一种抗环境光干扰的血氧测量装置制造方法
【专利摘要】本实用新型一种抗环境光干扰的血氧测量装置，设置有：发光模块、光接收模块、电流电压转换模块、模数转换模块、信号处理模块；还设置有补偿模块，该补偿模块设置于光接收模块和电流电压转换模块之间，并分别与光接收模块、电流电压转换模块、信号处理模块连接，用于根据信号处理模块输出的信号，滤除所述光接收模块输出的干扰光电流；由于补偿模块直接与光接收模块连接，可以直接滤除光接输出的干扰光电流，在源头上避免了干扰光电流的混入，有效的提高了测量装置的信噪比。
【专利说明】一种抗环境光干扰的血氧测量装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种无创血氧测量设备，尤其涉及一种抗环境光干扰的血氧测量装置。【背景技术】
[0002]血氧又叫血氧饱和度，血氧饱和度是衡量人体血液携带氧的能力的重要参数，通过血氧饱和度的测量，可以及时了解患者的血氧含量，具有极重要的临床价值。
[0003]无创血氧测量主要采用光电技术，通常有两种方法:投射法和反射法。光电技术是通过发射一束光通过照射至人体的特定部位，光通过透射或反射至光接收模块，不同的血氧饱和度和不同的脉率均会导致光接收模块产生的光电流信号强度不一样，据此可以检测出血氧饱和度和脉率。
[0004]血氧的检测电路都包含电流电压转换(即电流转电压)电路，这种转换通常做法是采用运算放大器实现，为实现高的信噪比，我们通常希望该电路具有尽可能大的信号增益，即接收到最大光电流时，电流电压转换模块输出的电压应接近运算放大器的最大输出电压。但实际情况下，由于外界环境光(太阳光、照明灯光、用于疾病治疗的医用光源等)的光谱与光接收模块的接收光谱有重叠的部分，那么当这些光照射到光接收模块时，必然会产生光电流，这些光电流与测量中发光模块产生的光电流发生混叠，光电流强度大幅度提升的同时也增大了测量电路的误差，最严重时会造成电流电压转换模块中的运算放大器饱和，导致血氧测量失效。
[0005]而目前环境光滤除单元是基于电压的方式来进行干扰滤除，这必须在该环境光滤除单元前设置有电流电压转换模块，为其转换和处理光信号。容易使电流电压转换模块饱和的同时，也不可避免的将一些光干扰信号处理为有效信号，从而导致血氧测量设备误差大，信噪比低，甚至测量失效。
【发明内容】
[0006]本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构相对简单，信噪比高的的血氧测量装置。
[0007]—种提高血氧抗环境光测量的装置，设置有:用于提供有效光源的发光模块；用于接收所述发光模块照射被测体后的折射光及反射光并转换为光电流的光接收模块；与所述光接收模块连接，用于将其输出的光电流转换成光电压的电流电压转换模块；与所述电流电压转换模块连接，用于将其输出的模拟信号转换为数字信号的模数转换模块；与所述模数转换模块连接，用于对其输出的数字信号进行相应算法处理的信号处理模块；
[0008]还设置有补偿模块，该补偿模块设置于所述光接收模块和所述电流电压转换模块之间，并分别与所述光接收模块、所述电流电压转换模块、所述信号处理模块连接，用于根据所述信号处理模块输出的信号，滤除所述光接收模块输出的干扰光电流。
[0009]进一步的，所述补偿模块包括有数模转换电路、信号调理电路、电流注入电路；[0010]所述数模转换电路分别与所述信号处理模块、所述信号调理电路连接，用于将所述信号处理模块输入的补偿信号转换为模拟信号输出至所述信号调理电路；
[0011]所述信号调理电路包括:第一运算放大器、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、接地端子、输出电压端子Vref ;
