Phương pháp đo oxy bão hòa dạng xung cảm biến đo quang nồng độ oxy trong máu

Phương pháp đo oxy bão hòa dạng xung cảm biến đo quang nồng độ oxy trong máu

BÁO CÁO TIỂU

BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC

MÔN: CÁC CẢM BIẾN

GVHD: PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ

Cùng vớí sự phát triển của khoa học công nghệ thì việc đo đạc phân tích các tín hiệu sống củacon người nhằm theo dõi, phát hiện các vấn đề sức khỏe ngày càng được chú trọng Một trongnhững tín hiệu đó là nồng độ bão hòa Ô-xy trong máu Sp02 Tín hiệu này cho phép phát hiện cácdấu hiệu bất thường của hệ thống hô hấp, tuần hoàn…một cách rõ ràng, cũng vì thế mà nó đượccoi như một dấu hiệu sinh tồn thứ 5

Trong bài báo cáo này, chúng ta sẽ đề cập đến một phép đo nồng độ Oxy trong máu sử dụng cảmbiến quang học dựa theo phép đo Oxy bão hoà dạng xung

CHỦ ĐỀ: PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ BÃO HÒA OXY DẠNG XUNG - CẢM BIẾN

QUANG ĐO NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU

I. GIỚI THIỆU CHUNG:

Ôxy cung cấp cho các tế bào trong cơ thể nhờ các phân tử Hemoglobin (Hb) có trong máu Tạiphổi, các phần tử Hemoglobin này kết hợp với oxy và trở thành oxyhemoglobin (HbO2), sau đótheo hệ thống mạch đi nuôi cơ thể Như vậy, trong máu sẽ có hai loại Hemoglobin: loại kết hợpvới oxy (HbO2) và loại không kết hợp với oxy (Hb) Nguyên lý của phép đo oxy trong máu đượctìm ra vào những năm 60 của thế kỷ 18 đó là chất hấp thụ màu có trong máu, hemoglobin làthành phần cũng mang oxy (Hemoglobin là protein mà protein này có trong máu) Cũng trongthời gian này, vấn đề được chú ý tới đó là sự hấp thụ của ánh sáng nhìn thấy bởi các hemoglobin.Đây là nguyên nhân mà hai dạng phân tử phổ biến là oxyhemoglobin (HbO2) và hemoglobinkhông kết hợp với oxy (Hb) có sự khác nhau đáng kể về phổ quang học với các bước sóng từ

660nm đến 940nm Độ bão hòa oxy thường liên quan tới SaO2 hoặc SpO2, được xác định là tỉ

số giữa oxyhemoglobin (HbO2) và toàn bộ số hemoglobin có trong máu:

SpO2 (%) = 100HbO Hb

HbO

+

22

(1)

Việc xác định nồng độ bão hào oxy trong máu có ý nghĩa rất quan trọng trong việc đánh giá hoạtđộng của sinh lý hô hấp Người ta có thể đo độ bão hòa oxy trong máu thông qua việc đo áp suấtriêng phần của oxy trong máu PaO2 bởi thiết bị đo khí máu Phương pháp này có nhược điểm làkhông thể theo dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân một cách liên tục.

Trong thiết bị theo dõi bệnh nhân - monitoring, người ta sử dụng phương pháp đo độ bão hòaoxy không can thiệp Pulse Oximeter để theo dõi thông số SpO2 của bệnh nhân

3

Hình 1 Minh họa việc tính độ hấp thụ ánh sáng bằng định luật Lambert Beer

sở áp dụng định luật Lambert Beer

số hấp thụ của hai loại

hemoglobin này tại hai

bước sóng đo là khác nhau, sau đó cường độ ánh sáng sẽ giảm theo hàm logarithm với độ dài

bước sóng; nếu gọi độ dài của động mạch là l, cường độ ánh sáng ban đầu đi qua động mạch là

I in thì ta có:

Tại bước sóng λ1 : I1 = Iin1

l Cr

Co r )

10− α +α

(3)Trong đó: C0 là nồng độ của oxyhemoglobin HbO2

Cr là nồng độ của hemoglobin không kết hợp với oxy Hb

αon là hệ số hấp thụ của HbO2 ứng với bước sóng λn

αrn là hệ số hấp thụ của Hemoglobin ứng với bước sóng λn.

