基于multisim的血氧饱和度论文大学论文.docx
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基于multisim的血氧饱和度论文大学论文
燕山大学
课程设计说明书
题目：
双波长近红外光谱法无创脑血氧饱和度监测系统
学院（系）：
电气工程学院
年级专业：
10级生物医学工程2班
学号：
100103040032
学生姓名：
郭文
指导教师：
赵勇等
教师职称：
副教授
燕山大学课程设计（论文）任务书
院（系）：
电气工程学院基层教学单位：
生物医学工程系
学号
100103040032
学生姓名
郭文
专业（班级）
生物医学工程2班
设计题目
双波长近红外光谱法无创脑血氧饱和度监测系统
设
计
技
术
参
数
1.产生方波的频率是500HZ,幅值是5v
2.恒流源是0安培到1微安可调
3.滑动电阻R1是20KΩ和R2是50KΩ
设
计
要
求
1.利用光电池接受不同的频率找出最佳工作频率
2.利用施密特产生正弦波脉冲信号
3.利用MULTISIM软件进行电路仿真与优化。
工
作
量
1.调设计调频信号电路；
2.MULTISUM软件学习；
3.功能电路仿真与参数优化；
4.完成课程设计报告一份
工
作
计
划
1天方案调研与系统总体设计；
2天仿真软件学习；
3天功能电路仿真与元件参数优化；
4天整体电路联调；
5天系统总结完成报告。
参
考
资
料
1．《现代测控电路》李刚等天津大学出版社
2.[根据自己找到资料填写]
3．网上相关资料
指导教师签字
基层教学单位主任签字
说明：
此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。
年月日
燕山大学课程设计评审意见表
指导教师评语：
1该生学习态度（认真较认真不认真）
2该生迟到、早退现象（有无）
3该生依赖他人进行设计情况（有无）
成绩：
指导教师：
年月日
答辩小组评语：
1设计巧妙，实现设计要求，并有所创新。
2设计合理，实现设计要求。
3实现了大部分设计要求。
4没有完成设计要求，或者只实现了一小部分的设计要求。
成绩：
组长：
年月日
课程设计总成绩：
答辩小组成员签字：
年月日
目录
第一章摘要························································1
第二章原理与推导···················································2
第一节脑血氧监测的意义·············································2
第二节组织成分的光谱特性为脑血氧检测提供可能························3
第三节脑血氧监测的基本原理和推导新的计算方法························4
第三章系统硬件设计·········································11
第一节电源制作·············································11
第二节传感器设计···········································12
3．1光源的选择·············································12
3．2光电转换器的选择及其对光调制频率响应特性的研究·········12
3．2．1硅光电池的特性····································13
3．2．2光电池对光调制频率响应特性的实验研究·············14
3．3传感器的构建··········································16
3．3．1脉冲发生器·······································16
3．3．2恒流源············································17
3.3.3同步积分模块·····································18
第四章心得体会············································19
第五章参考文献············································20
第一章摘要
随着电子技术、激光技术和计算机技术的飞速发展，生物医学仪器亦有了长足的进步，研究无创伤、微型化和智能化的医疗仪器己成为国内外学者关注的热点．血氧饱和度（Sa02）直接反映了细胞和组织供氧和氧代谢的状况，是呼吸循环系统的重要生理参数．而脑组织新陈代谢率高，耗氧量占全身耗氧量的20％，密切监测脑血氧和脑代谢状况肋止脑损伤是十分重要的.
通过调查研究知，近红外光对人体有很强的穿透能力，能透过皮肤、头骨、和脑组织数厘米的深度．组织成分（水和天然细胞色素）的吸收光谱特性为脑血氧检测提供可能．双波长近红外光谱法监测脑血氧饱和度基于双光源双感受器模型．应该充分考虑该模型中近处光电池采集的光不完全在非脑组织中传播这一因素，根据改进的朗伯特一比尔定律利吸光度加和定律独立地推导出更准确的计算公式，公式系数的确定变得更简单．
在系统传感器的设计中，我们小组采用了660nm和810nm两种波长的激光二极管不是发光二极管作为光源，使用光电池来取代光敏二极管采集信号，拟用20mm和30mm作为两光电池到光源的相对距离．设计并制作了方波发牛器、恒流源、I／V变换器等电路．根据光电池对光调制频率响应特性的实验研究结果，我们拟用400Hz作为光源及信号处理电路的理想调制频率．
