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1、现代医学仪器 课程实验指导 河北工业大学工程学院河北工业大学工程学院 生物医学工程专业生物医学工程专业 2016 年春季年春季 实验 一 血氧饱和度测量仪设计实验 一. 实验目的 1.了解血氧饱和度测试的意义和无创伤测试基本原理。 2.掌握血氧饱和度测试的基本方法。 3.了解血氧探头的构成及特性。 二. 实验的意义和原理 1.血氧饱和度测定的意义 血氧饱和度是衡量人体血液携带氧能力的重要参数。由于氧通过呼吸进入细胞进而被血红蛋白 所氧合是由多个环节组成，其中任何一个环节出现问题均可导致供氧障碍。监测动脉血氧饱和度可 以对肺的氧合和血红蛋白携带能力进行估计，在临床上具有重要的意义。 在临床实践中
2、，估计动脉氧合能力有多种方法，最常用的是取动脉血，但这种方法需要动脉穿 刺或者插管，且不能连续监测。 无创伤检测动脉血氧饱和度的方法，是一种采用脉搏血氧测量法的动脉血氧饱和度测量方法， 它的特点是能够在无创伤条件下实现连续测量动脉血氧饱和度，使用方便，应用前景广泛。 2.脉搏血氧测量法基本建模原理 脉搏血氧测量法的原理是基于光学定律-朗伯特比尔定律建立无创伤血氧饱和度测量的 模型和基于光学脉搏容积描记法建立动脉组织的模型。 比尔定律认为：光通过物质时，它的强度会或多或少的减弱，这种现象叫做光的吸收。实验证 明：当单色光通过溶液时，透射光的强度与溶液的浓度、厚度、入射光的波长有关。称为吸光度。
3、换言之，如果我们测出吸光度，而厚度、入射光的波长已知，则可以计算出溶液的浓度。脉搏血氧 测量正是利用了这一原理。 在脉搏血氧测量法中，假设忽略动脉血管中其它成份影响仅考虑氧合血红蛋白(HbO2)和还原血 红蛋白(Hb),则血氧饱和度 SpO2 的定义是： SpO2 HbHbO HbO CC C 2 2 表示氧合血红蛋白含量；表示还原血红蛋白含量。 2 HbO C HB C 两种血红蛋白在红光谱区吸收差别很大，而在近红外光谱区，吸收差别较小，所以不同氧饱和 度的血液光吸收程度主要与两种血红蛋白含量比例有关。也就是说由于在红光谱区和近红外光谱区 里，氧合血红蛋白和还原血红蛋白有自已独特的吸收光谱，
4、因此根据比尔定律可以决定血红蛋白含 量的相对百分比，即血氧饱和度。 为了把问题简化，脉搏血氧测定法假设的组织模型由两部份组成：无血组织（皮肤，骨骼，静 脉血等）表现为固定的光吸收，即直流成份。而动脉血管（由氧合血红蛋白和还原血红蛋白组成的 动脉血液）则为脉动变化的光吸收，即交流变化的信号。假定光衰减量的变化完全是由于动脉容积 搏动所引起，从而就可以从光的总衰减量中除去直流成份，用余下的交流成份进行分光光度分析， 计算出动脉血氧饱和度。 SpO2 K1R+K2R+K3 式中，K1,K2,K3 是经验常数，而 R 是在某个很小的时间间隔上，两种光电信号幅度变化量之 比。 3.动脉血氧探头 动脉血氧
5、探头是由红光发光二极管、近红外发光二极管和高性能光敏二极管组成的混合光学传 感器。使用波长 660nm 的红光和 940nm 的近红外光作为射入光源，利用手指作为盛装血红蛋白的透 明容器，测定通过手指的光传导强度，来计算血红蛋白浓度和血氧饱和度。一般认为 SpO2 正常应 不低于 94。 探头上壁固定两个并列的发光二极管，下壁有一个光电检测器将透过手指的红光和红外光转换 成电信号，它所检测到的信号越弱，表示光信号穿透指尖时，被那里的组织、血液吸收掉的越多。 4.电路实现原理 R ED -LED IR -LED 义义义义义义义 +5VA -5VA R 84 1K R 83 1K R 86100K