[0012]所述第一电阻一端连接至所述数模转换电路，另一端串联至第一运算放大器反向输入端；所述第一运算放大器输出端与所述第三电阻、所述Vref输出端子、所述第三电容、所述接地端子顺序串联；所述第四电容并联于所述第三电容两端；所述第二电容并联于所述第一运算放大器的反向输入端及输出端；所述第二电阻并联于所述第一运算放大器反向输入端及所述输出电压端子Vref ;所述第一电容并联于所述第二电阻两端；所述第一运算放大器非反向输入端与所述地线端子连接；
[0013]所述电流注入电路设置有第八电阻，所述第八电阻一端连接至所述输出电压端子Vref，另一端接入光接收模块与电流电压转换模块间的结点；用于根据所述数模转换电路输入的信号向所述电流电压转换模块输出补偿电流。
[0014]再进一步的，所述电流电压转换模块还包括辅助电流电压转换单元；所述辅助电流电压转换单元分别与所述光接收模块、所述信号处理模块连接，用于提供多一组转换接Π ；
[0015]所述电流注入电路还设置有第九电阻，用于提供多一个电流注入接口。
[0016]作为一种改进，所述补偿模块还包括信号反相电路；
[0017]所述信号反向电路包括第四电阻、第五电阻、第二运算放大器，所述电流电压转换模块的共模电压端子Vcom ；
[0018]所述第四电阻一端连接至所述输出电压端子Vref，另一端连接至第二运算放大器反向输入端；所述第五电阻并联在所述第二运算放大器反向输入端与第二运算放大器输出端之间；所述共模电压端子连接至所述第二运算放大器非反向输入端；所述第九电阻一端连接至第二运算放大器输出端，另一端接入光接收模块与辅助电流电压转换单元间的结点，用于对所述输出电压端子Vref输出的电压以所述电流电压转换模块的共模电压Vcom为中心进行反相，产生一对以所述电流电压转换模块的共模电压Vcom为中心对称的电压。
[0019]再者，所述第八电阻与所述第九电阻设置为可调式电阻。
[0020]再进一步的，在所述电流电压转换模块与所述模数转化模块之间还设置有信号调理模块，所述信号调理模块分别与所述电流电压转换模块、所述模数转换模块连接，用于当模数转换模块中未集成放大滤波电路时，对所述电流电压转换模块输出的光电压信号进行放大和/或滤波操作，并输出给所述模数转化电路。
[0021]本实用新型一种抗环境光干扰的血氧测量装置通过采用基于调整电流的补偿模块同时，避免了在补偿模块前增加信号转换单元，并从源头上避免了测量设备对干扰信号的处理而造成的误差，提高了测量的精确地，使本实用新型一种抗环境光干扰的血氧测量装置具有更广泛的使用范围，克服了现有技术中的不足。
[0022]【专利附图】
【附图说明】
[0023]为了易于说明，本实用新型由下述的【具体实施方式】及附图作详细描述。
[0024]图1为本实用新型一种抗环境光干扰的血氧测量装置的基本结构示意图；
[0025]图2为本实用新型一种抗环境光干扰的血氧测量装置的改进结构示意图；[0026]图3为本实用新型一种抗环境光干扰的血氧测量装置的补偿模块的电路示意图；
[0027]图4为本实用新型一种抗环境光干扰的血氧测量装置的补偿模块的改进电路示意图。
[0028]【具体实施方式】
[0029]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。
[0030]如附图1-4所示，一种提高血氧抗环境光测量的装置，设置有:用于提供有效光源的发光模块101 ;用于接收所述发光模块101照射被测体后的折射光及反射光并转换为光电流的光接收模块102 ;与所述光接收模块102连接，用于将其输出的光电流转换成光电压的电流电压转换模块104 ;与所述电流电压转换模块104连接，用于将其输出的模拟信号转换为数字信号的模数转换模块106 ;与所述模数转换模块106连接，用于对其输出的数字信号进行相应算法处理的信号处理模块107。
