专利名称：无创伤脉率血氧饱和度监护仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种脉率、血氧饱和度监护仪，特别涉及一种采用光谱测量技术的无创伤脉率血氧饱和度监护仪，属监护仪类医疗仪器，可以无创伤地、连续实时监测病人的脉率和血氧饱和度。
血氧饱和度，即人体动脉血中氧合血红蛋白占血红蛋白总量的百分比，是反映人体组织氧供应状况的重要生理参数。无创伤血氧饱和度监测技术应用以前，通常是采用抽取人体动脉血样、测量血气分压的方法，来测定血氧饱和度。其缺点是无法实时监测，增加病人痛苦和感染机率。自1974年以来，英国、日本、美国、德国等相继开始研制实用的无创伤血氧饱和度监护仪；目前国外血氧仪已进入推广应用阶段，已实现了无创伤连续实时监测。已经公开的这方面的专利技术，如美国专利US-3998550、US4446871、US4759369、US4824242、US5058588，及日本专利J03086152，欧洲专利EP104771，EP104772等。
目前无创伤脉率血氧仪的发展呈两方面趋势(1)作为综合性多参数临床监护仪的重要功能模块，与其它监测功能配合使用。
(2)提高精度、可靠性、抗干扰适应性和小型化，向常备性小型监护仪发展。
目前国内尚未见到全套自行研制的此类仪器，如宁夏计算中心1991年研制的血氧仪只涉及此类仪器的计算机软硬件。
以上这些仪器的缺点，在于均未采用计算机直接闭环控制的光强自动调节功能，影响了传感测头和仪器精度对不同受试者及传感测头指夹弹性变化等因素的适应性、发光器件的长寿命和可靠性；传感测头光电器件的匹配设计较差，精度低，体积大，另外，信号检测电路和直流稳压电流电路设计优化性差。
本实用新型的目的是为了提供一种采用计算机直接闭环控制的光强自动调节功能，适应各种环境干扰和不同受试者、高精度、高可靠性、体积小、使用方便的无创伤脉率血氧饱和度监护仪。
本实用新型的目的是按以下技术方案实现的。备好光谱传感测头、光电驱动电路、信号检测电路、计算机、精密直流稳压电源、显示器件、蜂鸣器、键盘等，光谱传感测头通过导线与电驱动电路和线性检测电路连接，光电驱动电路和线性检测电路通过多芯扁平电缆与计算机相连接，计算机与显示器件、蜂鸣器和键盘分别用导线相连接，精密直流稳压电源通过导线分别与光电驱动电路、线性检测电路和计算机相连接，即构成无创伤脉率血氧饱和度监护仪，实现了计算机直接闭环控制的光强自动调节功能。
光谱传感测头用以敏感血氧饱和度和脉搏变化，由上壳体、光源组件、衬套、光电接收器、下壳体和弹簧组成，光源组件和光电接收器固定在壳体上，通过导线与光电驱动电路和线性检测电路相连接；光源组件由两只镓铝砷高亮度发光二级管管芯和一只砷化镓发光二极管管芯烧结制作为带凸透光学结构的集成发光组件；光电驱动电路和线性检测电路用以驱动光谱传感测头光源组件，实现光电脉冲分时调制，完成有用信号的脉冲调制和解调检测；光电驱动电路由程控集成运算放大器CA3280及其外围电路组成，且与计算机时序电路相连接；线性检测电路由前置差分放大电路，红光、红外两只采样保持及低通、高通滤波电路和背景光信号检测电路组成，且与计算机时序电路相连接；计算机用以完成仪器的闭环检测控制和干扰故障分析，完成数据采集、计算和输出；计算机的结构是以NCS800芯片为主机，外接EPROM 27C256，定时器82C54，模拟/数字转换器ADC0848，数字/模拟转换器AD7528及地址锁存器74HC373，译码器74HC138，74HC541，信号锁存器74HC259各一片组成；精密直流稳压电源用以提供稳定的、数字模拟隔离的直流电压，共三种±5.0V及+7.00V，-2.5V多种，并能自动监控电流变化；精密直流稳压电源由两级电压调控输出电路和搭配合理的容感隔离电路组成；显示器件、蜂鸣器和键盘用以输入控制指令和数据，显示监测过程、测试结果、提示信息和报警。
