一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置製造方法
2023-06-24 07:17:46
一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置，設置有：發光模塊、光接收模塊、電流電壓轉換模塊、模數轉換模塊、信號處理模塊；還設置有補償模塊，該補償模塊設置於光接收模塊和電流電壓轉換模塊之間，並分別與光接收模塊、電流電壓轉換模塊、信號處理模塊連接，用於根據信號處理模塊輸出的信號，濾除所述光接收模塊輸出的幹擾光電流；由於補償模塊直接與光接收模塊連接，可以直接濾除光接輸出的幹擾光電流，在源頭上避免了幹擾光電流的混入，有效的提高了測量裝置的信噪比。
【專利說明】一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種無創血氧測量設備，尤其涉及一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置。【背景技術】
[0002]血氧又叫血氧飽和度，血氧飽和度是衡量人體血液攜帶氧的能力的重要參數，通過血氧飽和度的測量，可以及時了解患者的血氧含量，具有極重要的臨床價值。
[0003]無創血氧測量主要採用光電技術，通常有兩種方法:投射法和反射法。光電技術是通過發射一束光通過照射至人體的特定部位，光通過透射或反射至光接收模塊，不同的血氧飽和度和不同的脈率均會導致光接收模塊產生的光電流信號強度不一樣，據此可以檢測出血氧飽和度和脈率。
[0004]血氧的檢測電路都包含電流電壓轉換(即電流轉電壓)電路，這種轉換通常做法是採用運算放大器實現，為實現高的信噪比，我們通常希望該電路具有儘可能大的信號增益，即接收到最大光電流時，電流電壓轉換模塊輸出的電壓應接近運算放大器的最大輸出電壓。但實際情況下，由於外界環境光(太陽光、照明燈光、用於疾病治療的醫用光源等)的光譜與光接收模塊的接收光譜有重疊的部分，那麼當這些光照射到光接收模塊時，必然會產生光電流，這些光電流與測量中發光模塊產生的光電流發生混疊，光電流強度大幅度提升的同時也增大了測量電路的誤差，最嚴重時會造成電流電壓轉換模塊中的運算放大器飽和，導致血氧測量失效。
[0005]而目前環境光濾除單元是基於電壓的方式來進行幹擾濾除，這必須在該環境光濾除單元前設置有電流電壓轉換模塊，為其轉換和處理光信號。容易使電流電壓轉換模塊飽和的同時，也不可避免的將一些光幹擾信號處理為有效信號，從而導致血氧測量設備誤差大，信噪比低，甚至測量失效。
【發明內容】
[0006]本實用新型要解決的技術問題是提供一種結構相對簡單，信噪比高的的血氧測量裝置。
[0007]—種提高血氧抗環境光測量的裝置，設置有:用於提供有效光源的發光模塊；用於接收所述發光模塊照射被測體後的折射光及反射光並轉換為光電流的光接收模塊；與所述光接收模塊連接，用於將其輸出的光電流轉換成光電壓的電流電壓轉換模塊；與所述電流電壓轉換模塊連接，用於將其輸出的模擬信號轉換為數位訊號的模數轉換模塊；與所述模數轉換模塊連接，用於對其輸出的數位訊號進行相應算法處理的信號處理模塊；
[0008]還設置有補償模塊，該補償模塊設置於所述光接收模塊和所述電流電壓轉換模塊之間，並分別與所述光接收模塊、所述電流電壓轉換模塊、所述信號處理模塊連接，用於根據所述信號處理模塊輸出的信號，濾除所述光接收模塊輸出的幹擾光電流。
[0009]進一步的，所述補償模塊包括有數模轉換電路、信號調理電路、電流注入電路；[0010]所述數模轉換電路分別與所述信號處理模塊、所述信號調理電路連接，用於將所述信號處理模塊輸入的補償信號轉換為模擬信號輸出至所述信號調理電路；
[0011]所述信號調理電路包括:第一運算放大器、第一電容、第二電容、第三電容、第四電容、第一電阻、第二電阻、第三電阻、接地端子、輸出電壓端子Vref ;
