生物医学传感器设计实验报告——血氧.doc

1、生物医学传感器设计设计课题一、传感器性能指标的检测一、实验原理1.金属热电偶传感器。两种不同的金属组成回路时，若两个接触点温度不同，则回路中就有电流通过，称为温差电现象或塞贝克效应。热电偶传感器就是利用这种效应制成的热敏传感器。它具有测温范围宽、性能稳定、准确可靠等优点，应用广泛。温度差现象：在塞贝克效应中，若保持两接触点的温度差，回路中就存在恒定的电势。塞贝克电势可用下式表示：V=式中：、均为热电偶常数；T1为第一接触点上的被测温度； T2为第二接触点上的参考温度（通常为0C）。常用材料的较小，故在温差不大时，近似于线性关系。2.热敏电阻：热敏电阻是一种对温度敏感的具有负电阻温度系数的温敏远

2、见，由氧化锰、氧化镍、氧化钴等氧化物和陶瓷、半导体材料制成，其电阻率比金属大得多。用于生物医学的热敏电阻的电阻率约为0.1100.m，通常做成珠状、圆盘状、薄片状、杆状和环状的器件，具有尺寸小、灵敏度高和很好的长期稳定性等特点，应用很广。3. 光电传感器：光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。二、实验数据及分析1.热电偶传感器电势差随温度变化表电势差随温度变化图由图可知，随温度差提高，热电偶电势差线性提高。2.热敏电

3、阻传感器热敏电阻随温度变化表热敏电阻随温度变化图由图可知：热敏电阻阻值随温度上升而线性提高3.光电传感器在实验中仅完成电路调试，未测试数据。4.血氧探头设计课题五：血氧信号的检测 一、 背景概述1.血氧饱和度的定义：动脉血氧饱和度指在全部动脉血容量中，被血红蛋白结合的氧容量占全部可结合氧容量的百分比。血氧饱和度分数：是呼吸循环的重要生理参数。而功能性氧饱和度为HbO2（氧合血红蛋白）浓度与HbO2（氧合血红蛋白）+Hb（还原血红蛋白）浓度之比： ，有别于氧合血红蛋白所占百分数。本设计采用计算功能性氧饱和度方法。2.生理意义：血氧饱和度是呼吸循环的重要生理参数。人体的新陈代谢过程是生物氧化过程，

4、而新陈代谢过程中所需要的氧，是通过呼吸系统进入人体血液，与血液红细胞中的血红蛋白(Hb)，结合成氧合血红蛋白(HbO2)，再输送到人体各部分组织细胞中去。许多临床疾病会造成氧供给的缺乏，这将直接影响细胞的正常新陈代谢，严重的还会威胁人的生命，所以动脉血氧浓度的实时监测在临床救护中非常重要。一般情况下人体的血氧饱和度是正常的（动脉约98%，静脉约75%），人体手术后需要检测血氧饱和度，例如在急性心肌梗死患者恢复期测定混合静脉血氧饱和度可以有效判断左室收缩功能，对急性心肌梗死患者左室功能的恢复有明显的预测作用。在腹部手术后利用血氧饱和度对于低氧血症监测。由于脉搏血氧饱和度仪发现的低血氧饱和度早于临

5、床表现，且利用血氧饱和度监测比较直观，方便，无需反复抽血。可以针对性的加强术后低氧血症的预防及护理。3.测量原理：氧合血红蛋白和去氧合血红蛋白对不同波长入射光有着不同的吸收率，而皮肤、肌肉、骨骼和静脉血等其他组织对光的吸收是恒定不变的。当用两种特定波长的光线照射组织时，运用Lambert-Bear 定律并根据血氧饱和度的定义可推出动脉血氧饱和度的近似公式为：，式中：Q为两种波长光线吸收率之比，A、B 为常数，与仪器传感器结构、测量条件有关。实际应用中因为生物组织是一个各向异性、强散射、弱吸收的复杂光学介质，无法单纯以一个简单公式直接获取血氧饱和度，一般是通过测量双光束吸收率之比Q，然后通过经验