[0031]还设置有补偿模块103，该补偿模块103设置于所述光接收模块102和所述电流电压转换模块104之间，并分别与所述光接收模块102、所述电流电压转换模块104、所述信号处理模块107连接，用于根据所述信号处理模块107输出的信号，滤除所述光接收模块102输出的干扰光电流。
[0032]进一步的，所述补偿模块103包括有数模转换电路301、信号调理电路302、电流注入电路304。
[0033]所述数模转换电路301分别与所述信号处理模块107、所述信号调理电路302连接，用于将所述信号处理模块107输入的补偿信号转换为模拟信号输出至所述信号调理电路 302。
[0034]所述信号调理电路302包括:第一运算放大器opal、第一电容Cl、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第一电阻rl、第二电阻r2、第三电阻r3、接地端子、输出电压端子Vref输出端子O。
[0035]所述第一电阻rl 一端连接至数模转换电路301，另一端串联至第一运算放大器opal的反向输入端；所述第一运算放大器输出端与所述第三电阻r3、所述输出电压端子Vref、所述第三电容c3、所述接地端子O顺序串联；所述第四电容c4并联于所述第三电容c3两端；所述第二电容c2并联于所述第一运算放大器opal的反向输入端及输出端；所述第二电阻r2并联于所述第一运算放大器反向输入端及所述输出电压端子Vref ;所述第一电容Cl并联于所述第二电阻r2两端；所述第一运算放大器opal的非反向输入端与所述地线端子O连接。
[0036]所述电流注入电路304设置有第八电阻r8，所述第八电阻r8—端连接至所述输出电压端子Vref，另一端接入光接收模块102与电流电压转换模块104间的结点；用于根据所述数模转换电路301输入的信号向所述电流电压转换模块104输出补偿电流。
[0037]再进一步的，所述电流电压转换模块104还包括辅助电流电压转换单元1041 ;所述辅助电流电压转换单元1041分别与所述光接收模块102、所述信号处理模块107连接，用于提供多一组转换接口。
[0038]所述电流注入电路304还设置有第九电阻r9，用于提供多一个电流注入接口。
[0039]作为一种改进，所述补偿模块103还包括信号反向电路303。[0040]所述信号反向电路303包括第四电阻r4、第五电阻r5、第二运算放大器opa2，所述电流电压转换模块104的共模电压端子Vcom。
[0041]所述第四电阻r4 一端连接至所述输出电压端子Vref，另一端连接至第二运算放大器opa2的反向输入端；所述第五电阻r5并联于所述第二运算放大器opa2的反向输入端与第二运算放大器opa2的输出端之间；所述共模电压端子Vcom连接至所述第二运算放大器opa2的非反向输入端；第九电阻r9 一端连接至第二运算放大器opa2的输出端,另一端接入光接收模块102与辅助电流电压转换单元1041间的结点，用于对所述输出电压端子Vref输出的电流以所述电流电压转换模块104的共模电压为中心进行反相，产生一对以所述电流电压转换模块104的共模电压为中心对称的电压。
[0042]再者，所述第八电阻r8与所述第九电阻r9设置为可调式电阻。
[0043]又一步的，在所述电流电压转换模块104与所述模数转化模块106之间还设置有信号调理模块105，所述信号调理模块105分别与所述电流电压转换模块104、所述模数转换模块106连接，用于当模数转换模块106中未集成放大滤波电路PGA时，对所述电流电压转换模块104输出的光电压信号进行放大和/或滤波操作，并输出至所述模数转化电路106。
[0044]具体的说，如图1、2所示:
[0045]光源。该光源为发光模块101发出的光和环境光即干扰光。
[0046]光接收模块102。接收发光模块101发出的光，同时还会接收到部分外界环境光；并将接收到的光信号转换成电流信号，这部分电流信号包含了发光模块产生的电流信号和环境光的干扰电流信号。