[0012]所述第一電阻一端連接至所述數模轉換電路，另一端串聯至第一運算放大器反向輸入端；所述第一運算放大器輸出端與所述第三電阻、所述Vref輸出端子、所述第三電容、所述接地端子順序串聯；所述第四電容並聯於所述第三電容兩端；所述第二電容並聯於所述第一運算放大器的反向輸入端及輸出端；所述第二電阻並聯於所述第一運算放大器反向輸入端及所述輸出電壓端子Vref ;所述第一電容並聯於所述第二電阻兩端；所述第一運算放大器非反向輸入端與所述地線端子連接；
[0013]所述電流注入電路設置有第八電阻，所述第八電阻一端連接至所述輸出電壓端子Vref，另一端接入光接收模塊與電流電壓轉換模塊間的結點；用於根據所述數模轉換電路輸入的信號向所述電流電壓轉換模塊輸出補償電流。
[0014]再進一步的，所述電流電壓轉換模塊還包括輔助電流電壓轉換單元；所述輔助電流電壓轉換單元分別與所述光接收模塊、所述信號處理模塊連接，用於提供多一組轉換接Π ；
[0015]所述電流注入電路還設置有第九電阻，用於提供多一個電流注入接口。
[0016]作為一種改進，所述補償模塊還包括信號反相電路；
[0017]所述信號反向電路包括第四電阻、第五電阻、第二運算放大器，所述電流電壓轉換模塊的共模電壓端子Vcom ；
[0018]所述第四電阻一端連接至所述輸出電壓端子Vref，另一端連接至第二運算放大器反向輸入端；所述第五電阻並聯在所述第二運算放大器反向輸入端與第二運算放大器輸出端之間；所述共模電壓端子連接至所述第二運算放大器非反向輸入端；所述第九電阻一端連接至第二運算放大器輸出端，另一端接入光接收模塊與輔助電流電壓轉換單元間的結點，用於對所述輸出電壓端子Vref輸出的電壓以所述電流電壓轉換模塊的共模電壓Vcom為中心進行反相，產生一對以所述電流電壓轉換模塊的共模電壓Vcom為中心對稱的電壓。
[0019]再者，所述第八電阻與所述第九電阻設置為可調式電阻。
[0020]再進一步的，在所述電流電壓轉換模塊與所述模數轉化模塊之間還設置有信號調理模塊，所述信號調理模塊分別與所述電流電壓轉換模塊、所述模數轉換模塊連接，用於當模數轉換模塊中未集成放大濾波電路時，對所述電流電壓轉換模塊輸出的光電壓信號進行放大和/或濾波操作，並輸出給所述模數轉化電路。
[0021]本實用新型一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置通過採用基於調整電流的補償模塊同時，避免了在補償模塊前增加信號轉換單元，並從源頭上避免了測量設備對幹擾信號的處理而造成的誤差，提高了測量的精確地，使本實用新型一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置具有更廣泛的使用範圍，克服了現有技術中的不足。
[0022]【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]為了易於說明，本實用新型由下述的【具體實施方式】及附圖作詳細描述。
[0024]圖1為本實用新型一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置的基本結構示意圖；
[0025]圖2為本實用新型一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置的改進結構示意圖；[0026]圖3為本實用新型一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置的補償模塊的電路示意圖；
[0027]圖4為本實用新型一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置的補償模塊的改進電路示意圖。
[0028]【具體實施方式】
[0029]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。
[0030]如附圖1-4所示，一種提高血氧抗環境光測量的裝置，設置有:用於提供有效光源的發光模塊101 ;用於接收所述發光模塊101照射被測體後的折射光及反射光並轉換為光電流的光接收模塊102 ;與所述光接收模塊102連接，用於將其輸出的光電流轉換成光電壓的電流電壓轉換模塊104 ;與所述電流電壓轉換模塊104連接，用於將其輸出的模擬信號轉換為數位訊號的模數轉換模塊106 ;與所述模數轉換模塊106連接，用於對其輸出的數位訊號進行相應算法處理的信號處理模塊107。