2 Quan hệ giữa hệ số hấp thụ của HbO2 và Hb với bước sóng áng sáng:

Như đã đề cập ở mục trên, sự hấp thụ ánh sáng của oxyhemoglobin (HbO2) và hemoglobin (Hb)phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng chiếu tới Bằng thực nghiệm người ta đã xây dựng đượcbiểu đồ liên hệ giữa hệ số hấp thụ của HbO2 và Hb với bước sóng ánh sáng như hình 2

3.

Nguyên lý của phép đo độ bão hòa oxy:

Gần đây, sự phát triển về phép đo oxy trong máu dạng xung đã được biết đến như là một

kỹ thuật đo không can thiệp rất hữu ích đối với quá trình đo độ bão hòa oxy trong máu SaO2hoặc SpO2 Với phép đo oxy trong máu dạng xung, chỉ có một phần tín hiệu có liên quan trựctiếp tới lượng máu trong động mạch ở trong cơ thể người được sử dụng để tính toán độ bão hòaoxy Khi ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại được phát ra từ các Diode đi qua đầu ngón tay thìtín hiệu nhận được có dạng như hình 3 Trong đó, phần tín hiệu xung nhịp thay đổi theo thời gianvới nhịp đập của tim (biên độ của tín hiệu nhịp đập này xấp xỉ 1% so với mức một chiều d.c) Sựsuy hao ánh sáng bởi các thành ở đầu ngón tay có thể chia thành ba phần độc lập với nhau đó là:động mạch, tĩnh mạch và các mô, xương (cũng được thể hiện trong hình 3)

5

- Căn cứ trên biểu đồ phụ thuộc của hệ số hấp thụ HbO2 và Hb vào các bước sóng sánh sáng, tathấy chúng khác nhau tại dải ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại Như vậy, về nguyên tắc có thểtính được lượng HbO2 và Hb trong máu thông qua việc đo độ hấp thụ của máu tại vùng ánh sáng

đỏ và ánh sáng hồng ngoại

- Nếu gắn trực tiếp đầu đo tín hiệu SpO2 lên một số bộ phận của cơ thể người như ngón tay,vành tai thì ngoài việc tính toán được tham số SpO2, sự thay đổi của lượng máu trong hệ độngmạch theo hoạt động của chu kỳ tim làm thay đổi độ hấp thụ đo được Do vậy, có thể đưa ra

Hình 3 Tín hiệu nhận được khi truyền ánh sáng qua đầu ngón tay

được dạng sóng của tín hiệu SpO2 trên cơ sở nhịp đập của tim (thành phần tín hiệu xung nhịp a.ctrong hình 3).

Nếu ta lấy

10 1 1

10 2 2

log ( / )log ( / )

in in

I I R

I I

=

(4)trong đó R là tỉ số giữa sự thay đổi độ hấp thụ theo thời gian đối với ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại, thì từ công thức (2) và (3) ta có:

log10I1 = - Iin1(α01Co + αr1Cr)l (5)log10I2 = - Iin2(α02Co + αr2Cr)l (6)

từ phương trình (5) và (6) ta có: log10 (I1/ Iin1 )= - (α01Co + αr1Cr)l (7)

log10 (I2/ Iin2 )= - (α02Co + αr2Cr)l (8)

lấy phương trình (7) chia cho phương trình (8) ta được:

)/(log

)/(log

2 2 10

1 1 10

in

in

I I

I I

=

r r

r r

c c

c c

2 0 02

1 0 01

αα

α

α+

+

r r

r r

c c

c c

2 0 02

1 0 01

αα

α

α+

= 02 01

2 1

αα

tương đương với: SpO2 (%) = 100 r

C C

C

+

0 0

(10)Chia cả tử số và mẫu số của vế phải phương trình (3.10) chia cho Cr ta có:

7

SpO2 (%) = 100

10

(11)thay phương trình (9) vào (11) và biến đổi ta thu được:

SpO2 (%) = 100

)(

)

1 2

ααα

r r

R R

(12)

Từ hình vẽ 3 mô tả về tín hiệu thu được khi truyền ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại

qua đầu ngón tay kết hợp với định luật Lambert Beer, người ta đưa ra được công thức

tính tỉ số R, công thức (13)

R =

2 10

1 10

))/)((

log

))/)((

log

λ

λ

dc ac dc

dc ac dc

I I

I I

+ +

(13)Trong đó:

I dc là cường độ ánh sáng đi qua các thành phần như: Tĩnh mạch, mô và xương

mạch

(a)

(b) (a)

Hình 4 Thành phần tín hiệu xung nhịp a.c thu được khi ánh sáng truyền qua máu động mạch ở đầu ngón tay.