系统的信号处理电路包括同步分离器、调节放大器组、同步积分器、采样保持电路等电路模块．我们小组提取和制作锁相放大器的核心部分：
同步积分器，并成功地应用于脑血氧信号的处瑚中．作者还进行了同步积分器输入输出波形的观察以及其传输特性的实验研究．证实了同步积分器有极好的频率匹配传输的特性，对匹配频率外的输入信号衰减极大，尤其有抑制偶次谐波的能力．为了提高检测的实时性和精密度，我们使用采样保持电路而不是传统的峰值检波器来提取生理信号的幅值，其控制信号来自单稳态触发器输出的同步窄脉冲．
第二章原理与推导
根据量子力学理论，在分子中存在电子能级和振动一转动能级．当电子能级和振动．转动能级发生跃迁时，就会产生分子吸收光谱或发射光谱．人们将780nm～2．5um光谱区定义为近红外光谱区，2．5lam～40．0um光谱区定义为红外光谱区，而40．0um～1000um光谱区定义为远红外光谱区．红外光的能量与分子振动能量相当，而近红外吸收光谱主要是由于分子基频振动（吸收带通常在中红外光谱区）的泛频（780nm1．8um）和组频（1．8um～2．5tam）吸收所致。
尤其是由O—H、N—_H、c—H键的伸缩振动和弯曲振动的谐振和泛频吸收引起的。
近红外光能很容易地穿透生物组织，在安全标准边缘，近红外光子可以穿透7～8cm的生物组织14J．由于近红外光谱提取信息方便，光谱图重现性好，分析精度高I，I，所以很适合做C—H、N．H、O．H键结构的定量分析．近红外光谱脑血氧饱和度无创检测方法就是利用组织中氧化和还原血红蛋白的近红外吸收光谱特征来进行的．
第一节脑血氧监测的意义
氧是维持人体生命的重要物质，人体组织细胞进行新陈代谢所需要的氧是从血液中获取的；人体的呼吸运动将空气中的氧吸入肺泡，再经过气体交换进入血液，并随动脉血的流动向全身各组织器官输送，在组织内的毛细血管网处，血液中的氧与血液相分离，供给组织细胞维持生命活动所需的氧‘61．如图2．1所示．
图2.1
血液中的氧绝大部分是与血红蛋白（Hb）结合在一起的．19血红蛋白可结
合1．34～1．36ml氧气吵健康成年人，如血红蛋白的量为159／100ml，则100m1血液能结合氧气的最大量约为20m1．血氧饱和度（Sa02）是血液中氧合血红蛋白（Hb02）的容量占全部血红蛋白（氧合血红蛋白Hb02和还原血红蛋白Hb之和）容量的百分比，它直接反映了细胞和组织供氧和氧代谢的状况，是呼吸循环系统的重要生理参数，许多呼吸系统的疾病都会引起人体血液中血氧浓度的降低，严重的会威胁人的生命．而脑组织新陈代谢率高，耗氧量占全身耗氧量的20％，而且对缺氧特别敏感，短时间缺氧就有可能造成中枢系统不可恢复的损伤．在深低温停循环的心血管手术中、神经外科的血管内手术中、脑意外的急救中、危重病人抢救时、心脏骤停后大脑复苏的治疗等情况下，一个重要闯题是脑保护，为避免缺氧或缺血导致病人出现严重紊乱，并降低手术并发症的发生，需连续监测脑血氧含量，密切关注脑供氧和脑代谢的状况，以防对大脑的损伤．因此，监测脑血氧状况是十分重要的．
脑血氧监测较脉搏血氧监测有更特殊的临床应用价值，脉搏血氧监测只有在动脉搏动的情况下才有意义，而脑血氧传感器测量的是大脑局部的混合血氧饱和度，有其特殊的临床应用范围，可以采集人体在低血压、脉搏搏动减弱甚至心脏停止跳动时的血氧信号．
第二节组织成分的光谱特性为脑血氧检测提供可能
水构成生物组织的绝大部分，水分子的极性强，所以其振动在中红外区有很强的吸收．但存约700nm～900nm时的光吸收比其他谱区要小，使得一个“光谱窗”被打开，为检测生物组织中的其它成分提供可能性．水的近红外吸收光谱见图2．2．
图2.2水的近红外吸收光谱
不同的天然细胞色素具有不同的吸收光谱，天然细胞色素b、C1、C为红色
细胞色素，aa3为绿色细胞色素．从细胞色素b的吸收光谱可以看出（见图2．3），它在近红外光谱区的吸收率很小，对血氧饱和度检钡4的影响不大．而以氧化铜为中心的细胞色素C氧化酶（Cyt02）有与氧结合状态相关联的确定的吸收光谱．它在约780nm～870nm处有一个吸收峰．从单个分子的水平来比较，Cyt02的吸收峰比血红蛋白的要高，且其与还原态的吸收差异也比氧合与还原血红蛋白的吸收差异要大．但与血红蛋白比起来，细胞色素C及其氧化酶的浓度要稳定得多，一般会多天维持同一水平．而且因为组织中血红蛋白的含量比细胞色素c大的多，血红蛋白对光总的吸收是细胞色素C的十倍左右。
图2.3细胞色素b的吸收光谱
其它天然色素如褪黑激素也会给脑血氧检测带来较小的影响．同时胆红素会降低脑血氧饱和度并减缓其变化．还有一些组织生色团（如Cerebrocuprein和Erythocuprein）的吸收光谱也会因氧合状态的改变而改变，但它们在近红外光谱区对光的吸收都很小，可以忽略。
近红外光对人体有很强的穿透能力，它能透过头发、头骨、和脑组纵数厘米的深度．人脑中每100克组织中含血红蛋白600—1000mg，使人脑极适合近红外光谱法无创测量血红蛋白和氧合血红蛋白的含量．
第三节脑血氧监测的基本原理和推导新的计算方法
氧合血红蛋白和还原血红蛋白的近红外吸收光谱见图2．4．显然在红光谱区（600hm～700nm）Hb02和Hb的吸光系数差别很大，在该波段内，选用合适的波长的激光照射组织，光的吸收程度将很大程度依赖于血氧饱和度；而在红外光谱区（800nm～1000nm），Hb02和Hb的吸光系数差别不大，若使用等吸收波长805nm左右的激光照射组织，光的吸收程度则主要反映了血红蛋白（Hb02和Hb）的总量．利用氧合和还原血红蛋白吸光系数的差异就可以测量血氧饱和度．
图2．4氧台血红蛋自和还原血红蛋白的近红外
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