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

BÁO CÁO
TIỂU
LUẬN
MÔN
HỌC
MÔN: CÁC CẢM
BIẾN


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 của
con người nhằm theo dõi, phát hiện các vấn đề sức khỏe ngày càng được chú trọng. Một trong
những tín hiệu đó là nồng độ bão hòa Ô-xy trong máu Sp02. Tín hiệu này cho phép phát hiện các
dấu hiệu bất thường của hệ thống hô hấp, tuần hoàn…một cách rõ ràng, cũng vì thế mà nó được
coi 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 cảm
biến 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. Tại
phổi, các phần tử Hemoglobin này kết hợp với oxy và trở thành oxyhemoglobin (HbO2), sau đó
theo hệ thống mạch đi nuôi cơ thể. Như vậy, trong máu sẽ có hai loại Hemoglobin: loại kết hợp
với oxy (HbO2) và loại không kết hợp với oxy (Hb). Nguyên lý của phép đo oxy trong máu được
tìm ra vào những năm 60 của thế kỷ 18 đó là chất hấp thụ màu có trong máu, hemoglobin là

thành phần cũng mang oxy. (Hemoglobin là protein mà protein này có trong máu). Cũng trong
thời 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 hemoglobin
không 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 (%) = 100

HbO2
HbO2 + Hb

(1)

2


Việc xác định nồng độ bão hào oxy trong máu có ý nghĩa rất quan trọng trong việc đánh giá hoạt
động của sinh lý hô hấp. Người ta có thể đo độ bão hòa oxy trong máu thông qua việc đo áp suất
riêng phần của oxy trong máu PaO2 bởi thiết bị đo khí máu. Phương pháp này có nhược điểm là
không 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 hòa
oxy không can thiệp Pulse Oximeter để theo dõi thông số SpO2 của bệnh nhân.

3


II. NGUYÊN LÝ CỦA PHÉP ĐO ĐỘ BÃO HÒA OXY KHÔNG CAN THIỆP PULSE
OXYMETER:
Nguyên lý của phép đo độ bão hòa oxy trong máu không can thiệp là sử dụng hai nguồn ánh

sáng đó là ánh sáng đỏ ứng với bước sóng là 660nm và ánh sáng hồng ngoại với bước sóng là
940nm và quá trình hấp thụ hai nguồn ánh sáng này của oxyhemoglobin và hemoglobin trên cơ
sở áp dụng định luật Lambert Beer.
1. Định luật Lambert-Beer về sự hấp thụ ánh sáng:
Nếu giả thiết ban đầu
ánh sáng truyền qua

I

Iin
l

mạch máu chỉ bị ảnh

Động mạch

hưởng bởi nồng của
oxyhemoglobin

HbO2Hình 1. Minh họa việc tính độ hấp thụ ánh sáng bằng định luật Lambert Beer

và Hemoglobin Hb và hệ
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
Iin thì ta có:
Tại bước sóng λ1 : I1 = Iin1
Tại bước sóng λ2 : I2 = Iin2

10 − (α 01Co +α r 1Cr )l

10 − (α 02 Co +α r 2Cr ) l

(2)

(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.

4


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 được
biểu 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 SaO2
hoặc SpO2. Với phép đo oxy trong máu dạng xung, chỉ có một phần tín hiệu có liên quan trực
tiếp tới lượng máu trong động mạch ở trong cơ thể người được sử dụng để tính toán độ bão hòa
oxy. Khi ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại được phát ra từ các Diode đi qua đầu ngón tay thì
tín hiệu nhận được có dạng như hình 3. Trong đó, phần tín hiệu xung nhịp thay đổi theo thời gian
với nhịp đập của tim (biên độ của tín hiệu nhịp đập này xấp xỉ 1% so với mức một chiều d.c). Sự
suy 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


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

Trong đó:
A: Là tín hiệu xung nhịp a.c thu được khi ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại truyền
qua máu động mạch, tín hiệu này thay đổi theo thời gian với nhịp đập của tim.
V: Là thành phần tín hiệu một chiều d.c khi ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại truyền
qua tĩnh mạch.
T: Là thành phần tín hiệu một chiều d.c khi ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại truyền
qua mô và xương ở đầu ngón tay.
- Từ định nghĩa của nồng độ bão hòa oxy trong máu SpO2 và nội dung định luật hấp thụ ánh
sáng Lambert Beer, chúng ta thấy rằng có thể dùng phương pháp đo độ hấp thụ để tính được
SpO2.
- Căn cứ trên biểu đồ phụ thuộc của hệ số hấp thụ HbO2 và Hb vào các bước sóng sánh sáng, ta
thấy chúng khác nhau tại dải ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại. Như vậy, về nguyên tắc có thể
tính 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 động
mạch theo hoạt động của chu kỳ tim làm thay đổi độ hấp thụ đo được. Do vậy, có thể đưa ra