本实用新型提供了一种适应环境干扰和不同受试者的、高精度高可靠性的脉率血氧饱和度监护仪。其主要优点是实现了微型计算机闭环控制的传感测头光强自动调节，可自动控制受试者手指插入传感测头前后及不同受试者手指变化时的发光量，可明显提高传感测头器件寿命和可靠性，保证仪器测试精度不受测试者手指肤色、大小及指尖弹性变化等因素的影响；两种特定波长、光强匹配的高亮度凸透型集成发光组件的设计研制，保证了传感测头的小型化、可靠性和精度稳定性；采用计算机全程控制的信号检测电路设计，实现了数字脉冲调制与解调的信号检测方案和测试故障分析，提高了仪器抗干扰能力，保证了测试精度和使用简便化；采用多芯扁平电缆相互连接，采用通用固紧方法安装干塑压仪器壳体内，本实用新型精度高、可靠性高、体积小、使用方便；可广泛应用于内科、外科、麻醉科、急救中心等临床监护领域。
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明
图1为本实用新型结构示意图。
图2为本实用新型计算机控制软件框图。
图3为本实用新型传感测头结构示意图。
图4为本实用新型光电驱动和信号检测电路图。
图5为本实用新型计算机系统电路图。
图6为本实用新型精密直流稳压电源电路图。
参照图1至图6，备好光谱传感测头1、光电驱动电路2、线性检测电路3、计算机4、显示器件5、蜂鸣器6、键盘7、精密直流稳压电源8，光谱传感测头1通过导线与电驱动电路3和线性检测电路4连接，光电驱动电路3和线性检测电路4通过多芯扁平电缆与计算机4相连接，计算机4与显示器件5、蜂鸣器6和键盘7分别用导线相连接，精密直流稳压电源8通过导线分别与光电驱动电路2、线性检测电路3和计算机4相连接，即构成无创伤脉率血氧饱和度监护仪。
光谱传感测头用以敏感血氧饱和度和脉博变化，由上壳体31、光源组件32、衬套33、光电接收器34、下壳体35和弹簧36组成；光源组件32和光电接收器34固定在壳体上，且通过导线与光电驱动电路2和线性检测电路3相连接；光谱传感测头的光源组件32由两只镓铝砷(AsAlGa)红光(680nm波长、波段≤10nm)高亮度发光二级管管芯和一只砷化镓(GaAs)红外(960nm波长、波段≤10nm)发光二级管管芯，烧结制作为带凸透光学结构的集成发光组件；光电驱动电路2和线性检测电路3用以驱动光谱传感测头光源组件，实现光电脉冲分时调制，完成有用信号的脉冲调制和解调检测；光电驱动电路2由程控集成运算放大器CA3280及其外围电路组成，由计算机4控制的分时脉冲信号完成对发光器件光电流的分时脉冲供给，从而实现光电信号的分时数字脉冲调制；光电流强度由计算机4DAC输出信号进行分档控制；线性检测电路3由前置差分放大电路，红光、红外两支采样保持及低通、高通滤波电路，和背景光信号检测电路组成，由计算机4时序电路控制实现该分时脉冲调制信号放大后的数字脉冲解调时序
计算机4用以完成仪器的闭环检测控制和干扰故障分析，完成数据采集、计算和输出；计算机4以NCS800芯片为主机，外接EPROM27C256，定时器82C54，模拟/数字转换器ADC0848，数字/模拟转换器AD7528，及地址锁存器74HC373，译码器74HC138，74HC541，信号锁存器74HC259各一片组成微机系统；精密直流稳压电源8用以提供稳定的，数字模拟隔离的直流电压，共三种±5.0V及7.00V，-2.5V多种，并能自动监控电源变化；精密直流稳压电路由两级电压调控输出电路和搭配合理的容感隔离电路组成。
显示器件5、蜂鸣器6和键盘7是用以输入控制指令和数据，显示监测过程、测试结果、揭示信号和报警。
本实用新型具体工作过程如下仪器开机工作后，光谱传感测头1发光强度较高，计算机4检测出光信号太强时，调整发光强度，使发光变暗，保证器件长寿命，同时控制蜂鸣器6和显示器件5提示用户；待受试者手指插入后，仪器采用两种特定波长窄波段的红光和红外光以400～1000次/秒的频率，1～10μs的脉宽交替照射人体组织，经一个宽响应谱的光电探测器测出不同波长的光强变化，以敏感其吸收度变化，并转换为微弱的电流信号；计算机4按分时脉冲调制信号的时序控制充电驱动电路2进行光信号脉冲调制，同时控制线性检测电路3进行脉冲放大解调，从而得到比值SS＝(VRAC/VRDC)/(VIRAC/VIRDC)(1)(1)式中VRAC表示红光照射后吸收度变化的交流量，其余类似，DC表示直流，AC表示交流，R表示红光，IR表示红外光；此比值非线性，但具有良好的可重复性，可根据经验修正公式和数据修正表进行线性化处理。脉率信号检测较为容易，可采用一般的脉动交流信号的零点检测法当出现较强背景光干扰及使用不当等情况时，计算机4会根据背景光比较电路和ADC采集的数据进行判断，提示用户。