[0031]還設置有補償模塊103，該補償模塊103設置於所述光接收模塊102和所述電流電壓轉換模塊104之間，並分別與所述光接收模塊102、所述電流電壓轉換模塊104、所述信號處理模塊107連接，用於根據所述信號處理模塊107輸出的信號，濾除所述光接收模塊102輸出的幹擾光電流。
[0032]進一步的，所述補償模塊103包括有數模轉換電路301、信號調理電路302、電流注入電路304。
[0033]所述數模轉換電路301分別與所述信號處理模塊107、所述信號調理電路302連接，用於將所述信號處理模塊107輸入的補償信號轉換為模擬信號輸出至所述信號調理電路 302。
[0034]所述信號調理電路302包括:第一運算放大器opal、第一電容Cl、第二電容c2、第三電容c3、第四電容c4、第一電阻rl、第二電阻r2、第三電阻r3、接地端子、輸出電壓端子Vref輸出端子O。
[0035]所述第一電阻rl 一端連接至數模轉換電路301，另一端串聯至第一運算放大器opal的反向輸入端；所述第一運算放大器輸出端與所述第三電阻r3、所述輸出電壓端子Vref、所述第三電容c3、所述接地端子O順序串聯；所述第四電容c4並聯於所述第三電容c3兩端；所述第二電容c2並聯於所述第一運算放大器opal的反向輸入端及輸出端；所述第二電阻r2並聯於所述第一運算放大器反向輸入端及所述輸出電壓端子Vref ;所述第一電容Cl並聯於所述第二電阻r2兩端；所述第一運算放大器opal的非反向輸入端與所述地線端子O連接。
[0036]所述電流注入電路304設置有第八電阻r8，所述第八電阻r8—端連接至所述輸出電壓端子Vref，另一端接入光接收模塊102與電流電壓轉換模塊104間的結點；用於根據所述數模轉換電路301輸入的信號向所述電流電壓轉換模塊104輸出補償電流。
[0037]再進一步的，所述電流電壓轉換模塊104還包括輔助電流電壓轉換單元1041 ;所述輔助電流電壓轉換單元1041分別與所述光接收模塊102、所述信號處理模塊107連接，用於提供多一組轉換接口。
[0038]所述電流注入電路304還設置有第九電阻r9，用於提供多一個電流注入接口。
[0039]作為一種改進，所述補償模塊103還包括信號反向電路303。[0040]所述信號反向電路303包括第四電阻r4、第五電阻r5、第二運算放大器opa2，所述電流電壓轉換模塊104的共模電壓端子Vcom。
[0041]所述第四電阻r4 一端連接至所述輸出電壓端子Vref，另一端連接至第二運算放大器opa2的反向輸入端；所述第五電阻r5並聯於所述第二運算放大器opa2的反向輸入端與第二運算放大器opa2的輸出端之間；所述共模電壓端子Vcom連接至所述第二運算放大器opa2的非反向輸入端；第九電阻r9 一端連接至第二運算放大器opa2的輸出端,另一端接入光接收模塊102與輔助電流電壓轉換單元1041間的結點，用於對所述輸出電壓端子Vref輸出的電流以所述電流電壓轉換模塊104的共模電壓為中心進行反相，產生一對以所述電流電壓轉換模塊104的共模電壓為中心對稱的電壓。
[0042]再者，所述第八電阻r8與所述第九電阻r9設置為可調式電阻。
[0043]又一步的，在所述電流電壓轉換模塊104與所述模數轉化模塊106之間還設置有信號調理模塊105，所述信號調理模塊105分別與所述電流電壓轉換模塊104、所述模數轉換模塊106連接，用於當模數轉換模塊106中未集成放大濾波電路PGA時，對所述電流電壓轉換模塊104輸出的光電壓信號進行放大和/或濾波操作，並輸出至所述模數轉化電路106。
[0044]具體的說，如圖1、2所示:
[0045]光源。該光源為發光模塊101發出的光和環境光即幹擾光。
[0046]光接收模塊102。接收發光模塊101發出的光，同時還會接收到部分外界環境光；並將接收到的光信號轉換成電流信號，這部分電流信號包含了發光模塊產生的電流信號和環境光的幹擾電流信號。
