基于光電探測技術的呼吸CO2分壓監測系統設計

付藝鋮，夏 攀，王 鵬，周瑞石，方 震

（1.中國科學院大學微電子學院，北京 100049；2.中國科學院空天信息創新研究院傳感技術國家重點實驗室，北京 100190）

呼氣末二氧化碳(Carbon Dioxide of the Expiration Tip，ETCO2)已經被認為是除體溫、呼吸、脈搏、血壓、血氧飽和度以外的第六基本生命體征[1-3]。呼吸二氧化碳濃度監測系統在醫療呼吸監測中是必不可少的[4]。

傳統的呼末CO2監測系統為基于NDIR 原理的熱輻射光源和熱電堆探測器或熱輻射光源和熱釋電探測器組合[5-7]，由于依賴寬波段熱輻射光源，除CO2吸收光譜外的紅外光會被其他氣體吸收，造成測量精度不夠高。熱電探測為避免熱積累，光源強度不宜過強，造成測量范圍小[8]。呼末CO2的監測主要分為主流式和旁流式兩種監測方式[9]，近些年來，基于NDIR 原理的主流式CO2監測設備因其不需要氣泵、干擾小、實時準確的特點得到廣泛應用[10]。Di Zhao[11]等人設計了一款主流式的熱釋電的呼吸CO2傳感器，但由于采用熱電原理，受到呼吸流速、體溫熱效應以及濕度影響，造成CO2測量數據真實性不夠高。英國華威大學工程學院的Vincent 等人研發了一款基于NDIR 的熱電堆ETCO2檢測系統，但所需光強較大，因此測量范圍小，最高僅達到5%（38 mmHg）[12]。Hodgkinson J[13]等人研究了熱電堆探測器和光電探測器，提出了一種新的光子晶體器件，比常規方案測量準確性提高了2 倍。因此，文中根據光電CO2探測器具有光譜范圍集中、光強高的特點，提出一種基于LED 和PD 對的雙光源主流式呼末CO2監測系統。

1 監測系統硬件設計

1.1 光源和探測器選擇

1.1.1 LED光源

采用NDIR 方法測量氣體濃度的一個重要因素是紅外源的選擇，NDIR 二氧化碳傳感器通常使用鎢絲白熾燈[14]，這種類型的燈可以獲得足夠的紅外輸出，波長也很寬，覆蓋了從可見光區域到近紅外和中紅外區域，特別波長為3～5 μm。這就造成了傳感器的功耗增加，額外的吸收也導致精確度不高。而LED 波長范圍集中，具有尺寸小、功耗低，無需制冷和額外濾光片的優點，因此該文采用Perklin 公司的紅外LED43 和LED38 作為輻射光源，雙光源的設計替代了傳統濾波片，光譜集中，大大降低了功耗。由于功耗的降低，在采樣期間便可以輸出比傳統光源發光強度高的4.26 μm 和3.75 μm 的紅外光，從而提升測量準確度且無需溫度補償和溫度控制。該光源通過脈沖電流驅動，工作在50 Hz，占空比在1%以內，瞬時電流為1.9 A，因此具有頻譜集中、高光強和低發熱的特點。

1.1.2 PD探測器

用于CO2監測的探測器有熱電堆探測器、熱釋電探測器和光聲探測器等[15]。熱釋電探測器通過感知熱量在冷端和熱端產生電勢差，從而轉變為電壓[16]。熱釋電探測器用過變化的熱量產生電荷量的變化，從而將輻射強度轉化為電能。通用熱電探測器依賴熱量變化，因此需要輻射強度高、寬頻譜的鎢絲紅外光源，造成高功率，溫度聚集，容易受到呼吸氣流和呼吸溫度等的影響。而光電探測器（PD）依據光子進入PN 結，使電子掙脫共價鍵，生成光生載流子，做漂移運動，從而在反向電壓下產生與光強成正比的光電流，僅對光強敏感，對熱不敏感。Perklin 公司的PD43 工作在4.26 μm 的窄帶區，無需濾光過程，具有快速響應、低功耗、高準確性的特點，因此該文采用PD43 作為探測器。