6


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

R=

log10 ( I1 / I in1 )
log10 ( I 2 / I in 2 )

Nếu ta lấy

(4)

trong đó R là tỉ số giữa sự thay đổi độ hấp thụ theo thời gian đối với ánh sáng đỏ và ánh s
áng hồng ngoại, thì từ công thức (2) và (3) ta có:
log10I1 = - Iin1(α01Co + αr1Cr)l (5)
log10I2 = - Iin2(α02Co + αr2Cr)l
từ phương trình (5) và (6) ta có:

(6)

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:

α 01 c 0 + α r1c r
α 02 c 0 + α r 2 c r

log10 ( I 1 / I in1 )
log10 ( I 2 / I in2 )
=

⇔

α 01 c0 + α r1c r
α 02 c0 + α r 2 c r
R=

⇒ (α02Co + αr2Cr)R = α01Co + αr1Cr
⇒ (α02R - α01)Co = (αr1 - αr2)Cr

⇒

Từ công thức (1):

α r1 − α r 2 R
α 02 R − α 01

Co
Cr
=

SpO2 (%) = 100

(9)
HbO2
HbO2 + Hb

C0
C0 + Cr
tương đương với:

SpO2 (%) = 100

(10)

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

7


C0
Cr
C0
+1
Cr
SpO2 (%) = 100

(11)

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

(α r 2

Rα r 2 − α r 1
− α 02 ) R − (α r1 − α 01 )

SpO2 (%) = 100

(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=

log10 (( I dc + ac ) / I dc )) λ1
log10 (( I dc+ ac ) / I dc )) λ 2

(13)

Trong đó:
Idc là cường độ ánh sáng đi qua các thành phần như: Tĩnh mạch, mô và xương.
Idc+ac là cường độ ánh sáng đi qua các thành phần như: Tĩnh mạch, mô xương và cả động
mạch.

(a)

(b)

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
8


hiển thị trên màn hình khi đo độ bão hòa oxy bằng thiết bị đo Pulse oximeter). Chú ý rằng thành
phần d.c (đường ranh rới) đã được loại bỏ khỏi các tín hiệu này. Rõ ràng từ hai tín hiệu này ta
thấy 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 đầu
thập kỷ 80, sử dụng phương trình (12) để tính toán giá trị SpO2 trong máu. Tuy nhiên, theo luật
Beer−Lambert phương trình này là cơ bản, không được đưa vào tính toán trong quá trình tán xạ
ánh 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 hai
mối 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 luật
Lamber Beer có xu hướng đưa ra những đánh giá sai về giá trị thực của độ bão hòa oxy trong
máu (đặc biệt đối với giá trị SpO2 dưới 85%). Bằng thực nghiệm, người ta đã xây dựng được
đường cong hiệu chỉnh thể hiện mối quan hệ giữa tỉ số R và độ bão hòa oxy trong máu của bệnh
nhân 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 tình
nguyện viên khỏe mạnh. Đường cong hiệu chỉnh này được dùng làm bảng tra trong các thiết bị
đo độ bão hòa oxy SpO2.

9


Khối tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại

Lọc thông thấp
0.5Hz

Độ bão hòa oxy (%)

Khối tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại

Lọc thông thấp

0.5Hz

Đường cong ứng với định luật Lambert Beer

Đường cong ứng với sự hiệu chỉnh thực nghiệm

Ánh sáng đỏ
Điều khiểnĐiều khiển
LED IR LED RED

Giữ và lấy mẫu

Lọc thông dải
0.5 - 5Hz

Bộ nhớ
Khuếch đại

Tỉ số ( R )

CỦA
BỊhệĐO
HÒA
KHÔNG
CAN
THIỆP
Hình 3.5.III.
Đường SƠ
congĐỒ
hiệuKHỐI

chỉnh thể
hiệnTHIẾT
mối quan
giữaĐỘ
tỉ sốBÃO
R và độ
bão OXY
hòa oxy
trong máu
của bệnh
nhân.
PULSE OXYMETER.
Cảm biến
ánh sáng

Chuyển đổi dòng-áp

Giữ và lấy mẫu

Bộ chuyển đổi A/D

Lọc thông dải
0.5 - 5Hz

Bộ vi xử lý

Khuếch đại
Hiển thị

Ánh sáng hồng ngoại

Mạch định thời gian

Hình 6. Sơ đồ khối của thiết bị đo độ bão hòa oxy không can thiệp
10


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 sáng
hồng ngoại IR có bước sóng là 960nm và bộ cảm biến (thu nhận) ánh sáng - light detector được
thể hiện trong hình vẽ 7.