以上工作过程和方案保证了红光、红外光电信号在检测中的严格对称性，并可有效消除光谱传感测头1夹位、人体颤动、背景光干扰、皮肤差异等因素的影响。
本实用新型还分别采取以下抗干扰措施优化设计的精密直流稳压电源；传感器和光电器件壳体均采用绝缘材料，处理好壳体地线；优选高品质多束屏蔽软导线，信号检测中各级电路无用频段相互隔离；严格保证引用电源间的隔离；当信号中干扰较大时，设计检测软件判别出手指尖位不合适、环境信号干扰或仪器电路自干扰三类情况，以便受试者使用和调整；从而保证了仪器在各种环境条件的正常工作和测试精度。
权利要求1.一种无创伤脉率血氧饱和度监护仪，包括蜂鸣器[6]、键盘[7]、显示器件[5]，其特征是所述的无创伤脉率血氧饱和度监护仪还包括光谱传感测头[1]、光电驱动电路[2]、线性检测电路[3]、计算机[4]，精密直流稳压电源；光谱传感测头[1]、由上壳体[31]、光源组件[32]、衬套[33]、光电接收器[34]、下壳体[35]和弹簧[36]组成，光谱传感测头[1]通过导线与光电驱动电路[2]和线性检测电路[3]连接，光电驱动电路[2]和线性检测电路[4]通过多芯扁平电缆与计算机[4]相连接，计算机[4]与显示器件[5]、蜂鸣器[6]和键盘[7]分别用导线相连接，精密直流稳压电源[8]通过导线分别与光电驱动电路[2]、线性检测电路[3]和计算机[4]相连接。
2.如权利要求1所述的无创伤脉率血氧饱和度监护仪，其特征是所述的光源组件[32]由两只镓铝砷高亮度发光二级管管芯和一只砷化镓发光二级管管芯烧结制作为带凸透光学结构的集成发光组件。
3.如权利要求1所述的无创伤脉率血氧饱和度监护仪，其特征是所述的光电驱动电路[2]是由程控集成运算放大器CA3280及其外围电路组成，且与计算机[4]时序电路相连接。
4.如权利要求1所述的无创伤脉率血氧饱和度监护仪，其特征是所述的线性检测电路[3]是由前置差分放大电路、红光、红外两支采样保持及低通、高通滤波电路和背景光信号检测电路组成，且与计算机[4]时序电路相连接。
5.如权利要求1所述的无创伤脉率血氧饱和度监护仪，其特征是所述的计算机[4]是以NCS 800芯片为主机，外接EPROM27C256，定时器82C54，模拟/数字转换器ADC0848，数字/模拟转换器AD7528及地址锁存器74HC373，译码器74HC138，74HC541，信号锁存器74HC259各一片组成。
6.如权利要求1所述的无创伤脉率血氧饱和度监护仪，其特征是所述的精密直流稳压电流[8]由两级电压调控输出电路和搭配合理的容感隔离电路组成。
7.权利要求1所述的无创伤脉率血氧饱和度监护仪，其特征是所述的光谱传感测头[1]采用长度2米的5芯外屏蔽软电缆和插头，与光电驱动电路和线性检测电路相连接。
专利摘要本实用新型涉及一种脉率、血氧饱和度监护仪，特别涉及一种采用光谱测量技术的无创伤脉率血氧饱和度监护仪；本实用新型由光谱传感测头[1]、光电驱动电路[2]、线性检测电路[3]、计算机[4]、精密直流稳压电源[8]、显示器件[5]、蜂鸣器[6]、键盘[7]等组成。本实用新型实现了传感器优化设计、发光器件光强调整和信号检测的计算机闭环控制，从而保证了仪器的可靠性、长寿命、抗干扰性和测试精度，可广泛应用于内科、外科、麻醉科、急救中心等临床监护领域。
文档编号G01N33/48GK2220826SQ9521784
公开日1996年2月28日 申请日期1995年8月1日 优先权日1995年8月1日
发明者王巍, 赵采凡, 任多立 申请人:中国航天工业总公司第一研究院第十三研究所