[0047]補償模塊103。補償模塊103即為一個輸出電流可調的恆流源電路，用於抵消環境光產生的幹擾光電流。補償電路包括數模轉換電路301、信號調理電路302、信號反相電路303、電流注入電路304四個單元電路。
[0048]電流電壓轉換模塊104。將補償之後的光電流轉換成電壓信號,若環境光產生的電流補償不充分，輸出的電壓信號將會含有一定的直流成分，因其幅度很低，不會導致測量電路飽和，且信號處理模塊107可輕易對這部分幹擾信號進行處理，在故其影響可以忽略。
[0049]信號調理模塊105。這部分電路可對信號進行放大和/或濾波操作。根據具體的應用，若模數轉換模塊(ADC)內部集成了放大器，濾波可以在電流電壓轉換模塊104中進行硬體濾波或/和信號處理模塊107中進行數字濾波，那麼信號調理模塊105可以省略。
[0050]模數轉換模塊106。模數轉換是將信號調理模塊105輸出的模擬信號轉換成數位訊號(若信號調理模塊105被省略，則直接將電流電壓轉換模塊104輸出的信號轉換成數位訊號)，為信號處理模塊107的數位訊號處理做準備。
[0051]數位訊號處理107。將模數轉換得到的數位訊號進行算法處理，算法處理包括控制補償模塊103輸出所需的補償電流以及血氧、脈率的計算等。
[0052]光接收模塊102接收所有在其接收光譜範圍內的光源，將光能轉換為電能，即轉換成電流信號。
[0053]光接收模塊102輸出的電流信號包含了發光模塊產生的光電流或/和環境光產生的幹擾光電流。
[0054]發光模塊101發射的光是一種具有一定電流大小、一定頻率、一定佔空比的光,透過人體特定部位之後，光接收模塊102將接收的光轉換成電流信號，該電流為方波，波峰具有一定的幅度，波谷為O。
[0055]在血氧的測量過程中，環境光被光接收模塊102接收之後轉換成電流，但因環境光變換緩慢，可認為這部分電流為直流電流。那麼，在存在環境光影響的情況下，光接收模塊102輸出的電流為具有一定偏置的方波電流信號,其方波的波谷即為環境光產生的光電流，波峰至波谷電流為發光模塊102的光線透過人體特定部位後產生的光電流。
[0056]補償模塊103為一個可調的恆流源發生電路，利用了環境光產生的電流為直流的特點，根據信號處理模塊輸出信號，輸出一個與環境光相等的電流將其抵消，那麼剩餘的電流就只剩下發光模塊的光線透過人體特定部位後產生的光電流。
[0057]本實用新型設計了一個閉環控制系統，通過信號處理模塊107接收的幹擾電流信號，計算得出該光電流的幹擾直流分量，然後通過補償電流輸出一個與之對應的補償直流分量進行抵消，這樣便實現了不同外界光照下的補償，提高了血氧測量的準確性及可靠性。 [0058]經補償之後，只剩下發光模塊的光線透過人體特定部位產生的光電流，即方波電流的波谷為O。在實際的控制中，環境光產生的電流允許有少量剩餘，剩餘部分由107進行處理。
[0059]實施例一
[0060]如圖3所示，補償電路包括數模轉換電路(DAC) 301、信號調理電路302、電流注入電路304三個單元電路，電流電壓轉換模塊104為較為通用的電流電壓轉換電路，信號調理模塊105對信號進行程控放大以滿足不同信號強度的需求，並且直接對信號進行模數轉換。該實施例沒有專門設計信號調理模塊105，只由圖中C5對信號進行簡單的濾波。該方案針對單端電流轉換電路，所謂單端電流轉換即電流電壓轉換模塊104輸入為單端。補償
電流公式為-J = ^。
[0061]數模轉換電路(DAC) 301，輸出可調電壓。模數轉換器使用的基準源、位數決定了輸出電壓精度和電壓調節步長。例如，一個12位的模數轉換器，基準源為2.5V，那麼，
[0062]可調節的數字量為:
[0063]D= 2M-1= 212-1 = 4095
[0064]輸出電壓精度為:
[0065]Vw啊=^ X fV XI = Ix 2,5x = 0.305? F
[0066]調節步長為:
[0067]Vsttp = VMFy--^ = 2.5x^jj = 0.61?F
[0068]因此，需要根據具體血氧測量應用選擇合適的模數轉換器，通常使用微控制器(107)內部集成的模數轉換器即可滿足要求。