Diode phátDiode
ánh phát
sángánh
đỏsáng hồng ngoại

Ngón tay

Bộ cảm biến
ánh sáng
Hình 7. Sơ đồ khối của đầu11đo độ bão hòa oxy trong máu.


Để thiết kế các đầu dò đo ở đầu ngón tay (dái tai) nhỏ gọn, chúng ta cần nguồn ánh sáng và bộ
detector 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 độ
nhạy 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 đang
phát triển: Các diode phát sáng phát ra ánh sáng đỏ được sản xuất với hệ thống thấu kính bên
trong để tạo ra những đầu ra có độ nhạy cao. Tương tự như vậy, các diode phát sáng phát ra ánh
sáng hồng ngoại có dòng lớn được thiết kế để tạo ra xung sao cho đỉnh của xung có thể thay đổi
được từ chúng, có thể tăng biên độ xung mà không cần tăng công suất trung bình. Điều này làm
cho 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 trong
bảng tuần hoàn như GaAs, hoặc kết hợp 3 nguyên tố như GaAsP….Đây là các vật liệu tái hợp
trực tiếp có nghĩa là sự tái hợp xảy ra giữa các điện tử ở sát đáy dải dẫn và các lỗ trống ở sát định
dải 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
12


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 trường
hợp 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 nên
điện 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 lệ
tuyến 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 minh
họa 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 bộ
khuếch đại ( transimpedance). Điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với cường độ của ánh sáng
chiếu vào PD. Linh kiện có thể hoạt động ở chế độ cấp nguồn đơn hoặc nguồn kép và có
thể 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
Thông số
SỰ ĐÁP ỨNG

Điều kiện

Min

Typ

Max

Đơn vị

Dòng ở PD

650nm

0,45

A/W

Điện áp ra
DẢI NHIỆT ĐỘ

650nm

0,45

V/uW

Nhiệt độ làm việc

0

70

C

Nhiệt độ bảo quản

-25

85

C

+2,7

+36

V

240

uA

ĐIỆN ÁP CẤP
Điện áp làm việc
Dòng thụ động
Tối, VPIN3=0V
Sơ đồ nguyên lý của OPT101:

120

14

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 bước
sóng) 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 số
đáp ứng( r) của OPT101 là không giống nhau tại những bước sóng khác nhau. Cụ thể đối với 2
bước sóng ánh sáng mà ta sử dụng ở đầu đo là 640nm và 940nm thì hệ số đáp ứng này lần lượt là
0,72 và 0,87. Sự khác biệt này có ý nghĩa cực kì quan trọng vì sự tương quan của điện áp thu
được 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

Tại bước sóng λ2(hồng ngoại):

I2 = 0,87Iin2

10 − (α 01Co +α r1Cr ) l

10 − (α 02Co +α r 2Cr ) l

(4.2)
(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.

16


- 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 đến
một tần số lớn nào đó thì các linh kiện PD sẽ không còn đáp ứng được hoàn toàn với ánh sáng
chiếu 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 linh
kiện 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 ứng
của điện áp ra

18


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 ( thành
phần 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 tối
nói chung gây ra sai lệch về tín hiệu và không có lợi. Dòng điện tối càng nhỏ thì mạch hoạt động
càng chính xác

19


Hình 15 : Quan hệ giữa điện áp dòng tối và nhiệt độ
Như đã trình bày ở bảng 1 thì điện áp đầu ra khi hoạt động vào cỡ 0.5-1V. Như vậy thành
phần điện áp tối ở đây chỉ cỡ 7mV là không có ý nghĩa gì nhiều
- Quan hệ giữa dòng hồi tiếp và nhiệt độ
Dòng hồi tiếp có độ lớn bằng hiệu giữa dòng điện phân cực ( I bias ) và dòng điện tối ( Idark).
Dòng hồi tiếp được cộng vào dòng ID và do đó cũng gây ra sai lệch tín hiệu

20


Hình 16 : Quan hệ giữa dòng hồi tiếp và nhiệt độ
Ta thấy rằng với nhiệt độ phòng bình thường ( 25) thì dòng hổi tiếp cỡ 160pA, chiếm tỷ
lệ không đáng kể so với thành phần ID ( cỡ uA)
*Tín hiệu thu được ở Photodiode:

Hình 17: Sự hấp thụ của ánh sáng khi đi qua ngón tay

21


Tín hiệu thu được ở Photodiode thể hiện cường độ sáng mà photodiode nhận được. Trong
tín hiệu này sẽ gồm 2 thành phần:
-Thành phần một chiều đặc trương cho ánh sáng truyền qua xương, da, cơ, tĩnh mạch
-Thành phần xoay chiều đặc trưng cho ánh sáng truyền qua động mạch và bị hấp thu bởi
Hemoglobin
Thành phần một chiều là thành phần chiếm chủ yếu ( 99% hoặc hơn) và không mang
thông tin, thành phần xoay chiều là thành phần nhỏ ( xấp xỉ 1%) mang thông tin về nồng độ Hb
và Hb02
Bảng sau cho biết kết quả đo được tại đầu ra sau khi được khuếch đại với hệ số 1M Orhm
và điện áp cấp vào Led là 1.5V
Bảng 3: Gía trị điện áp tại đầu ra Photodetector( k=1M)
Loại LED
LED đỏ
LED hồng ngoại

Tín hiệu một chiều
0.5V
1.3V

Xung xoay chiều
8mV
53mV

Nhiễu
5-8mV
8-10mV

Từ bảng trên suy ra bảng thành phần tín hiệu sau đầu ra của PD với V led = 1.5V :
Bảng 4: Thành phần tín hiệu
Loại LED
LED đỏ
LED hồng ngoại

Tìn hiệu một chiều
0.5uA
1.3uA

Xung xoay chiều
8pA
53pA

2. Khối định thời gian:
22

Nhiễu
5-8pA
8-10pA


Khối định thời gian tạo dạng xung điều khiển có độ rộng xung là 50µs để đưa đến khối điều
khiển các diode phát ra ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại ở tần số xác định, chẳng hạn ở tần
số 1KHz (tương ứng với chu kỳ của các xung là 1ms), khoảng cách giữa xung của ánh sáng đỏ
và xung của ánh sáng hồng ngoại là 500µs.
Sơ đồ mạch định thời gian.

T1

+Vcc
8

Ra

4

T2

Reset
3
7 discharg
O/P

2

Rb

T1 = 0.7(Ra+ Rb)C
T2 = 0.7RbC

Trigger

6 threshold
5

1

10n

C

Hình 8. Sơ đồ mạch định thời gian dùng IC 555 tạo ra tần số phát sáng cho 2 diode

Đồ thị thời gian của các xung được tạo ra từ mạch định thời gian.

1ms
50s
Ánh sáng đỏ
500s

Ánh sáng hồng ngoại

Hình 9. Đồthị thời gian của các xung tạo ra từ mạch định thời gian.
3. Khối tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại:
23


Từ sơ đồ khối của thiết bị đo độ bão hòa oxy không can thiệp (hình 6) ta có thể thấy rằng
khối tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại ACG sẽ điều chỉnh cường độ ánh sáng từ các mạch
điều khiển LED tương ứng để sao cho mức một chiều d.c luôn luôn giữ ở giá trị là 2V mặc dù có
sự ảnh hưởng của các yếu tố như: bề dày ngón tay, da,…
Có hai lý do quan trọng để sử dụng mạch tự động điều chỉnh ACG: Thứ nhất, biên độ của tín
hiệu xung nhịp a.c (là tín hiệu có biên độ có thể thay đổi từ 0.1% đến 2% của cả tín hiệu SpO2
được hiển thị ) luôn nằm trong dải giá trị được xác định trước và điều này khiến cho việc thiết kế
các bộ lọc và bộ khuếch đại dễ ràng hơn. Thứ hai là, thành phần một chiều d.c của các tín hiệu
ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại có thể được thiết lập ở giá trị 2V. Do vậy, nó có thể được
loại bỏ khỏi công thức (13) bởi bộ vi xử lý để tính toán độ bão hòa oxy:

R=

⇒ R’ =

log10 (( I dc+ ac ) / I dc )) λ1
log10 (( I dc+ ac ) / I dc )) λ 2
log10 ( I ac ) λ1
log10 ( I ac ) λ 2

(14)

Trong thực tế, thậm chí không cần thiết chuyển đổi biên độ tín hiệu xung nhịp a.c ứng với hai
bước sóng sang phương trình logarithm: Thay vì đó, một bảng dữ liệu có sẵn (look-up table)
được nạp vào bộ nhớ và bảng dữ liệu này chứa các giá trị độ bão hòa oxy SpO2 tương ứng với
mỗi một giá trị của tỉ số R.
4. Lọc thông thấp:
Khối lọc thông thấp (L.p.F - Low pass Fillter) có nhiệm vụ lọc các tín hiệu có tần số từ 0.5Hz trở
lên lấy từ khối giữ và lấy mẫu. Như vậy, tín hiệu ra của khối này hầu như là tín hiệu một chiều
để đưa vào khối tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại.
5. Khối chuyển đổi dòng thành áp:

24


Như đã được đề cập ở trên, tín hiệu ra của bộ thu nhận ánh sáng (detector) là dòng điện, dòng
điện này được đưa tới bộ chuyển đổi dòng - áp. Điện áp này được đưa tới mạch giữ và lấy mẫu.

25