基于CMOS影像传感器的血氧饱和度监测系统

1 引言

动脉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。

目前，监护用脉搏血氧饱和度测量仪普遍采用塑料指夹套保持手指与发光管的稳定接触并起到屏蔽外界光的作用，红光与红外光两个发光二极管交替发光，光敏二极管感受透射或反射光强并将其转化为电流量输出。其便于操作和非介入式的优点，已经使其基本上取代了通过有创伤的体外采血测量血氧饱和度的方法，而成为一种不可缺少的监护诊断设备，在新生儿生理参数监测、手术、麻醉等临床实践中得到广泛的应用。

除了对人体内氧缺失的监测外，一些研究发现脉搏血氧饱和度监测仪亦可用于对微小组织的健康及发育情况进行检测，其对血液灌注的敏感显示了监测血管外围疾病的能力。此外，另一个潜在的应用领域是在对压伤、溃疡等伤口诊断、病变的提前预测等场合。据此，本文提出了一种基于CMOS影像传感器的脉搏血氧饱和度监测系统，用CMOS传感器阵列取代了传统血氧仪中的光敏探测，实现了血氧饱和度及脉搏波的无接触测量，并阐述了其在组织发育、伤口诊断、病变的提前预测等场合的潜在应用价值。

2 无创血氧饱和度测量理论基础

无创脉搏血氧饱和度测量是以郎伯-比尔定律为基础，利用近红外光谱吸光光度测量原理，由于血液中不同成分对同一种光线的吸收率各不相同，通过测量穿过血液的不同光线的衰减程度可以换算出血液中不同成分的含量。

当波长为λ的入射光射入厚度为D的均匀组织时，入射光I0与透射光I的关系为

假设E1，C1分别表示动脉血液巾HbO2的吸光系数和浓度；E2，C2分别表示动脉血液中Hb的吸光系数和浓度。L表示动脉血液的光路长度，则由式(2)可得动脉血液的吸光度

假设均匀组织的吸光度不变，当动脉血脉动时，透射光路L将会有一个△L的改变，此时透射光强I将有一个△I的改变，则吸光度A的改变△A为

为了消除式(5)中C1+C2和△L两个参数，采用另一路波长为λ的单色光对手指组织同时照射，可得

式中Ω=△E′／△E。

由于在红光谱区(600～700 nm)氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收差别很大，而在红外光谱区(800～1000 nm)其吸收差别较小，在805 nm左右为等吸收点。如图1所示。

由图可知当波长为805 nm时，将式(3)代入，式(6)可简化为

只要测定两路透射光最大光强I′max，Imax以及由于脉搏搏动而引起的透射光强最大变化量△I′max，△Imax，代人式(7)即可计算得到动脉血液的血氧饱和度。

3 血氧仪组成及工作原理

基于影像传感器的无创脉搏血氧饱和度测量原理如图2所示。

3.1 MSP430微处理器与ET21X110A影像传感器

设计的脉搏血氧饱和度检测系统采用的是TI公司生产的MSP430149单片机，该单片机是美国TI公司最新推出的MSP430系列超低功耗混合信号16位单片机的一种。它采用RISC精简指令集，125 ns指令周期，片内含有硬件乘法器，大大节省了运算时间。该芯片采用低功耗设计，1.8～3.6 V的供电电压，在2.2 V电压32 kHz晶振系统中工作电流7μA，在2.2 V电压，1 MHz晶振系统中工作电流250μA。该单片机功耗极低而且外围模拟电路模块十分丰富，因此非常适合于设计微型化、低功耗产品。

由中国台湾义统电子有限公司设计的ET21X110A是一款内含CMOS影像传感阵列、信号处理电路和8位微控制器的集成传感芯片，具有集成度高、价格低、功耗低和体积小的优点，可工作在行扫描成像输出模式和等效亮点输出模式，一帧图像扫描时间为3.5～4 ms(外接3.58 MHz晶振)。

3.2 系统工作原理

单片机控制760 nm红光及880 nm红外光两个单色发光管对手指组织进行交替照射，触发脉冲同时激励CMOS传感器采集手指透射图像，系统驱动时序如图3所示，由此采集图像的间隔帧反映每个发光管的透射光强。传感器以60帧／s的速度采集手指光强图像，在保证合适的数据解算血氧饱和度和脉率的情况下，也使影像传感器有足够的时间将数据处理与传输。传感器通过串口直接与PC机相连，采用MATLAB软件对图像进行处理分析，计算出脉率及血氧饱和度。

4 结 语

在大量实验基础上，本文所设计的血氧饱和度样机较传统的血氧仪测得的饱和度值偏低，误差偏大，主要原因在于，传统的血氧仪有效地屏蔽了外界光源噪声的干扰，而摄像头则同时暴露在近红外发光管与外界光源中。此外，传统的血氧仪还采用查表法及大量的经验参数校正来减少误差。

为提高灵敏度并减少误差，进一步可采用在两个发光管均不触发的情况下采集图像，通过相减来削弱外界光源的干扰。此外，为使系统可以成功的应用于伤口诊断，反射式系统的开发也将成为必然。