Hình 4(a) và hình 4(b) miêu tả tín hiệu xung nhịp đồng bộ với nhịp tim được thu nhận khi ánh

sáng đỏ hoặc ánh sáng hồng ngoại chiếu qua đầu ngón tay (hay đây là tín hiệu xung nhịp được

hiển thị trên màn hình khi đo độ bão hòa oxy bằng thiết bị đo Pulse oximeter) Chú ý rằng thànhphần d.c (đường ranh rới) đã được loại bỏ khỏi các tín hiệu này Rõ ràng từ hai tín hiệu này tathấy rằng có sự thay đổi khá rộng về hình dạng của tín hiệu, trong hình 4(b) ta thấy có một đỉnh

phụ ứng với mỗi nhịp tim Hiện tượng này khá phổ biến: đỉnh phụ đó là dichrotic notch (dicrotic

notch là sự đánh dấu sự kết thúc của chu kỳ tâm thu và sự bắt đầu của chu kỳ tâm trương )

4 Đường cong hiệu chỉnh của các thiết bị đo độ bão hòa oxy dạng xung:

Những thiết bị đo nồng độ oxy trong máu đầu tiên được chế tạo trong những năm đầuthập kỷ 80, sử dụng phương trình (12) để tính toán giá trị SpO2 trong máu Tuy nhiên, theo luậtBeer−Lambert phương trình này là cơ bản, không được đưa vào tính toán trong quá trình tán xạánh sáng bởi các tế bào hồng cầu Ảnh hưởng của tán xạ chỉ được bù đắp một phần khi sự tán

xạ là bước sóng độc lập Do vậy phương trình (12) là phương trình đơn giản Hình 5 chỉ ra haimối quan hệ, một là quá trình sử dụng luật Lambert Beer, hai là dựa vào số liệu thực nghiệm,giữa tỉ số R và độ bão hòa oxy trong máu của bệnh nhân Do vậy, các phép đo dựa vào luậtLamber Beer có xu hướng đưa ra những đánh giá sai về giá trị thực của độ bão hòa oxy trongmáu (đặc biệt đối với giá trị SpO2 dưới 85%) Bằng thực nghiệm, người ta đã xây dựng đượcđường cong hiệu chỉnh thể hiện mối quan hệ giữa tỉ số R và độ bão hòa oxy trong máu của bệnhnhân thông qua việc sử dụng bảng tra cứu được lấy từ quá trình nghiên cứu hiệu chỉnh số liệu khi

đo độ bão hòa oxy trong máu theo phương pháp không xâm chiếm với số lượng lớn các tìnhnguyện viên khỏe mạnh Đường cong hiệu chỉnh này được dùng làm bảng tra trong các thiết bị

đo độ bão hòa oxy SpO2

9

Hình 3.5 Đường cong hiệu chỉnh thể hiện mối quan hệ giữa tỉ số R và độ bão hòa oxy trong máu của bệnh nhân.

Đường cong ứng với định luật Lambert Beer

Đường cong ứng với sự hiệu chỉnh thực nghiệm

Khối tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại

Khối tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại

Lọc thông thấp0.5Hz

Lọc thông thấp0.5Hz

Giữ và lấy mẫu

Giữ và lấy mẫuChuyển đổi dòng-áp

Điều khiểnLED IR

Điều khiểnLED RED

Cảm biến ánh sáng

Ánh sáng đỏ

Ánh sáng hồng ngoại

Mạch định thời gian

Lọc thông dải0.5 - 5Hz

Lọc thông dải0.5 - 5Hz

Bộ cảm biến ánh sáng Diode phát ánh sáng đỏ Diode phát ánh sáng hồng ngoại

Hình 7 Sơ đồ khối của đầu đo độ bão hòa oxy trong máu.

