CN110547808B - 血氧测量装置和***及其血氧信号检测方法 - Google Patents
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Abstract
血氧测量装置和***及血氧信号检测方法中包括至少四个光电放大电路；主控制模块依次分别将四个光电放大电路接入获取四个测量信号，在其中选取测量信号最先在700至900毫伏之间的光电放大电路用作后续测量光电放大电路。当所述四个测量信号不在700至900毫伏之间，调节光源输出功率为之前输出功率的N倍或1/N倍，直至至少一个光电放大电路的测量信号在700至900毫伏之间。采用多路光电放大和光驱动联合调整的方法，并据此设置后级的放大电路的放大倍数和偏置，使电路快速适应外部测量条件，大大缩短了光信号和外部测量条件之间的适配过程，从而实现了快速的血氧测量，尤其是初始的血氧响应时间上远远优于现有技术。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及利用红光和红外光进行脉搏血氧测量的血氧测量装置、***和血氧信号检测方法。
背景技术
血氧饱和度(SpO2)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb，hemoglobin)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。监测动脉血氧饱和度(SaO2)可以对肺的氧合和血红蛋白携氧能力进行估计。正常人体动脉血的血氧饱和度为98% ，静脉血为75%。
脉搏血氧仪是测量病人动脉血液中氧气含量的一种医疗设备。脉搏血氧仪提供了以无创方式测量血氧饱和度或动脉血红蛋白饱和度的方法，并测得病人的心率。脉搏氧监测是现代临床手术中、重症监护、常规监护等应用中的关键参数之一，并得到广泛应用，可应用于多参数监护仪，便携式多参数监护仪，呼吸睡眠监测仪中。
目前应用在上述各仪器中的脉搏氧测量技术通常是利用可见红光光谱(660纳米)和红外光谱(940纳米)的两个光源交替照射被测试区(一般为指尖、耳垂或额头等循环末梢部位)，在血液脉动期间所两种光所吸收的光量与血液中的氧含量有关，因此检测基于动脉搏动期间光吸收量的变化，并计算所吸收的这两种光谱能量的比率，并将结果与存储器中的饱和度数值表进行比较，从而得出血氧饱和度。光电驱动光源以及光电转换电路，电信号放大并数字化后，进行数字信号处理计算获得脉搏氧饱和度数值、脉率、灌注指数等人体参数指标。
现有技术中的血氧测量***，包括两种测量方式的测量探头，包括反射式的血氧探头和透射式的血氧探头；反射式的血氧探头通常设置在体表，通过测量体表和组织内的反射光的强度，进行对比计算获得血氧饱和度数值；透射式的血氧探头通常夹在人体某些部位上，如手指、脚趾及耳垂等部位，两个光源输出的光能经过人体部位后，获得透过的光强对比计算获得血氧饱和度数值。由于人体介质的特征有很大的差异性，比如皮肤的颜色，测量介质的厚度大小，测量介质的透光特征都有很大的个体差异，因此血氧测量***中的光源输出的能量需要和后续电路的光电检测能力需要非常好的匹配才能获得很好的测量结果。
在薄测量介质，如细薄手指、耳垂、小动物舌头、新生儿手掌、灌注特别弱等情况下，由于***的调节能力有限，往往测量不出结果。在部分发光的探头部分和信号采集电路分离的***中，对不同的探头，信号采集电路通常也需要进行调整，使得信号处理***和探头特性匹配成为很大的问题。若在此基础上再进行针对被测对象的大动态范围的电路调整也会大大增加信号处理***的复杂性。
现有技术中，为了实现实现信号放大的最大动态范围通常是采用对光源驱动的调整，或对信号增益的初略分级调整（1、2、4、8倍增益）等方式来实现，这种联动增益调整往往需要很长的时间，不能实现快速响应输出信号；这种联动增益调整也不能实现更大的动态范围,以适应各种不同人群及不同的测量位置所产生的不同信号特征；在一些危重情况下，往往会由于动态范围调整失败而导致测量不出信号，从而产生测量失败的错误，从而影响应用。
