基于labview的無(wú)創(chuàng)血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1血氧飽和度檢測(cè)方法血氧飽和度是反映人體健康狀況的重要生理參數(shù)。血氧飽和度表征了人體血液的含氧量,能有效反應(yīng)人體循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的生理狀態(tài),在病情診斷與健康監(jiān)護(hù)方面發(fā)揮著積極的作用［１～３］。血氧飽和度的監(jiān)測(cè)可為早期發(fā)現(xiàn)去氧飽和血癥與低氧血癥提供可靠的手段。當(dāng)患者出現(xiàn)去氧飽和血癥與低氧血癥時(shí),臨床上往往不出現(xiàn)心率、呼吸的變化和心電圖的改變,早期發(fā)現(xiàn)這些情況可對(duì)患者及時(shí)搶救［４，５］。傳統(tǒng)的血氧飽和度測(cè)量方法是先進(jìn)行人體采血,再利用血?dú)夥治鰞x進(jìn)行電化學(xué)分析,測(cè)出血氧分壓后計(jì)算出血氧飽和度。這種方法過(guò)程繁瑣,不能進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),而且屬于有創(chuàng)測(cè)量［６，７］。現(xiàn)今,無(wú)創(chuàng)血氧檢測(cè)方法已得到很好的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)檢測(cè),且數(shù)據(jù)可靠［８］。但臨床上使用的血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀以?shī)A指式光電傳感器為主,多為透射式原理。在連續(xù)監(jiān)測(cè)過(guò)程中,由于夾指時(shí)間過(guò)長(zhǎng),易導(dǎo)致患者手指脹痛、麻木而產(chǎn)生厭惡情緒。本文提出一種光電反射式脈搏血氧監(jiān)測(cè)方法,可緩解患者的痛苦,提高監(jiān)測(cè)效果。2測(cè)量原理和算法2.1光強(qiáng)的散射途徑檢測(cè)人體自由組織中氧合血紅蛋白的表達(dá)透射式血氧傳感探頭光源與檢測(cè)器在被檢測(cè)部位的兩側(cè),主要接收穿透人體組織后的透射光。反射式血氧傳感探頭光源與檢測(cè)器均置于被檢測(cè)部位的同一側(cè),主要接收經(jīng)人體組織后的反射光［９］。反射式傳感探頭的工作原理,如圖1所示。光在生物組織中的傳播規(guī)律可用傳播理論的粒子描述。依據(jù)光的擴(kuò)散傳輸理論,光子的傳播行為可以用組織光學(xué)特性參數(shù)描述,如用吸收系數(shù)和散射系數(shù)可描述組織對(duì)入射光的吸收和散射能力的大小等［１０～１２］。光子密度波在多重散射介質(zhì)中傳輸時(shí),其傳輸方程的擴(kuò)散方程近似為式中:c為光速;Φ(r,t)為(r,t)點(diǎn)處光子密度;μａ和D為多散射介質(zhì)中的吸收系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù);S(r,t)為光源項(xiàng)。擴(kuò)散系數(shù)D=1/3[μａ+(1-g)μｓ],其中μｓ為散射系數(shù),μｓ=1/lｓ,lｓ為散射平均自由程,g稱(chēng)為散射各向異性因子(數(shù)值為散射角余弦的平均值),(1-g)μｓ為有效散射系數(shù)或等效各向同性散射系數(shù)。Patterson等［１３］人根據(jù)光子擴(kuò)散方程式(1)以及時(shí)間分辨光譜技術(shù),給出反射式光強(qiáng)公式式中,ρ是坐標(biāo)中光源與檢測(cè)器之間的距離。對(duì)式(2)取e的對(duì)數(shù),并對(duì)t求導(dǎo)數(shù),得到當(dāng)經(jīng)過(guò)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí),式(3)近似等于-μａc因此,反射光強(qiáng)的變化W與吸收系數(shù)μａ成正比關(guān)系,即根據(jù)Lambert—Beer定律,當(dāng)一束光強(qiáng)為I０的光垂直照射一分子濃度為C的樣品時(shí),透射光光強(qiáng)I和I０存在［１４］式中,ε(λ)為樣品分子對(duì)波長(zhǎng)λ的吸光系數(shù);L為光的路徑。