[0069]信號調理電路302，對301輸出電壓進行放大及濾波處理，以降低信號噪聲，該電路輸出電壓用Vref表示。若301輸出噪聲很低，那麼這部分電路可以去除。
[0070]電流注入電路304，也稱之為電壓電流(即V-1電壓轉換電流)轉換電路。該電路由一個或兩個阻值相同的電阻R8或R8、R9實現，R8、R9阻值與信號調理電路302輸出的電壓共同決定了補償電流的大小，通過電路圖可推導出補償電流公式
【權利要求】
1.一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置，設置有:用於提供有效光源的發光模塊；用於接收所述發光模塊照射被測體後的折射光及反射光並轉換為光電流的光接收模塊；與所述光接收模塊連接，用於將其輸出的光電流轉換成光電壓的電流電壓轉換模塊；與所述電流電壓轉換模塊連接，用於將其輸出的模擬信號轉換為數位訊號的模數轉換模塊；與所述模數轉換模塊連接，用於對其輸出的數位訊號進行相應算法處理的信號處理模塊； 其特徵在於，還設置有補償模塊，該補償模塊設置於所述光接收模塊和所述電流電壓轉換模塊之間，並分別與所述光接收模塊、所述電流電壓轉換模塊、所述信號處理模塊連接。
2.根據權利要求1所述一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置，其特徵在於，所述補償模塊包括有數模轉換電路、信號調理電路、電流注入電路； 所述數模轉換電路分別與所述信號處理模塊、所述信號調理電路連接； 所述信號調理電路包括:第一運算放大器、第一電容、第二電容、第三電容、第四電容、第一電阻、第二電阻、第三電阻、接地端子、輸出電壓端子； 所述第一電阻一端連接至所述數模轉換電路，另一端串聯至第一運算放大器反向輸入端；所述第一運算放大器輸出端與所述第三電阻、所述輸出電壓端子、所述第三電容、所述接地端子順序串聯；所述第四電容並聯於所述第三電容兩端；所述第二電容並聯於所述第一運算放大器的反向輸入端及輸出端；所述第二電阻並聯於所述第一運算放大器反向輸入端及所述輸出電壓端子；所述第一電容並聯於所述第二電阻兩端；所述第一運算放大器非反向輸入端與所述地線端子連接； 所述電流注入電路設置有第八電阻，所述第八電阻一端連接至所述輸出電壓端子，另一端接入所述光接收模塊與所述電流電壓轉換模塊間的結點。
3.根據權利要求2所述一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置，其特徵在於，所述電流電壓轉換模塊還包括輔助電流電壓轉換單元；所述輔助電流電壓轉換單元分別與所述光接收模塊、所述信號處理模塊連接； 所述電流注入電路還設置有第九電阻。
4.根據權利要求3所述一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置，其特徵在於，所述補償模塊還包括信號反相電路； 所述信號反向電路包括第四電阻、第五電阻、第二運算放大器，所述電流電壓轉換模塊的共模電壓端子； 所述第四電阻一端連接至所述輸出電壓端子，另一端連接至第二運算放大器反向輸入端；所述第五電阻並聯於所述第二運算放大器反向輸入端與第二運算放大器輸出端之間；所述共模電壓端子連接至所述第二運算放大器非反向輸入端；所述第九電阻一端連接至第二運算放大器輸出端，另一端接入光接收模塊與輔助電流電壓轉換單元間的結點。
5.根據權利要求4所述一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置，其特徵在於，所述第八電阻與所述第九電阻設置為可調式電阻。
6.根據權利要求5所述一種抗環境光幹擾的血氧測量裝置，其特徵在於，在所述電流電壓轉換模塊與所述模數轉換模塊之間還設置有信號調理模塊，所述信號調理模塊分別與所述電流電壓轉換模塊、所述模數轉換模塊連接。
【文檔編號】A61B5/1455GK203693603SQ201420012141
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】劉慶良 申請人:深圳市理邦精密儀器股份有限公司