生物医学传感器设计实验报告——血氧

东南大学生物医学工程

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：α、β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0°C）。常用材料的β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0.1~100 .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、

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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。

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2.热敏电阻传感器

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

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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：SaO2 O2Hb 100%是呼吸循环的重要生理参O2Hb Hb COHb MetHb

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： SaO2 O2Hb 100%，O2Hb Hb

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，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。

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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，SaO2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

Imax( 1)

I( )AC(660)/DC(660)的近似公式为：SaO2=A+QB，Q max1 max2AC(905)/DC(905)

Imax( 2)

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。

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二、 设计方案

1. 测量信号特征：

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。

脉搏波频率范围是0.1~3Hz，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 U为低电平，当U红光发光二极管亮；当Uired 高电平时，Ured

red为高电平时，ired光电检测电路

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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

① 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；

② 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；

③ 结合基本任务完成血氧饱和度检测电路。

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

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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

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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

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3、 直流分离电路

最初设计：有源

作用：使示波器获得直流信号.

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。