现有技术,红光和红外光通常采用一套光电输出控制电路，是通过不同驱动组合来分别对红光，红外光进行驱动，以适应不同的监测对象。红外和红光共用一套驱动电路，使得光源驱动的调节范围也受到了一定的限制。
如图3所示，现有技术中，通常是采用一级光电放大电路，光电放大电路后接可调增益放大电路，并联合进行光源驱动调整等手段实现测量***对待测介质及信号强度的适应，一级光电放大电路，使光源驱动电路、一级放大电路和可调增益放大电路三级的联调是串行过程，因此调节速度慢，且适应范围不够宽，容易出现超调的情况，即对少数极端测量条件会超出电路的调节范围。
发明内容
为了避免上述现有技术的不足，本发明提出了能快速进行血氧测量的血氧测量装置、***和血氧信号检测方法，本发明采用设置并行4个电路放大性能阶梯状的放大电路和光源驱动电路配合，通过依次轮循各一级放大电路的方式快速找到适合当前待测介质的驱动和放大电路倍数，并且通过利用一级放大电路输出的信号进行二级放大的偏置设置调整，两者协同，大大缩短了***进行光信号和待测介质之间的适配过程，从而实现了快速的血氧测量，尤其是初始的血氧响应时间上远远优于现有技术。
本发明要解决的技术问题在于避免上述技术方案的不足，提出的技术方案是一种血氧测量装置，包括：一级放大电路，一级放大电路包括放大倍数范围各不相同的至少四个光电放大电路，分别是：第一光电放大电路、第二光电放大电路、第三光电放大电路和第四光电放大电路，这四个光电放大电路的放大倍数呈阶梯状设置；还包括二级放大电路和偏置设置模块，二级放大电路为可调节偏置的放大电路；二级放大电路的输入端和一级放大电路的输出端电连接获取一级放大后的血氧测量信号；二级放大电路的输出端和主控制模块电连接，向主控制模块输出二级放大后的血氧测量信号；偏置设置模块的一端和二级放大电路的偏置输入端电连接，偏置设置模块的另一端和主控制模块电连接；在开始测量时，主控制模块依次获取四个光电放大电路进行一级放大后的血氧测量信号；主控制模块获取一级放大后的各路血氧测量信号，分别进行信号质量评定，在四个光电放大电路中选取血氧测量信号幅度最先在设定范围内的一个光电放大电路用作后续血氧测量的光电放大电路；主控制模块根据获取所选定的光电放大电路输出的一级放大后的血氧测量信号大小，向偏置设置模块输出偏置设置值，用作二级放大电路的偏置值。
所述的血氧测量装置，信号质量评定中，血氧测量信号幅度的设定范围是700至900毫伏。
主控制模块向偏置设置模块输出偏置设置值的大小为一级放大后的血氧测量信号量的0.8至1.2倍，用作二级放大电路的偏置值。
所述的血氧测量装置，还包括可调节红光光源或红外光源输出功率的光源驱动电路；当所述四个光电放大电路输出的四路血氧测量信号都小于700毫伏时，光源驱动电路调节光源输出功率为之前输出功率的N倍，再次检测四个光电放大电路输出的血氧测量信号，直至至少一个光电放大电路的血氧测量信号大于等于700毫伏；当所述四个光电放大电路输出的血氧测量信号都大于900毫伏时，光源驱动电路调节光源输出功率为之前输出功率的1/N倍，再次检测四个光电放大电路输出的血氧测量信号，直至至少一个光电放大电路的血氧测量信号小于等于900毫伏；其中N为大于1的自然数。
所述的血氧测量装置，还包括光电放大通道第一选择控制电路，光电放大通道第一选择控制电路用于在一级放大电路的四个光电放大电路中进行光电放大通道选择；光电放大通道第一选择控制电路的一端和传感器连接，获取原始血氧测量信号；光电放大通道第一选择控制电路的另一端与四个光电放大电路中的其中一个光电放大电路的输入端电连接；光电放大通道第一选择控制电路的控制端与主控制模块电连接；光电放大通道第一选择控制电路受控于主控制模块，选择与光电放大通道第一选择控制电路电联通的光电放大电路。