[0047]补偿模块103。补偿模块103即为一个输出电流可调的恒流源电路，用于抵消环境光产生的干扰光电流。补偿电路包括数模转换电路301、信号调理电路302、信号反相电路303、电流注入电路304四个单元电路。
[0048]电流电压转换模块104。将补偿之后的光电流转换成电压信号,若环境光产生的电流补偿不充分，输出的电压信号将会含有一定的直流成分，因其幅度很低，不会导致测量电路饱和，且信号处理模块107可轻易对这部分干扰信号进行处理，在故其影响可以忽略。
[0049]信号调理模块105。这部分电路可对信号进行放大和/或滤波操作。根据具体的应用，若模数转换模块(ADC)内部集成了放大器，滤波可以在电流电压转换模块104中进行硬件滤波或/和信号处理模块107中进行数字滤波，那么信号调理模块105可以省略。
[0050]模数转换模块106。模数转换是将信号调理模块105输出的模拟信号转换成数字信号(若信号调理模块105被省略，则直接将电流电压转换模块104输出的信号转换成数字信号)，为信号处理模块107的数字信号处理做准备。
[0051]数字信号处理107。将模数转换得到的数字信号进行算法处理，算法处理包括控制补偿模块103输出所需的补偿电流以及血氧、脉率的计算等。
[0052]光接收模块102接收所有在其接收光谱范围内的光源，将光能转换为电能，即转换成电流信号。
[0053]光接收模块102输出的电流信号包含了发光模块产生的光电流或/和环境光产生的干扰光电流。
[0054]发光模块101发射的光是一种具有一定电流大小、一定频率、一定占空比的光,透过人体特定部位之后，光接收模块102将接收的光转换成电流信号，该电流为方波，波峰具有一定的幅度，波谷为O。
[0055]在血氧的测量过程中，环境光被光接收模块102接收之后转换成电流，但因环境光变换缓慢，可认为这部分电流为直流电流。那么，在存在环境光影响的情况下，光接收模块102输出的电流为具有一定偏置的方波电流信号,其方波的波谷即为环境光产生的光电流，波峰至波谷电流为发光模块102的光线透过人体特定部位后产生的光电流。
[0056]补偿模块103为一个可调的恒流源发生电路，利用了环境光产生的电流为直流的特点，根据信号处理模块输出信号，输出一个与环境光相等的电流将其抵消，那么剩余的电流就只剩下发光模块的光线透过人体特定部位后产生的光电流。
[0057]本实用新型设计了一个闭环控制系统，通过信号处理模块107接收的干扰电流信号，计算得出该光电流的干扰直流分量，然后通过补偿电流输出一个与之对应的补偿直流分量进行抵消，这样便实现了不同外界光照下的补偿，提高了血氧测量的准确性及可靠性。 [0058]经补偿之后，只剩下发光模块的光线透过人体特定部位产生的光电流，即方波电流的波谷为O。在实际的控制中，环境光产生的电流允许有少量剩余，剩余部分由107进行处理。
[0059]实施例一
[0060]如图3所示，补偿电路包括数模转换电路(DAC) 301、信号调理电路302、电流注入电路304三个单元电路，电流电压转换模块104为较为通用的电流电压转换电路，信号调理模块105对信号进行程控放大以满足不同信号强度的需求，并且直接对信号进行模数转换。该实施例没有专门设计信号调理模块105，只由图中C5对信号进行简单的滤波。该方案针对单端电流转换电路，所谓单端电流转换即电流电压转换模块104输入为单端。补偿
电流公式为-J = ^。
[0061]数模转换电路(DAC) 301，输出可调电压。模数转换器使用的基准源、位数决定了输出电压精度和电压调节步长。例如，一个12位的模数转换器，基准源为2.5V，那么，
[0062]可调节的数字量为:
[0063]D= 2M-1= 212-1 = 4095
[0064]输出电压精度为:
[0065]Vw啊=^ X fV XI = Ix 2,5x = 0.305? F
[0066]调节步长为:
[0067]Vsttp = VMFy--^ = 2.5x^jj = 0.61?F