6、吸收比/ 定标曲线最终获取氧饱和度，而在选择双光束波长时，一般选择入射光波长为660nm红光 和905nm红外光。而我们本次实验的目的就是测出Q值，为后续实验做好准备。二、 设计方案1. 测量信号特征：v 人体信息本身具有不稳定性、非线性和概率特性。脉搏波的频率属于低频，且信息微弱，噪声强，因而信噪比低。v 脉搏波频率范围是0.13Hz，主要频率分量一般在2Hz内。2. 可能存在的信号干扰：环境光对脉搏传感器测量的影响测量过程人体运动的噪声人体其他信号的干扰检测电路的噪声50Hz工频干扰3. 硬件调试：首次进行实验时，了解了血氧探头和前置放大的工作原理：探头驱动发光电路光电检测电路当为高电平时

7、，为低电平，红光发光二极管亮；当高电平时，为低电平，红外发光二极管亮。血氧传感探头是将光信号通过硅光管转化为电流信号。但是，电流信号处理起来不方便，所以需要将电流信号转换为电压信号，然后对电压信号进行处理。可以采用反相放大电路来完成电流电压转换。实验数据见：课题一（血氧探头）4. 电路要求：基本任务：设计完成单路光交、直流检测电路，并能在示波器上显示相应波形，根据所得波形计算出Q值。提高任务：在完成基本任务基础上 设计控制电路用以控制血氧探头以一定的频率轮流输出红光、红外光两路光信号； 设计信号分离电路，将经过光电检测电路所检测出的含有红光、红外光混哈信号分离出来； 结合基本任务完成血氧饱和度

8、检测电路。5. 设计思路:总体思路从前置放大中获取信号后首先经过低通滤波除去高频噪音，之后再经过50Hz工频陷波和高通滤波获得交流信号，另一方面，用大电容取得直流信号。控制电路产生时钟信号，完成提高要求。主要电路:获得交流信号。控制电路1.16进制计数器：获得低频扫描信号 2.非门：获得同步反相信号 3.模拟开关：分离电路 三、分级电路及仿真1、 血氧探头发光驱动、前置放大电路：见“硬件调试”。2、 低通滤波电路低通滤波电路作用：过滤输入信号中高频噪音。频率上限20Hz。波特图：仿真图：输入信号：50Hz0.5V交流，2V直流偏移量。输出：2V直流3、 直流分离电路最初设计：有源作用：使示波器

9、获得直流信号.仿真图：输入：500mV50Hz交流，2V直流偏移量，输出2V直流实际电路使用无源设计，效果明显。4、50HZ工频陷波电路最初设计:50Hz双运放有源滤波,实际效果不明显,原因:由于电阻电容等器件实际误差,造成中心频率不为50Hz,因此陷波电路效果不明显。改进：无源50HZ工频陷波电路。作用：消除50Hz工频信号对脉搏交流信号干扰。仿真波特图：5、交流分离作用：过滤信号中直流分量，获得交流信号。频率下限：0.1Hz仿真图：输入50mV3Hz交流，2V直流偏移。输出：50mV3Hz交流波特图：四、 实验数据记录及分析实验过程：交流信号与直流信号均比较稳定开始出现周期性变化，此时读数

10、误差较大红光红外光交直流电压数据表组一，二为不加入控制信号的情况。组三，四为加入控制信号的情况。可以得出以下结论：1. 检测过程中信号波动较大，可重复性不好。但是在测量一次的时间内比较稳定。2. 检测不同的人的Q值差异很大，在不同时间检测同样的人也可能有较大的变化。3. 加入控制电路对原电路有干扰，使其不稳定，影响精确度。4. 正常状态测量Q值约0.650.75.5. 长期处于室内，测得Q值会比正常值偏低。五、实验总结在本次实验中，我们努力解决了以前所没有遇到的各种问题，同时也收获了一些经验教训：1. 在实验前设计好电路并仿真能够事半功倍，但是也不能轻信仿真结果。电阻电容等真实误差也会影响很大。2. 电路调试要一级一级来，确保每一级稳定才能向前。3. 放下问题的思路要开阔，仪器也可能出问题。4. 在控制电路处理时放下非门输出的高电平约3.7V，低于5V，会使红光与红外光强度不同，改变Q值，因此将两个输出都改为3.7V。5. 由于电容充放电会产生较大脉冲毛刺，因此将时钟周期拉长，从而避免其对读数的影响。参考文献：1.生物医学传感器设计实验指导书2. 李庆波，聂鑫，张广军，吴谨光，分段滤波用于消除脉搏血氧检测中多种运动干扰的研究，光谱学与光谱分析，2009.113. 赵金城，徐圣普，边自朋，崔云丽，周炜 脑血氧检测装置的原理与设计, 生物医学工程研究