解决上述技术问题的技术方案还可以是一种血氧测量***，基于上述的血氧测量装置，包括二级放大通道选择控制电路；二级放大通道选择控制电路，用于二级放大电路和各光电放大电路连接控制；第二级放大通道选择控制电路的输入端择一和四个光电放大电路的输出端电连接；第二级放大通道选择控制电路的输出端和二级放大电路的输入端电连接；第二级放大通道选择控制电路的控制端和主控制模块电连接；第二级放大通道选择控制电路受控于主控制模块，选择四个光电放大电路中的一个和二级放大电路的输入端电联通。
解决上述技术问题的技术方案还可以是一种血氧信号检测方法，基于上述血氧测量装置，包括以下步骤：步骤A：依次接入第一光电放大电路、第二光电放大电路、第三光电放大电路和第四光电放大电路至主测量电路；获取一级光电放大后的血氧测量信号；步骤B：对主控制模块获取一级光电放大后的各路血氧测量信号，分别进行血氧测量信号质量评定；步骤C：在四个光电放大电路中选取输出的血氧测量信号最先在设定范围内的光电放大电路用作后续测量的光电放大电路。
所述的血氧信号检测方法，步骤C中，血氧测量信号质量评定的设定范围是700至900毫伏之间。
所述的血氧信号检测方法，还包括步骤D：主控制模块根据获取所选定光电放大电路输出的一级放大后的血氧测量信号大小，向偏置设置模块输出偏置设置值，用作二级放大电路的偏置值。
所述的血氧信号检测方法，血氧测量装置还包括可调节光源输出功率的光源驱动电路；步骤C中，当所述四个光电放大电路输出的测量信号都小于700毫伏时，光源驱动电路调节光源输出功率为之前输出功率的N倍，再次检测四个光电放大电路输出的血氧测量信号，直至至少一个光电放大电路输出的血氧测量信号大于等于700毫伏；步骤C中，当所述四个光电放大电路输出的测量信号都大于900毫伏时，光源驱动电路调节光源输出功率为之前输出功率的1/N倍，再次检测四个光电放大电路输出的血氧测量信号，直至至少一个光电放大电路的血氧测量信号小于等于900毫伏；其中N为大于1的自然数。
同现有技术相比较，本发明的有益效果是：1.采用四路光电放大电路进行测量信号的初级筛选，并根据一级放大血氧测量信号进行二级放大电路的偏置设置，大大加速了适应测量条件的时间；2.可调节偏置大小的二级放大电路，在放大电路上利用可控偏置，进一步加快调整放大电路放大基准电压和放大倍数的时间，进一步缩短了血氧测量***和待测介质之间的适配过程，同本申请对薄测量介质等常规技术手段检测困难的血氧测量条件，能进行快速的匹配；3.N倍的光源驱动联合调节的方式，使得一次光源调整能依次应用于四路光电放大电路，进一步加快了***调整时间；从而实现了对不同类型血氧测量都能进行快速的血氧测量，尤其是初始的血氧响应时间上远远优于现有技术。
附图说明
图1是本发明的血氧测量装置实施例的示意框图之一；
图2是本发明的血氧测量装置实施例的示意框图之二；
图3是现有技术中血氧测量装置的示意框图；
图4是血氧测量方法流程示意图之一；
图5是血氧测量方法流程示意图之二。
具体实施方式
以下结合各附图对本发明的实施方式做进一步详述。
如图1所示的血氧测量装置和***的一个具体实施例中，主控制模块为微处理器，主控制模块分别控制光驱动电路、偏置设置电路、光电放大通道第一选择控制电路和二级放大通道选择控制电路。
如图1所示，光电放大通道第一选择控制电路设置在传感器和四路光电放大电路之间，用于在四个光电放大电路中进行光电放大通道选择；光电放大通道第一选择控制电路的一端和传感器连接，获取原始血氧测量信号；光电放大通道第一选择控制电路的另一端与四个光电放大电路中的其中一个光电放大电路的输入端电连接；光电放大通道第一选择控制电路的控制端与主控制模块电连接；光电放大通道第一选择控制电路受控于主控制模块，选择与光电放大通道第一选择控制电路电联通的光电放大电路。
