专利名称：一种基于led的无创血氧饱和度检测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于LED的无创血氧饱和度检测仪，特别适用于医疗领域内临床监护中对血氧饱和度的连续实时的检測。
背景技术：
目前血氧饱和度的检测手段分为有创測量和无创测量两种方法。现有的有创检测方法存在费时的缺点，易对患者造成痛苦甚至感染，且不能提供连续实时的血氧饱和度数据。本发明在朗伯-比尔定律的基础上，利用血液中还原血红蛋白和氧合血红蛋白在红光和红外光区独特的吸收光谱来研究组织中血液成份。本发明可实现对人体内血氧饱和度连续、实时的測量，不会对人体造成损失，且具有结构简单、使用灵活、结果安全可靠的优点，在医疗领域内临床监护方面有广泛的用途。
发明内容
本发明的目的是克服现有血氧饱和度检测系统中存在的不足，提供ー种结构简单、使用灵活、可精确测量的无创血氧饱和度检测仪。本发明采用如下技术方案予以实现。本发明所述的血氧饱和度检测仪主要包括硬件设计和软件设计两部分。本发明硬件设计部分的核心电路为人体检测装置连接电路，包含一个血氧探头。所述的血氧探头包括光源器件和探測器。光源器件固定在探头上壁，为两个并列放置的发光二极管，可分别发射红光和红外光，由LED驱动电路提供稳定合适的发光电源电流；探測器固定在探头下壁，为ー个光电接收器件PIN光电ニ极管,可将透射过人体的红光和红外光转换成电信号，所述的电信号为微弱的电流信号。当上述电路检测到电流信号后，一方面信号经过电流反馈电路将信号反馈给主控芯片，主控芯片对信号进行判断后发出数字指令，经A/D转换电路后以模拟信号的形式传送至LED驱动电路，使其提供发光所需的适宜电流；另ー方面电流信号经过ー级电流转电压放大电路后得到放大的电压信号，经ニ级电压放大电路得到数据采集卡可接收的电压信号，再经低通滤波电路消除高频噪声的影响，最终得到与透射光强成正比的电压信号。上述的放大、滤波电路均由电源稳压模块提供工作时稳定的电压。所述的硬件设计部分电路还包括主控电路，包含工作指示电路与低压报警电路。工作指示电路和低压报警电路均由ー个电阻和发光二极管与单片机接ロ相连。当系统处于工作状态时，工作指示灯处于亮状态；当系统供电电压，即锂电池电压低于18. 6V时，低压报警灯处于亮状态，发出报警信号，并将信号反馈至单片机控制系统，控制系统对信号进行分析后发出指令对锂电池充电。所述的软件设计部分的流程框图如图2。软件程序主要实现两路LED以一定频率交替变换。程序开始后，先进行初始化，包括LED驱动电路的选择触发、A/D芯片的驱动、锂电池电压的判断、电流反馈的精密调节等过程的初始化。初始化后判断电源电压和反馈电压的大小，如果反馈电压小于16. 8V，低压报警系统工作，锂电池进行充电；如果反馈电压大于16. 8V，工作指示灯亮，并判断系统是否有中断指令。如没有中断判断，则系统正常エ作。为实现后期两路LED信号合成波的分离，在两路LED信号交换间隔加入时间间隔相等的OV电平，使得两路LED信号以102的形式工作，实现两路LED以一定频率交替变换。本发明与现有技术相比，它的优点是
I.采用无创式检测系统检测血氧饱和度，对人体不会造成损伤，且可实现连续实时的检测。2.本发明采用PIN光电ニ极管作为探测器件，探測精度高，结果安全可靠。3.本发明结构简单，使用灵活，应用前景广泛。
图I是本发明的硬件设计方框图；图2是本发明的软件设计流程图；图3是指套式血氧探头示意图；图4是电源稳压电路原理图；图5是ー级电流转电压放大电路原理图；图6是ニ级电压放大电路原理图；图7是低通滤波电路原理图；图8是主控电路原理图；图9是上电指示与充电指示电路原理图；图10是LED驱动电路原理图；图11是LED接头电路原理图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进ー步的描述。本实施例以指套型血氧探头为例。