6、 R 85100K R 88 10k R 87 10k R 89 10k R 90 10k C 64473 C 63473 C 65683 R 9415K R 92 5.1K 4 3 2 5 6 1 N ET_IR _LE D N ET_R ED _LED N ET_P IN + N ET_P IN - NET _PIN+ N ET_P IN - C 59 104 C 60 104 +5VA -5VA +5VD LA M P 义义义 义义义 1 2 34 5 6 义义义义义义义义义义 R 91 1M C 66 105 C 70473 R 93 5.1K C 68 105 C 69 105 R
7、95 15K 3 2 1 84 U 31A O P A 2277 5 6 7 U 31B O P A 2277 NET _IR_LEDNET _RED_LED R 107 200R W 9 (W X D 3-13) 100K R 100 200R W 8 (W X D 3-13) 10K Q10 9012 Q11 9012 Q12 9013Q13 9013 Q14 9013 Q15 9013 R 101 1K R 102 1K R 103 2K R 104 2K R 105 51 R 106 51 +5VA PC4PC5 R W 10 (3296) 100 R W 11 (3296) 100
8、AD7 AD6 R 98 33K R 99 33K R 96 51K R 97 51K R W 7 (W X D 3-13) 10K -5VA +5VA -5VA+5VA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 J5 C O N 26 A D 6 A D 7 LA M P +5V A -5V A G N D G N D +5V D C 71105 Q17 9013 Q16 9013 C 77683 P C 4 P C 5 3 2 6 74 U 29 O P A 277 3 2 6 74 U 28
9、O P A 277 +5VA -5VA +5VA -5VA 3 2 6 74 U 32 O P A 277 +5VA -5VA 3 2 6 74 U 33 O P A 277 +5VA -5VA 3 2 6 74 U 34 O P A 277 +5VA -5VA 3 2 1 84 U 35A O P A 2277 +5VA -5VA 3 2 6 74 U 30 O P A 277 C 61 104 C 62 104 C 67 104 C 72 104 C 73 104 C 78 104 C 75 104 C 76 104 C 81 104 C 79 104 C 80 104 C 82 104
10、V 1 V 3 V 4 V 5 V ac V dc V 2 I1I2 (1) (2) (3) C 74 104 图 2. 71 动脉血氧饱和度测试电路原理图 上图中，左上的标有(1)的部分是探头电路结构图。RED-LED 是红光发光二极管，IR-LED 是近 红外发光二极管，其右边是光敏二极管。 右上的标有(2)的部分是发光管驱动电路。为了保证光源的稳定，发光二极管采用恒流源进行 驱动。PC4,PC5 是主板通过程序发出的控制信号，例如，当 PC5=1 时，Q14、Q10、Q15、Q17 导通， +5V 通过 Q10 的集电极加到红外管的阳极，Q15 的集电极加到红外管的阴极，向近红外二极管提
11、供 稳定的电流，使之发光。同理，当 PC4=1 时，红光二极管获得电流发光。这样，PC4 和 PC5 交替控 制相应的电路工作，形成产生控制红光、红外光发光的时序信号。 上图中下方标有(3)的部分是同步解调放大电路。负责将两路微弱的脉搏信号从干扰信号中检 测出来，将信号同步解调还原，再从中分离出交流信号 AC,直流信号 DC 和放大滤波到一定数值， 提供给计算机进行模数转换及处理。图中 AD7 是直流信号，AD6 是交流信号。为了避免 AD6 出现负 信号，在交流信号通道中，设有基准电平调整电路。 三、实验步骤和测试结果 图 2.72 血氧饱和度测试电路布局图 1、将血氧模板固定于主板上方，但