[0068]因此，需要根据具体血氧测量应用选择合适的模数转换器，通常使用微控制器(107)内部集成的模数转换器即可满足要求。
[0069]信号调理电路302，对301输出电压进行放大及滤波处理，以降低信号噪声，该电路输出电压用Vref表示。若301输出噪声很低，那么这部分电路可以去除。
[0070]电流注入电路304，也称之为电压电流(即V-1电压转换电流)转换电路。该电路由一个或两个阻值相同的电阻R8或R8、R9实现，R8、R9阻值与信号调理电路302输出的电压共同决定了补偿电流的大小，通过电路图可推导出补偿电流公式
【权利要求】
1.一种抗环境光干扰的血氧测量装置，设置有:用于提供有效光源的发光模块；用于接收所述发光模块照射被测体后的折射光及反射光并转换为光电流的光接收模块；与所述光接收模块连接，用于将其输出的光电流转换成光电压的电流电压转换模块；与所述电流电压转换模块连接，用于将其输出的模拟信号转换为数字信号的模数转换模块；与所述模数转换模块连接，用于对其输出的数字信号进行相应算法处理的信号处理模块； 其特征在于，还设置有补偿模块，该补偿模块设置于所述光接收模块和所述电流电压转换模块之间，并分别与所述光接收模块、所述电流电压转换模块、所述信号处理模块连接。
2.根据权利要求1所述一种抗环境光干扰的血氧测量装置，其特征在于，所述补偿模块包括有数模转换电路、信号调理电路、电流注入电路； 所述数模转换电路分别与所述信号处理模块、所述信号调理电路连接； 所述信号调理电路包括:第一运算放大器、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、接地端子、输出电压端子； 所述第一电阻一端连接至所述数模转换电路，另一端串联至第一运算放大器反向输入端；所述第一运算放大器输出端与所述第三电阻、所述输出电压端子、所述第三电容、所述接地端子顺序串联；所述第四电容并联于所述第三电容两端；所述第二电容并联于所述第一运算放大器的反向输入端及输出端；所述第二电阻并联于所述第一运算放大器反向输入端及所述输出电压端子；所述第一电容并联于所述第二电阻两端；所述第一运算放大器非反向输入端与所述地线端子连接； 所述电流注入电路设置有第八电阻，所述第八电阻一端连接至所述输出电压端子，另一端接入所述光接收模块与所述电流电压转换模块间的结点。
3.根据权利要求2所述一种抗环境光干扰的血氧测量装置，其特征在于，所述电流电压转换模块还包括辅助电流电压转换单元；所述辅助电流电压转换单元分别与所述光接收模块、所述信号处理模块连接； 所述电流注入电路还设置有第九电阻。
4.根据权利要求3所述一种抗环境光干扰的血氧测量装置，其特征在于，所述补偿模块还包括信号反相电路； 所述信号反向电路包括第四电阻、第五电阻、第二运算放大器，所述电流电压转换模块的共模电压端子； 所述第四电阻一端连接至所述输出电压端子，另一端连接至第二运算放大器反向输入端；所述第五电阻并联于所述第二运算放大器反向输入端与第二运算放大器输出端之间；所述共模电压端子连接至所述第二运算放大器非反向输入端；所述第九电阻一端连接至第二运算放大器输出端，另一端接入光接收模块与辅助电流电压转换单元间的结点。
5.根据权利要求4所述一种抗环境光干扰的血氧测量装置，其特征在于，所述第八电阻与所述第九电阻设置为可调式电阻。
6.根据权利要求5所述一种抗环境光干扰的血氧测量装置，其特征在于，在所述电流电压转换模块与所述模数转换模块之间还设置有信号调理模块，所述信号调理模块分别与所述电流电压转换模块、所述模数转换模块连接。
【文档编号】A61B5/1455GK203693603SQ201420012141
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】刘庆良 申请人:深圳市理邦精密仪器股份有限公司