图I为本发明的硬件设计部分方框图，核心电路为手指检测装置连接电路，包含一个指套式血氧探头。图3为指套式血氧探头示意图，包括光源器件和光电接收器件。光源器件固定在探头上壁，为两个并列放置的发光二极管，可发出红光与红外光，由LED驱动电路提供稳定合适的发光电源电流。本实施例中两个发光ニ极管分别发出660匪的红光和940匪的红外光。探头的下壁是一个PIN光电ニ极管,可将透射过手指的红光和红外光转换成电信号，所述的电信号为微弱的电流信号。PIN光电ニ极管具有高灵敏度、低暗电流和高带宽的优点，因而能够有效探测到微弱信号，并可克服后端运算放大器空载电流输出对光敏部件输出电流的影响。图11为LED接头电路原理图。主控芯片通过软件编程控制发光二极管发光，分别得到信号I、信号2、信号3。所述的信号3是在信号I和信号2交换间隔加入的时间间隔相等的OV电平。发射出的光经过人体后一部分透射出去，透射光信号4被探測器接收。图10为LED驱动电路原理图。其原理是利用整流电阻调节LED的偏置电流。本实施例中使用MAX1916高性能芯片的外围电路驱动LED以一定频率发光。MAX1916芯片通过对ー个电阻调节实现三只LED偏置电流的设置。本实施例中LED的发光频率为500HZ。反馈信号经过A/D模数转换后传送至单片机控制系统，控制系统对信号进行分析后通过接ロ控制LED驱动芯片的使能端EN，实现对其电压的调节。电路系统时刻监测驱动芯片端ロ电压是否满足正常工作电压。当上述电路检测到微弱的电流信号后，一方面该信号经过电流反馈电路将信号反馈给主控芯片，主控芯片对信号进行判断后发出数字指令，经A/D转换电路后以模拟信号的形式传送至LED驱动电路，使其提供发光所需的适宜电流；另一方面该电流信号经过ー级电流转电压放大电路后得到放大的电压信号，经ニ级电压放大电路得到可处理的电压信号，再经低通滤波电路消除高频噪声的影响，最終得到与透射光强成正比的电压信号。图5是ー级电流转电压放大电路原理图。所述的放大电路采用负反馈电阻网络的前置电流转电压放大电路，放大器正向输入端采用暗电流小、线性度好的零偏置光电压模 式。PIN光电ニ极管接收到的直流低频弱信号从采集芯片的2管脚进入。所述的采集芯片可精确采集IOnW-IOOnW的直流弱信号。前置放大电路采用跨阻连接方式，跨接的反馈电阻R16不宣过大，否则电路稳定性变差，易造成干扰，測量时间长。本实施例中反馈电阻设置为IOOkQ。在反馈电阻上并接反馈电容C12，抑制平滑噪声的干扰。本实施例中反馈电容设置为10pF。图6是ニ级电压放大电路原理图。ニ级放大电路再次放大的目的是使电压达到数据采集卡的电压采集范围，提高信号质量，不引起严重的信号失真。本实施例中数据采集卡的采集范围为3-10V，经处理后的电压信号为3V左右，故可实现数据采集过程。采集到的数据送至PC机内进行算法处理。图中运算放大器芯片输入电压与输出电压满足关系式
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1V OUTPUT2= X Voutputi。图7是低通滤波电路原理图。由于人体脉搏信号的频率成份95%都集中在0. I 6Hz之间，在8Hz以下能量衰减达到_5分贝，在15Hz以上能量衰减达到_40分贝。为了减少高频干扰，本实施例中设置ー个截止频率为300Hz的低通滤波器，用以消除脉搏信号中高频噪声的干扰。当信号通过低通滤波器后，去除驱动光源的调制信号，此时6管脚输出的信号即为与透射光强成正比的电压信号，此电压信号的波形携帯有血氧饱和度的相关信