12、模板上方的 26 芯插座(J5)与主板的 26 芯插座(J2)不连接。 图 2.73 血氧探头驱动电路布局图 用连接线将模板 PC4 插孔及+5VA 插孔与主板右侧的 4.05V 插孔相连。使模板获得电源，同时 用连接线将模板右侧 GND 插孔与主板 GND 插孔相连，将模板下部 GND 插孔与 PC5 插孔相连。 装上血氧探头，取下短路器 J7,使其开路。开启主板电源，用电流表测量 I2(1)插孔与 I2(2) 插孔之间的电流，上面插孔 I2(1)为正端，应为 10mA 左右，如果偏离，调整 RW10。调整以后拔除 连接线，插上 J7。 用连接线将 PC5 插孔与主板左侧的 4.05V 插孔
13、相连，同时用连接线将模板右侧 GND 插孔与主板 GND 插孔相连，模板的下部 GND 孔与 PC4 插孔相连。 取下短路器 J6,使其开路。开启主板电源，用电流表测量 I1(1)插孔与 I1(2)插孔之间的电流， 上面插孔 I1(1)为正端，应为 10mA 左右，如果偏离，调整 RW11。调整以后拔除连接线，插上 J6。 2、断开电源，将模板 J5 与主板 J2 用扁平线相连，PC4 接+5VA,PC5 接 GND。接通电源。 图 2.74 交直流信号调理电路布局图 将食指或中指放入血氧探头，用示波器观察 V4 输出，应有波形出现，其峰峰值应为 4V 左右。 如果不是，调整 RW9,一般 R
14、W9 阻值在 30K-35K 范围，可用万用表测量，测量方法将表笔放入连接 RW9 两端标注为 1 和 2 的两个插孔。然后观测 VAC 波形，其基准应在 0V 以上，以适应 A/D 转换的 需要，幅度为 04.5V,若不符合，调整 RW7,一般 RW7 的 2 与 1 之间电阻为 6K 左右，2 与 3 之间电 阻为 4K 左右。测量 RW7 须将模板与主板连接断开。 3、 将手指放入血氧探头，用示波器观察 VDC 波形，调节 RW8，使幅值为 2.0V 左右的直流信 号，如前所述，这是从探头的输出信号中分离出来的直流分量，如果幅值过大或过小，可调整放大 器的反馈电阻 RW8,一般，RW8
15、阻值在 4.5K5.5K 之间。可预先调好，调整 RW8 的方法与 RW9 类似。 4、 拔除 PC4,PC5 上的连线。在实验箱主板 USB 指示灯亮的情况下，点击计算机主菜单“血氧 饱和度实验”按钮进入血氧饱和度测试，显示如下： 图 2.75 5、 测试者将探头夹住手指，不要说话、动作，在实验箱主板 USB 指示灯亮的情况下，点击 “测试” 按钮，血氧饱和度测试开始，此时从探头采集到的波形显示在屏幕上，其中显示的曲线 分别为透射过来的红光波形和红外光波形。左边数码管显示血氧饱和度，右边数码管显示心率，且 实时刷新。如下图所示： 图 2.76 6、 当显示的波形符合脉搏波形，可以点击“停止”
16、按钮，此时屏幕上的波形停止滚动，显示 当前的波形和当前的血氧饱和度及心率，若再点击“测试”按钮则继续测试，如下图所示： 7、 保存测试波形的方法：当测试结束（即点击“停止”按钮后，波形显示不再变化） ，点击 “保存”按钮将测试的数据保存为文本文件，测试的波形将保存为“*.SP0”格式或者“*.txt”的 文件。学生可在老师指导下编写计算机程序，调用文本文件。 8、 点击“打开”按钮可以打开已保存的文件，方法如下： 图 2.78 9、实验完毕，插线除去。 四、实验总结 （1）实验原理总结 血氧饱和度是衡量人体血液携带氧能力的重要参数。由于氧通过呼吸进入细胞进而被血红蛋白 所氧合是由多个环节组成，其中任何一个环节出现问题均可导致供氧障碍。监测动脉血氧饱和度可 以对肺的氧合和血红蛋白携带能力进行估计，在临床上具有重要的意义。 （2）实验过程总结 实验过程简单，易于操作。 （3）实验心得与创新性设想 通过本次实验，明白了血氧饱和度测量的原理。 实实验验 二二 脉脉搏搏波波波波速速测测试试仪仪设设计计实实验验 一. 实验目的 1、了解脉搏波