如图1所示的血氧测量装置和***的一个具体实施例中，包括二级放大电路和二级放大通道选择控制电路；二级放大电路为可调节偏置的放大电路；还包括偏置设置模块；偏置设置模块的一端和二级放大电路电连接，偏置设置模块的另一端和主控制模块电连接；主控制模块向偏置设置模块输出偏置设置值，用作二级放大电路的偏置。
如图1所示的血氧测量装置和***的一个具体实施例中，二级放大通道选择控制电路设置在四路光电放大电路和可调偏置的二级放大电路之间；二级放大通道选择控制电路用于二级放大电路和各光电放大电路连接控制；第二级放大通道选择控制电路的输入端择一和四个光电放大电路的输出端电连接；第二级放大通道选择控制电路的输出端和二级放大电路的输入端电连接；第二级放大通道选择控制电路的控制端和主控制模块电连接；第二级放大通道选择控制电路受控于主控制模块，选择四个光电放大电路中的一个和二级放大电路的输入端电联通。如图2所示的血氧测量装置和***的一个现有技术的具体实施例中，只设计了一路模拟放大电路，图中省略了传感器，主控制模块即微处理器分别控制光输出控制电路进行光源调节和一级模拟放大电路的增益调节，单通道进行动态范围的调整，使得对单个放大电路的动态范围提出了极高的要求，同时也增加了电路调节的时间，不能实现快速测量，不能快速适应不同待测介质的测量需求，尤其是在新生儿或者末梢循环不畅的血氧测量应用中，可能出现超出放大器动态范围的情况，导致测量失败。
如图4所示的一种血氧信号检测方法中，基于上述血氧测量装置，包括以下步骤：
步骤A：依次接入第一光电放大电路、第二光电放大电路、第三光电放大电路和第四光电放大电路至主测量回路；获取光电放大后的血氧测量信号，即进行四路模拟信号采集，并进行信号预处理；
步骤B：对主控制模块获取光电放大后的各路血氧测量信号，分别进行血氧测量信号质量评定，即采用信号窗口阈值判断，判断获取的血氧测量信号是否在设定的阈值范围内；
步骤C：在四个光电放大电路中选取血氧测量信号最先在设定范围内的光电放大电路用作后续测量的光电放大电路；血氧测量信号质量评定的设定范围是700至900毫伏之间；
步骤C中，当所述四个光电放大电路输出的测量信号都小于等于700毫伏时，光源驱动电路调节光源输出功率为之前输出功率的N倍，再次检测四个光电放大电路输出的血氧测量信号，直至至少一个光电放大电路输出的血氧测量信号大于700毫伏；其中N为大于1的自然数；N可以根据实际需要进行调整设置，若获取的血氧测量信号远远小于700毫伏，N的数值可以取大，进行光源输出功率的快速调整，如N取8、6或4等，以较高的倍数进行调节；若获取的血氧测量信号已经比较接近700毫伏，N的数值可以取小，进行光源输出功率的微动调整，如N取3或2等进行更精细的光源输出功率调整；
步骤C中，当所述四个光电放大电路输出的测量信号都大于900毫伏时，光源驱动电路调节光源输出功率为之前输出功率的1/N倍，再次检测四个光电放大电路输出的血氧测量信号，直至至少一个光电放大电路的血氧测量信号小于等于900毫伏；其中N为大于1的自然数；若获取的血氧测量信号远远大于900毫伏，N的数值可以取大，进行光源输出功率的快速调整，如N取8、6或4等，以较高的倍数进行调节；若获取的血氧测量信号已经比较接近900毫伏，N的数值可以取小，进行光源输出功率的微动调整，如N取3或2等进行更精细的光源输出功率调整。
在一些附图中未示出的实施例中，还包括了步骤D：主控制模块根据获取所选定光电放大电路输出的一级放大后的血氧测量信号大小，向偏置设置模块输出偏置设置值，用作二级放大电路的偏置值。
如图5所示的一种血氧信号检测方法中，除了包括图4中的步骤之外，还包括以下步骤，选定四路之一模拟信号，即在四个光电放大电路中的一个获取一级放大后的血氧测量信号，再次信号放大即进行二级信号放大。