Ngón tay

Chức năng hoạt động của từng khối

1 Khối đầu đo:

Khối đầu đo bao gồm Diode phát ánh sáng đỏ RED có bước sóng là 640nm, diode phát ánh sánghồng ngoại IR có bước sóng là 960nm và bộ cảm biến (thu nhận) ánh sáng - light detector đượcthể hiện trong hình vẽ 7

11

Để thiết kế các đầu dò đo ở đầu ngón tay (dái tai) nhỏ gọn, chúng ta cần nguồn ánh sáng và bộdetector nhỏ Các diode phát sáng (LED) phát ra các ánh sáng đỏ Red và hồng ngoại Infra Red.Tuy nhiên, công suất trung bình có thể nhận được từ các LEDs sẽ bị hạn chế và bộ detector có độnhạy cao sẽ rất cần thiết để phát hiện lượng ánh sáng nhỏ được truyền qua đầu ngón tay.

Vấn đề này có thể khắc phục được bằng cách dùng các diode phát sáng LED chuyên biệt đangphát triển: Các diode phát sáng phát ra ánh sáng đỏ được sản xuất với hệ thống thấu kính bêntrong để tạo ra những đầu ra có độ nhạy cao Tương tự như vậy, các diode phát sáng phát ra ánhsáng hồng ngoại có dòng lớn được thiết kế để tạo ra xung sao cho đỉnh của xung có thể thay đổiđược từ chúng, có thể tăng biên độ xung mà không cần tăng công suất trung bình Điều này làmcho bộ detector có thể phát hiện được ánh sáng truyền qua đầu ngón tay một cách đơn giản

* Cấu tạo của diode phát quang: Diode phát quang gồm một lớp tiếp xúc P-N và hai chân cực

Anode và Cathode Anode được nối với bán dẫn loại P còn Cathode được nối với bán dẫn loại N.Vật liệu chế tạo Diode phát quang đều là các liên kết của các nguyên tố nhóm 3 và nhóm 5 trongbảng tuần hoàn như GaAs, hoặc kết hợp 3 nguyên tố như GaAsP….Đây là các vật liệu tái hợptrực tiếp có nghĩa là sự tái hợp xảy ra giữa các điện tử ở sát đáy dải dẫn và các lỗ trống ở sát địnhdải hóa trị

Hình 8: Cấu tạo diode phát quang

*Nguyên lý làm việc:Khi LED phân cực thuận, các hạt dẫn đa số khuếch tán ồ ạt qua lớp tiếp

xúc P-N, chúng gặp nhau sẽ dẫn đến tái hợp và giải phóng năng lượng dưới dạng các photon ánh sáng Tốc độ tái hợp tỷ lệ với nồng độ điện tử trong phần bán dẫn P và nồng độ lỗ trống trong phần bán dẫn N và nồng độ điện tử trong phần bán dẫn P Các hạt dẫn này là rất thấp trong các

chất bán dẫn do đó người ta thường cấy thêm các hạt dẫn vào Cường độ dòng điện qua Diode tỉ

lệ thuận với cường độ của các hạt dẫn và do đó cũng tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng phát ra

*Các thông số của LED:

-Dòng qua LED: Đây là dòng khi LED hoạt động chạy từ Anode sang Cathode Trong trườnghợp đầu đo đang xét thì dòng này vào cỡ 2-10mA

-Điện áp sử dụng: Đây là điện áp rơi trên 2 đầu LED, để LED hoạt động ổn định thì điện áp này

có thể nằm trong khoảng 0,9 – 3V Lưu ý là vì ánh sáng hồng ngoại truyền qua tay nhiều hơn nênđiện áp cấp cho LED hồng ngoại thường sẽ thấp hơn điện áp cấp cho LED đỏ

* Photodiode ( Photodetecter):

Photodiode biến đổi ánh sáng thu được thành tín hiệu điện, cụ thể ở đây là dòng điện

Hình 9 : Đặc tuyến V-I của một Photodiode Si[1]

Photodiode hoạt động ở chế độ phân cực ngược, theo đó dòng điện thu được sẽ tỷ lệtuyến tính với cường độ ánh sáng theo công thức:

I = SE

Trong đó: S là tỷ lệ nhạy sáng của photodiode

E là cường độ ánh sáng chiếu vào photodiode

13

Để hiểu rõ hơn hoạt động của Photodiode( PD) ở chế độ phân cực ngược xem hình minhhọa trên đây về đặc tuyến I-V của một Si-PD điển hình

Loại Photodiode được sử dụng là loại OPT101:

OPT101 của hãng Texas Instruments là một linh kiện gồm một PD tích hợp sẵn với bộkhuếch đại ( transimpedance) Điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với cường độ của ánh sángchiếu vào PD Linh kiện có thể hoạt động ở chế độ cấp nguồn đơn hoặc nguồn kép và cóthể sử dụng nguồn Pin

Bảng dưới đây cho biết các thông số hoạt động chính của OPT101

Bảng 1: Thông số hoạt động của OPT101

SỰ ĐÁP ỨNG

Dòng ở PD

Điện áp ra

650nm 650nm

0,45 0,45

A/W V/uW DẢI NHIỆT ĐỘ

Nhiệt độ làm việc

Nhiệt độ bảo quản

0 -25

70 85

C C

V uA

Sơ đồ nguyên lý của OPT101:

Hình 10 : Sơ đồ nguyên lý của OPT101[10]

OPT101 được thiết kế với mục đích cảm biến ánh sáng môi trường ( ánh sáng nhiều bướcsóng) do đó đối với ứng dụng đo Sp02 có một số vấn đề cần lưu ý:

- Phổ đáp ứng của OPT101

Phổ đáp ứng cho biết sự thay đổi của khả năng đáp ứng theo bước sóng ánh sáng

15

Hình 11 : Phổ đáp ứng của OPT101

Trong đồ thị trên, trục ngang là bước sóng và trục đứng là hệ số đáp ứng Ta thấy hệ sốđáp ứng( r) của OPT101 là không giống nhau tại những bước sóng khác nhau Cụ thể đối với 2bước sóng ánh sáng mà ta sử dụng ở đầu đo là 640nm và 940nm thì hệ số đáp ứng này lần lượt là0,72 và 0,87 Sự khác biệt này có ý nghĩa cực kì quan trọng vì sự tương quan của điện áp thuđược không chỉ phụ thuộc vào các thành phần Hb và Hb02 ta cần tính mà còn phụ thuộc vào hệ

số đáp ứng của từng bước sóng

Lúc đó công thức tính R sẽ phải hiệu chỉnh lại theo các hệ số này vì:

Tại bước sóng λ1(đỏ) : I1 =0,72 Iin1

l Cr

Co r )

10−α +α

(4.2)Tại bước sóng λ2(hồng ngoại): I2 = 0,87Iin2

l Cr

( 02 2

10−α +α

(4.3)Lưu ý là nếu mạch sử dụng khối tự động điều chỉnh độ sáng của Leds thì sự hiệu chỉnh là

không cần thiết

- Quan hệ giữa điện áp đầu ra và công suất chiếu sáng của OPT101

Hình 12 : Quan hệ giữa điện áp ra và công suất chiếu sáng

Từ đồ thị trên ta thấy OPT101 có sự biến đối tuyến tính giữa công suất chiếu sáng và điện

áp ra

- Quan hệ giữa đáp ứng điện áp và tần số chiếu sáng

Tần số chiếu sáng ở đây số lần nháy của nguồn sáng trong một giây Về nguyên tắc đếnmột tần số lớn nào đó thì các linh kiện PD sẽ không còn đáp ứng được hoàn toàn với ánh sángchiếu vào nữa

17

Hình 13: Quan hệ giữa đáp ứng điện áp và tần số chiếu sáng

Từ đồ thị trên ta thấy là trong khoảng lấy mẫu đang xét ( 100Hz) thì sự đáp ứng của linhkiện là ổn định ( phải lên đến hơn 10kHz thì sự đáp ứng mới bị giảm sút )

- Quan hệ giữa góc chiếu sáng và sự đáp ứng

Cũng một cường độ sáng như nhau thì rõ ràng góc chiếu cũng có ảnh hưởng đến đáp ứngcủa điện áp ra

Hình 14: Quan hệ giữa góc chiếu và đáp ứng điện áp

Trong đề tài đang xét thì góc chiếu được bố trí bằng 0 đối với thành phần chính ( thànhphần ánh sáng truyền qua)

- Quan hệ giữa dòng điện tối và nhiệt độ

Dòng điện tối là dòng điện có ngay cả khi PD không hề được chiếu sáng Dòng điện tốinói chung gây ra sai lệch về tín hiệu và không có lợi Dòng điện tối càng nhỏ thì mạch hoạt độngcàng chính xác

19