一種便捷式脈搏氧飽和度模擬系統的研制

袁懋結，葉繼倫, ，張旭, ，劉杰，文斌，竇可建 深圳大學 醫學院 生物醫學工程系，深圳市，58060 2 廣東省生物醫學信息檢測與超聲成像重點實驗室，深圳市，58060 深圳市生物醫學重點實驗室，深圳市，58060

0 引言

血氧儀是一種能夠實現連續無創監測人體或動物動脈血氧飽和度的新型醫療器械，在臨床上有著廣泛的應用。在臨床上，很多疾病會因氧供給的缺乏而影響人體正常的新陳代謝，嚴重時甚至會威脅到人的生命。在人體生命體征的測量上，檢測動脈血中的氧含量是判斷人體呼吸系統和循環系統是否缺氧的重要指標[1]。作為一種正在發展的生命監護關鍵技術，血氧儀在生產和應用中還是存在定標和校驗的問題需要完善和解決。目前市場上雖有一些國內外相關產品，但其價格昂貴，得不到廣泛使用。這影響了血氧儀在生產或使用過程中的生產成本和維修成本，因而探索一種便捷式血氧模擬儀是很有必要的。

本研究主要是從血氧儀的工作原理以及結合血氧儀的血氧標準技術指標參數入手，根據各血氧儀的工作性能，提出了血氧模擬儀的關鍵技術及解決方案。本設計需要實現血氧飽和度、脈率、灌注指數這幾項技術指標的模擬輸出。在硬件上，主要通過兩個不同的濾光鏡對紅光和紅外信號進行前期的分離，經放大后，再通過邏輯調理電路進行紅光紅外信號進一步分離，與此同時，通過DA數模轉換芯片模擬輸出各種狀態下的血氧信號。

1 血氧模擬儀的工作原理

血氧濃度的測量通常分為電化學法和光學法兩類[2]。起初是使用有創的血氧儀來對血氧進行檢測，通過直接算出血液中氧合血紅蛋白占氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白之和的百分比[3]，當然要研制對應的血氧模擬儀也只能通過搭建類似的環境來實現，該方法極為不方便。出于有創血氧飽和度的檢測對人體傷害大，對血氧無法實現實時監測，因而人們研究出了無創血氧飽和度測量儀，其原理是血液中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對紅光以及紅外的吸收程度的不同，進而可以實現無創式血氧的監測[3-4]。與之對應的模擬儀也是利用這一點來模擬人體手指，實現模擬信號的產生。其實質是模擬人體手指對660 nm的紅光和940 nm的紅外光的吸收衰減作用[5-7]。

本系統需要模擬的參數技術指標分別為血氧飽和度、脈搏波形、脈率以及灌注指數。如圖1、圖2所示，通過對標準的脈搏波進行擬合及歸一化，實現信號來源的可靠性以及各種血氧模擬狀態的產生。

圖1 脈搏波標準波形Fig.1 standard waveform of pulse wave

圖2 脈搏波歸一化Fig.2 Pulse wave normalization

2 裝置設計

2.1 硬件設計

本文通過光電轉換以及電光轉換來實現血氧技術參數的模擬輸出。圖3為系統結構框圖。通過PC上位機上對不同血氧參數指標的選擇來控制血氧模擬器下位機的工作模式。此外，本課題中血氧模擬探頭機械結構的設計也很重要，圖4為本課題的模擬探頭部分，上面黑色的是紅外光電管，另外一個是光電池。圖5為血氧模擬器板卡，出于便捷式和集成應用，設計為60×60 mm尺寸大小的板卡。

2.2 軟件設計

AD5754為16位DA輸出芯片，精度足夠高，能夠提供更加微弱的模擬脈搏信號。AD5754與MCU采用高速的SPI數據通信方式。同時，該芯片為雙通道獨立輸出，可以通過配置寄存器來控制各自通道的輸出，進而輸出兩個互不相干的模擬紅光信號電信號以及紅外電信號。通過控制兩個通道傳輸速率、幅值和交直流信號進而實現血氧模擬信號的輸出。軟件流程框圖如圖6所示。

圖3 系統結構框圖Fig.3 Block diagram of system

圖4 血氧模擬探頭Fig.4 Probe of blood oxygen simulation

圖5 血氧模擬器板卡Fig.5 Blood oxygen simulator board

3 系統驗證

為檢測系統測試的準確性，以及該方法的可行性，將本設計在不同的血氧儀上進行了驗證。本系統在實驗室的血氧平臺、錦瑞血氧儀以及邁瑞血氧儀上進行了逐一的驗證測試。由于本系統需要測試的參數比較多，為了方便測試，采用了控制變量法來進行測試。

測試組：

（1）脈率設定為70 bpm，PI設為12.01%，變量血氧值以步長為1從0到100 bpm的范圍進行設置。

圖6 軟件流程框圖Fig.6 Software flow diagram

測試結果，如表1所示。

表1 血氧值的測試結果Tab.1 Blood oxygen test results

（2）血氧值設定為98%，PI設為12.01%，變量脈率值以步長為1，從0到300 bpm的范圍進行設置。

測試結果，如表2所示。

表2 脈率的測試結果Tab.2 Pulse rate test result

（3）血氧值設定為98%，脈率設為70 bpm，變量灌注指數值以步長為0.1%，從0到20%的范圍進行設置。測試結果，如表3所示。

表3 灌注指數的測試結果Tab.3 Perfusion index test results

4 結論

通過對多種產品進行檢驗與測試，該裝置能夠滿足各種血氧飽和度、脈率以及灌注指數的測試需求，相比于目前各種血氧模擬儀性能更優，體積更小，成本更低?？梢詽M足目前血氧產品在生產和使用中的重復性檢測，并通過程序控制實現在血氧儀生產中的自動化的血氧、脈率及灌注指數的重復性檢測。目前已經針對這款系統的設計在進一步做系統優化，實現了針對惟拓力公司R曲線的模擬信號輸出[8]，后續將進一步實現多種R曲線的設置與選擇，應對不同公司的產品測試需要，逐步實現產品的工程轉化，希望能夠得到推廣應用，后續應繼續改進這個系統的性能與功能，如增加運動干擾功能、環境光干擾功能以及針對脈搏氧探頭的測試功能等，完善系統的測試功能，增強該系統的系統功能，擴展應用范圍。