在二级信号放大的时候，可利用一级放大电路输出的血氧测量信号量，对二级信号放大电路进行偏置设置；对二级信号放大电路进行偏置设置的依据是信号采集和信号预处理后获取二级放大后信号的偏置幅度和放大倍数在决定偏置设置和调整的目标值；信号预处理后进行信号特征识别和计算，输出波形和计算参数。通常主控制模块向偏置设置模块输出偏置设置值的大小为一级放大后的血氧测量信号量的0.8至1.2倍，用作二级放大电路的偏置值。在一个实施例中，二级信号放大电路的偏置数值可设置为血氧测量信号量；当然也可以选择0.8至1.2倍血氧测量信号量大小的数值用作偏置数值。偏置可以是电压型偏置，也可以是电流型偏置，在电流型偏置时，可以换算成相应的电压偏置大小。这样的偏置设置方式大大提升了二级放大电路的工作效率和调节时间，将二级放大电路的放大能力最快应用在差动信号的放大上。
多个第一级光电放大电路，同时增加对该第一级光电放大电路输出的实时信号采集，将采集到的一级放大的血氧测量信号，一方面用于多个第一级光电放大选择，二是用于第二级放大的可调增益的偏置设置。在光源驱动电路和一级放大电路之间形成一个用于调整***和外部测量条件适配的大循环，通过一级电路和光源驱动电路之间的协同调节将一级放大电路调整到最适应外部测量条件的状态下；在这个基础上，再进行一级放大电路和二级放大电路的小循环协同调节，从而实现快速实现测量目标条件的锁定，从而实现脉搏信号的快速获取及血氧的快速计算，两级放大电路的联合调整过程属于现有技术，在此不再赘述。
相比其他技术，本发明所设计的血氧测量装置、***和血氧信号检测方法，采用四路光电放大电路进行测量信号的初级筛选，大大加速了适应测量条件的时间；N倍的光源驱动联合调节的方式，使得一次光源调整能依次应用于四路光电放大电路，进一步加快了***调整时间；可调节偏置大小的二级放大电路，在放大电路上利用可控偏置，进一步加快调整放大电路放大基准电压和放大倍数的时间，进一步缩短了血氧测量***和待测介质之间的适配过程，同本申请对薄测量介质等常规技术手段检测困难的血氧测量条件，能进行快速的匹配；从而实现了对不同类型血氧测量都能进行快速的血氧测量，尤其是初始的血氧响应时间上远远优于现有技术。
本发明提出的基于多路模拟信号采集和双向光源驱动的联合调整机制的血氧信号检测方式能快速匹配不同的待测介质调节，本发明血氧信号检测方法，可应用于不同的血氧测量***及装置，通过方法的改进和优化，可扩展其在手指粗细及耳垂等不同测量部位的适应性，及整个测量***的快速响应。
本方法具有极好的临床应用价值，是手术、重症监护和急诊抢救的必备血氧监护技术之一，从测量功能和关键指标上，尤其是快速响应输出血氧数值的响应能力上，完全能够替代进口同类测量技术，可以产生显著的经济效益。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种血氧测量装置，包括：
一级放大电路，一级放大电路包括放大倍数范围各不相同的至少四个光电放大电路，分别是：第一光电放大电路、第二光电放大电路、第三光电放大电路和第四光电放大电路，这四个光电放大电路的放大倍数呈阶梯状设置；还包括二级放大电路和偏置设置模块，二级放大电路为可调节偏置的放大电路；二级放大电路的输入端和一级放大电路的输出端电连接获取一级放大后的血氧测量信号；二级
放大电路的输出端和主控制模块电连接，向主控制模块输出二级放大后的血氧测量信号；偏置设置模块的一端和二级放大电路的偏置输入端电连接，偏置设置模块的另一端和主控制模块电连接；在开始测量时，主控制模块依次获取四个光电放大电路进行一级放大后的血氧测量信号；
主控制模块获取一级放大后的各路血氧测量信号，分别进行信号质量评定，在四个光电放大电路中选取血氧测量信号幅度最先在设定范围内的一个光电放大电路用作后续血氧测量的光电放大电路；
主控制模块根据获取所选定的光电放大电路输出的一级放大后的血氧测量信号大小，向偏置设置模块输出偏置设置值，用作二级放大电路的偏置值。