o 上述的两级放大电路与低通滤波电路均由电源稳压电路模块提供工作时稳定的电压。图4为电源稳压电路原理图。电源稳压电路由36V锂电池供电，经过DC-DC稳压模块后产生两路±15V直流电压，再经过4个稳压芯片产生电路所需的±12V、±5V的高稳定直流电压。稳压芯片输入、输出端各连接ー个电解电容，用以吸收接入外接电源瞬间产生的脉冲干扰，防止对后续电路发生反馈作用。所述的硬件设计部分电路还包括主控电路。图8为主控电路原理图。它是以单片机为核心的控制系统，包括工作指示电路与低压报警电路。当系统处于工作状态时，工作指示灯处于亮状态；当系统供电电压，即锂电池电压低于18. 6V时，低压报警灯处于亮状态，发出报警信号，并将信号反馈至单片机控制系统，控制系统对信号进行分析后发出指令对锂电池充电。图9是上电指示与充电指示电路。上电指示灯是ー个多功能总开关，当电路总开关开启，系统工作且指示灯亮。当电路对锂电池进行充电时充电指示灯亮。P1.0是电流反馈输入端。由于上述LED的高稳定工作状态对电源要求很高，所以采用光敏三极管采集LED灯背光信号作为反馈的调节信号，反馈的电流信号经A/D转换后传送至单片机控制系统，分析后输出对应的PWM信号，调节LED驱动电路的输出电流。图2是软件设计部分的流程框图。所述的软件程序主要实现两路LED以一定频率交替变换。程序开始后，先进行初始化，包括LED驱动电路的选择触发、A/D芯片驱动、锂电池电压判断、电流反馈的精密调节等过程的初始化。初始化后判断电源电压和反馈电压的大小，如果反馈电压小于16. 8V，低压报警系统工作，锂电池进行充电；如果反馈电压大于16. 8V，工作指示灯亮。再判断系统是否有中断指令，如没有中断判断，则系统正常工作。为实现后期两路LED信号合成波的分离，在两路信号交换间隔加入时间间隔相等的OV电平， 使得两路LED信号以102的形式工作，实现两路LED以一定频率交替变换。
权利要求
1.一种血氧饱和度检测仪，包括主控电路、电源稳压电路、人体检测装置，其特征在干，所述的主控电路是以单片机为核心的控制电路，所述的电源稳压电路包含ー个DC-DC稳压模块，所述的人体检测装置包含一个血氧探头。
2.如权利要求I所述的电源稳压电路，其特征在于，所述的DC-DC稳压模块可产生稳定的直流电压，此直流电压经过稳压芯片处理后可得到大小合适的直流电压，为放大电路、低通滤波电路提供稳定的工作电压。
3.如权利要求I所述的人体检测装置，其特征在于，所述的血氧探头由光源器件和探测器组成，光源器件固定在探头上壁，探測器固定在探头下壁。
4.如权利要求3所述的血氧探头，其特征在干，所述的光源器件为两个并列放置的发光二极管。
5.如权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，可由LED驱动电路按照一定的频率发射红光与红外光。
6.如权利要求3所述的血氧探头，其特征在于，所述的探测器为PIN光电ニ极管，可将接收到的光信号转换为微弱的电流信号。
7.如权利要求6所述的探測器，其特征在于，接收到的电流信号经ー级电流转电压放大电路和ニ级电压放大电路后，可将电压信号放大至数据采集卡可接收范围之内，得到与透射光强成正比的电压信号。再经低通滤波电路滤去高频噪声，将最终信号传送至数据采集卡。
8.如权利要求I所述的主控电路，其特征在于，可控制系统的正常工作，当系统供压不足时，可触发报警电路，并发出指令为锂电池充电。
全文摘要
本发明主要实现一种基于LED的无创血氧饱和度检测仪。本发明将血氧探头设置在待测量部位，发射光源发射出红光与红外光，透射过人体后光电探测器将接受到的光信号转换为微小的电流信号，此信号经采集后转换为电压信号并进行放大、滤波处理。放大后的电压信号即为脉搏信号，其波形携带有血氧饱和度的相关信息。将此信号进入数据采集卡进行采集，并送入PC机进行算法处理。由于血液中还原血红蛋白和氧合血红蛋白在红光和红外光区具有独特的吸收光谱，因此可对组织中血液成份进行研究，从而探测出血氧饱和度信息。本发明可实现对人体内血氧饱和度连续、实时的测量，不会对人体造成损失，且具有结构简单、使用灵活、结果安全可靠的优点。
文档编号A61B5/1455GK102846323SQ201110183890
公开日2013年1月2日 申请日期2011年7月1日 优先权日2011年7月1日
发明者王乐, 梁培, 杜永博, 牛荦, 陈洁, 徐定科, 石岩, 黄杰 申请人:中国计量学院