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[医疗]POCT仪器之~便携红外人体血氧饱和度监测仪揭秘 [复制链接]

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离线goodanytime
 

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只看楼主 倒序阅读 我要置顶 楼主  发表于: 2014-10-17
— 本帖被 小霞 设置为精华,作者+3000M币+5专家(2014-10-21) —
    随着电子技术和传感器技术的发展,医院许多大型检测仪器实现了小型化,护士常常进行床边检测(又称“即时检验”Point-of-care Testing,POCT)。
    人体除心率、血压、呼吸频率和温度外,脉搏血氧(PO)被认为是排在第5位的最关键健康状况指标。血红蛋白(Hb)是血细胞的重要组成部分,它负责将氧气从肺部输送到身体的其它组织。血红蛋白在任一时刻所含的氧气量被称为氧饱和度。氧饱和度以百分比表示,它是血红蛋白的含氧量与血红蛋白携氧能力之比。血氧饱和度是反映人体呼吸功能及氧含量是否正常的重要生理参数,它是显示人体各组织是否健康的一个重要生理参数,严重缺氧会直接导窒息、休克、死亡等悲剧的发生。

    人体血氧饱和度仪应用在以下几个方面:病人在急救和转运过程中、消防抢险、高空飞行必须监测血氧;心脏病、高血压、糖尿病人,特别是老人都会有呼吸方面的问题,监测血氧指标可很好地了解自己的呼吸、免疫系统是否正常,血氧饱和度已成为普通家庭日常监测的重要生理指标;医护人员在查房和出诊是也将血氧作为必监测项目,使用数量有压过听诊器的趋势;呼吸疾病患者特别是长期打鼾的、使用呼吸机和制氧机的患者,在日常生活中使用血氧仪来监测治疗效果;户外动者、登山爱好者、体育运动者在运动时都使用血氧仪,及时知道自己的身体情况,并采取必要的保护措施。


下面将市售的一款便携式人体血氧饱和度监测仪进行解析,揭开内部结构的神秘面纱。
一、外观  
血氧仪像一个大夹子:



按下电源开关,将手指放进去,几秒钟后,显示出血氧饱和度、脉搏值:




电池仓在背面,使用两只7号电池。该仪器非常省电,不使用8秒钟后自动关机,两节电池可用30小时:




手指槽的上端有发射窗,下端有光信号接收窗:



二、系统结构原理
便携式人体血氧饱和度监测仪结构原理见下图,开机后,电源提供1.8V和3V、12V三组直流电给电路使用,嵌入式微处理器(MCU)向光头驱动电路发出控制信号,使双发光二极管(红光、红外光)交替发出调制光,该两组光线穿过手指,被另一面的光电池接收,信号通过前置放大、整理电路,输入MCU 进行分析、计算,结果由LED数字显示板显示出来。



血氧饱和度监测原理:无创脉搏血氧饱和度测量是以朗伯 - 比尔定律,血液中还原血红蛋白 (Hb )和氧合血红蛋白(HbO2 )对光的吸收特性不同为基础的。通过两种不同波长的光(660nm红光和940nm近红外光)分别照射人手指组织后,再由光电检测器转换成电信号。在该波长处,氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收差别较大,组织中的其他成分吸收光信号是恒定的, 经过光电检测器后得到直流分量 DC,而动脉血中的 HbO2 和Hb对光信号的吸收是随着脉搏搏动作周期性变化, 经过光电检测器后得到交流分量 AC, 由于 HbO2 和 Hb对同一种光线的吸收率各不相同, 微处理器计算所吸收的这两种光谱的比率,并将结果与存在存储器里的饱和度数值表进行比较,从而得出血氧饱和度。


三、拆解主电路板
用指甲从上端缝隙处,将上盖分开:







电路板正面的元件不多,显示采用LED数字显示板占据了电路板主要面积:



电路板上的集成电路ULN2003A74HC164




ULN2003A高耐压、大电流反相器,内部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动芯片,电路框图如下:


74HC164数码管显示驱动IC是串行输入、并行输出接口器件,可用在单向的并行输出/并行地址锁存等。74HC164价格便宜,特别适合使用在需要用到数码管显示而IO口又比较紧张的电子产品中:


数码显示板旁边是一只双运放SGM8622XMS


用小改刀拨开固定卡扣,取下电路板:




电路板背面,分布的元件较多:







SGM8622 XMS是低噪声CMOS双运算放大器,构成前置电路中的跨导放大器及相关电路 :


PHPIDC-DC转换IC,将2节5号电池转为12V电源给LED显示板电路供电:



MCU的型号被涂了:



刮掉涂漆,看见MCU的型号是C8051F007


C8051F007是低功耗嵌入式单片机(MCU该单片机具有供电电压低(2.7~3.6 v)、 功耗低(可低于1ma)、体积小(8 mm×8 mm)、功能强等特点。该单片机具有12bit adc、35 6bram、32kflash,将采集到的光电信号进行分析、处理、记忆、消除干扰及温度波动,输出数据给LED显示板。



光头的发射光源及驱动电路
    血氧饱和度探头中的光源采用了双色发光二极管PDFE 833,它能发出波长分别是 660 nm 940 nm的红光和红外光。红光和红外光经过人体的组织反射后被光电信号接收探头(硅光电池)接收。双色发光LED驱动采用 H 桥电路, 由MCU控制其调制并交替发光,如下图所示:



特制的940 nm近红外光和 660 nm红光双波长发光二极管:




双波长发光二极管微距图片:




351A352A是贴片三极管(NPN,PNP)对管,构成光头发光LEDH 驱动电路:



四、察看光电接收探头
用小改刀拨开电池仓下面的弹簧卡头:



松开仪器上、下部分:



将粘在仪器下部分的防过敏橡胶垫剥开,露出光电信号接收探头:



取下橡胶垫,光电信号接收探头全貌——硅光电池:



光电信号接收探头(硅光电池)的微距图片:



将仪器装还原,按下电源开关按钮,可以看见光源发射窗的红光闪烁:



放入手指,3、4秒钟就测量出数据:脉搏63(次/分钟),血氧饱和度98%:



结束语:
    该仪器检测精度取决于硬件设计和软件算法;日常使用中,该仪器基本无故障、很耐用,很省电,只要不进水,轻微的摔,都不会有影响。
    随着电子技术和传感器技术的发展,更多的便携式医疗监测仪器开始进入家庭,例如:血糖仪、血压计、血氧仪、尿酸计、总胆固醇计等等。用于日常对人体健康状况的自我监测,起到很好地预警作用。
(注:该文系本人原创,曾在别的网发过。现修改完善后发本网,供坛友们了解其原理结构)


传完了,谢谢观看!


[ 此帖被goodanytime在2014-10-23 11:04重新编辑 ]
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貌似论坛有人模仿出来了
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只看该作者 2楼 发表于: 2014-10-17
这玩意用起来其实不大顺手,查看不是很方便,夹在病人手指上,清醒的还凑合,要是不清醒的,烦躁乱动的,血肉模糊的,都不晓得能甩哪去,再加上一沾血,想看个读数都不行。
还是那种独立夹子,有线连着主机的好,主机可以小巧点,麻醉科喜欢用,转送术后病人不错,查看也方便
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只看该作者 3楼 发表于: 2014-10-17
赶紧更像是数码管 不像OLED呢
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牛玩领养的吧?
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回 q版虎斑猫 的帖子
q版虎斑猫:赶紧更像是数码管 不像OLED呢 (2014-10-17 22:07) 回 q版虎斑猫 的帖子

是数码管的
这东西前几年买过一个点阵OLED的,可以调整四个方向显示数值方便不少
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近红外真的可以穿透手指?
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谢谢分享,长见识了
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