2.根据权利要求1所述的血氧测量装置，其特征在于：
信号质量评定中，血氧测量信号幅度的设定范围是700至900毫伏。
3.根据权利要求1所述的血氧测量装置，其特征在于：
主控制模块向偏置设置模块输出偏置设置值的大小为一级放大后的血氧测量信号量的0.8至1.2倍，用作二级放大电路的偏置值。
4.根据权利要求1所述的血氧测量装置，其特征在于：
还包括可调节红光光源或红外光源输出功率的光源驱动电路；
当所述四个光电放大电路输出的四路血氧测量信号都小于700毫伏时，光源驱动电路调节光源输出功率为之前输出功率的N倍，再次检测四个光电放大电路输出的血氧测量信号，直至至少一个光电放大电路的血氧测量信号大于等于700毫伏；当所述四个光电放大电路输出的血氧测量信号都大于900毫伏时，光源驱动电路调节光源输出功率为之前输出功率的1/N倍，再次检测四个光电放大电
路输出的血氧测量信号，直至至少一个光电放大电路的血氧测量信号小于等于900毫伏；其中N为大于1的自然数。
5.根据权利要求1所述的血氧测量装置，其特征在于：
还包括光电放大通道第一选择控制电路，光电放大通道第一选择控制电路用于在一级放大电路的四个光电放大电路中进行光电放大通道选择；
光电放大通道第一选择控制电路的一端和传感器连接，获取原始血氧测量信号；
光电放大通道第一选择控制电路的另一端与四个光电放大电路中的其中一个光电放大电路的输入端电连接；光电放大通道第一选择控制电路的控制端与主控制模块电连接；光电放大通道第一选择控制电路受控于主控制模块，选择与光电放大通道第一选择控制电路电联通的光电放大电路。
6.一种血氧测量***，基于权利要求1至5所述任意一项的血氧测量装置，其特征在于：
包括二级放大通道选择控制电路；二级放大通道选择控制电路，用于二级放大电路和各光电放大电路连接控制；第二级放大通道选择控制电路的输入端择一和四个光电放大电路的输出端电连接；第二级放大通道选择控制电路的输出端和二级放大电路的输入端电连接；第二级放大通道选择控制电路的控制端和主控制模块电连接；第二级放大通道选择控制电路受控于主控制模块，选择四个光电放大电路中的一个和二级放大电路的输入端电联通。
7.一种血氧信号检测方法，基于权利要求1至5任意一项所述的血氧测量装置，包括以下步骤：
步骤A：依次接入第一光电放大电路、第二光电放大电路、第三光电放大电路和第四光电放大电路至主测量电路；获取一级光电放大后的血氧测量信号；
步骤B：对主控制模块获取一级光电放大后的各路血氧测量信号，分别进行血氧测量信号质量评定；
步骤C：在四个光电放大电路中选取输出的血氧测量信号最先在设定范围内的光电放大电路用作后续测量的光电放大电路。
8.根据权利要求7所述的血氧信号检测方法，其特征在于：
步骤C中，血氧测量信号质量评定的设定范围是700至900毫伏之间。
9.根据权利要求7所述的血氧信号检测方法，还包括，
步骤D：主控制模块根据获取所选定光电放大电路输出的一级放大后的血氧测量信号大小，向偏置设置模块输出偏置设置值，用作二级放大电路的偏置值。
10.根据权利要求7所述的血氧信号检测方法，其特征在于：
血氧测量装置还包括可调节光源输出功率的光源驱动电路；
步骤C中，当所述四个光电放大电路输出的测量信号都小于700毫伏时，光源驱动电路调节光源输出功率为之前输出功率的N倍，再次检测四个光电放大电路输出的血氧测量信号，直至至少一个光电放大电路输出的血氧测量信号大于等于700毫伏；步骤C中，当所述四个光电放大电路输出的测量信号都大于900毫伏时，光源驱动电路调节光源输出功率为之前输出功率的1/N倍，再次检测四个光电放大电路输出的血氧测量信号，直至至少一个光电放大电路的血氧测量信号小于等于900毫伏；其中N为大于1的自然数。
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