對(duì)式(5)進(jìn)行變換,得到吸收系數(shù)μａ為假設(shè)εＨｂ、CＨｂ分別為動(dòng)脈血液中還原血紅蛋白的吸光系數(shù)與濃度;εＨｂＯ２、CＨｂＯ２分別是動(dòng)脈血液中氧合血紅蛋白的吸光系數(shù)與濃度;當(dāng)選擇紅光與紅外光兩束光探測(cè)人體組織時(shí),僅考慮還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白的影響,兩個(gè)波長(zhǎng)下的吸收系數(shù)可按式(6)分別寫(xiě)成光通過(guò)組織和血管時(shí),可分為非脈動(dòng)成分(如皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等)和脈動(dòng)成分(如動(dòng)脈血),即可稱(chēng)為直流量和交流量。因此,光強(qiáng)在組織中的變化率W=IＡＣ/IＤＣ,結(jié)合式(4)、(7)和(8),根據(jù)雙光束法得到由式(9)得出將式(11)帶入得出選擇紅外波為等吸收點(diǎn),此時(shí)εＨｂＩＲ=εＩＲＨｂＯ２。整理式(12)得式中,εＨｂＩＲ、εＲＨｂ和εＲＨｂＯ２均為常數(shù),可采用時(shí)域或頻域的光譜分析法獲得。結(jié)合式(10),可將式(13)改寫(xiě)為式中,k１、k２為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。由式(14)可知,反射式血氧飽和度測(cè)量可以通過(guò)光電容積脈搏波信號(hào)的交流與直流信息計(jì)算得到。2.2bmp的信號(hào)描述脈率是脈搏搏動(dòng)的頻率,一般用1min內(nèi)搏動(dòng)的次數(shù)(BMP)表示。脈搏波信號(hào),如圖2所示。脈率可以用兩個(gè)脈搏峰時(shí)間差(T２-T１)的倒數(shù)乘以60s,經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算即可獲得脈率。3測(cè)量系統(tǒng)3.1測(cè)量設(shè)備如圖3所示,實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置包括反射式脈搏血氧傳感器、前端電路、NIUSB-6353DAQ數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)4部分。3.2數(shù)據(jù)處理函數(shù)基于圖形化編程語(yǔ)言的LabVIEW提供了功能強(qiáng)大的函數(shù)模塊庫(kù),包含數(shù)學(xué)、儀器I/O和信號(hào)處理等方面的函數(shù)［１５］。利用強(qiáng)大的軟件功能進(jìn)行設(shè)計(jì),可以節(jié)省大量硬件電路設(shè)計(jì)的時(shí)間,同時(shí)增加了數(shù)據(jù)處理的精度,有效避免過(guò)程處理中引入的噪聲和信號(hào)失真,使信號(hào)保持較高的真實(shí)性［１６］。LabVIEW程序框圖如圖4所示。4氧飽和度監(jiān)測(cè)儀測(cè)試測(cè)試對(duì)象選擇10名輕癥患者,無(wú)心肺疾病及任何家族史。分別采用本文設(shè)計(jì)和臨床用血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀對(duì)患者進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。每人測(cè)量5min,觀察數(shù)據(jù)穩(wěn)定變化后記錄數(shù)據(jù),結(jié)果見(jiàn)表1、表2。表中,Monitor為本文設(shè)計(jì),Prototype為臨床用血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀,Error為二者之間的誤差。二者測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線,如圖5所示。5結(jié)果分析基于反射式光電傳感器,利用LabVIEW軟件及NIUSB-6353DAQ數(shù)據(jù)采集器,搭建了血氧飽和度測(cè)量系統(tǒng),并與臨床用血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn),兩者血氧飽和度測(cè)量結(jié)果平均誤差為0.2%,脈率測(cè)量結(jié)果平均誤差為0.8time/m