光，透射過人體后光電探測器將接受到的光信號轉換為微小的電流信號，此信號經采集后轉換為電壓信號并進行放大、濾波處理。放大后的電壓信號即為脈搏信號，其波形攜帶有血氧飽和度的相關信息。將此信號進入數據采集卡進行采集，并送入PC機進行算法處理。由于血液中還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白在紅光和紅外光區具有獨特的吸收光譜，因此可對組織中血液成份進行研究，從而探測出血氧飽和度信息。本發明可實現對人體內血氧飽和度連續、實時的測量，不會對人體造成損失，且具有結構簡單、使用靈活、結果安全可靠的優點。
文檔編號A61B5/1455GK102846323SQ201110183890
公開日2013年1月2日 申請日期2011年7月1日 優先權日2011年7月1日
發明者王樂, 梁培, 杜永博, 牛犖, 陳潔, 徐定科, 石巖, 黃杰 申請人:中國計量學院