1.2 系統整體架構

基于光電探測技術的CO2分壓監測系統整體架構如圖1 所示。

圖1 系統整體架構

由圖1 可知，該系統包括電源模塊、紅外光源驅動模塊、信號處理模塊和藍牙模塊，其中電源模塊以300 mAh 便攜鋰電池分別提供3 V 和2.1 V 線性穩壓電源。

1.2.1 光源調制和探測器同步接收模塊

光源調制和探測器同步接收模塊如圖2 所示。

圖2 光源調制和探測器同步接收模塊

TI 公司的模擬前端AFE4900 發出1%占空比脈沖調制信號，在LED 升流模塊作用下將200 mA 恒流源電流提升至瞬時1.9 A大電流，為LED燈提供50 Hz、高電平120 μs 的脈沖調制電流驅動信號。

1.2.2 PD模塊

光電二極管PD 接收經過CO2衰減后的紅外光，產生微弱光電流經過跨導放大器放大后轉化為電壓信號。采用BLE 4.2 無線技術將CO2信號實時回傳至智能客戶終端。考慮到設備體積以及實用性，采用150 mAh 鋰電池為該設備提供電源。

如圖3 所示，在AFE4900 內部，對PD 接收到的微弱光電流信號進行可調濾波放大并轉化為電壓，經過ADC 轉化為數字信號，通過SPI 通信協議傳輸給CC2640 微處理器進行處理。基于LED 和PD 的快速響應、無需補償的特性，AFE4900 將發射端和接收端集成在一起，做到發射脈沖高電平期間完成數據采集處理和傳輸，保證了發射和接收的同步性，省略了對脈沖信號進行峰值檢測等解調步驟。

圖3 PD接收電路

2 監測系統軟件設計

NDIR 傳感器技術是一種成熟的氣體監測技術，是一種非對稱結構或3 個以上原子的氣體分子利用其固有振動的能量吸收特定波長的紅外光的現象，根據式（1）比爾朗伯定律式，得出吸收的紅外光量與濃度成正比。

其中，I0是最初的燈發出的光強度(純凈的空氣下)，I是達到最終探測器(樣品氣體存在)的光的強度，ε是c-1的摩爾消光系數，l是通路長度(傳感器腔深度)，c是CO2氣體濃度。因為ε和l是固定的，所以測量樣品前后的光強可以測量氣體的濃度。

如圖4 所示，CO2在4.26 μm 時有很強的吸光度，在3.75 μm 處幾乎不吸收。

圖4 43LED、38LED和43PD在CO2測量上的吸收光譜

該文采用發射波長在4.26 μm 的43LED 作為主光源，發射波長在3.75 μm 的38LED 作為參考光源，采用探測波長在4.26 μm 的光電探測器43PD 作為探測器，將光信號轉化為電信號。

根據比爾朗伯定律，在43LED 和43PD 主測量通道分支，有：

其中，I10為4.26 μm 的紅外光起始光強，I1為經CO2吸收后探測器接收到的4.26 μm 光強。

在38LED 和43PD 分支，由于CO2對3.75 μm 處紅外光幾乎不吸收，所以幾乎不衰減，起始光強和探測器接收到的光強近似相等，即：

將式（2）與式（3）相除并取對數后可得：

則可得到所求CO2濃度c為：

由于探測器將光電流轉化為電壓后與濃度成正比，即:

其中U1、U2分別為主測量通道和參考測量通道光電流轉換后的電壓，a1、a2與傳感器靈敏度和放大倍數有關，是系統常量。

將式（6）、（7）代入（5）可得：

式（8）中的變量僅有c和U1、U2，因此，在電壓比值的對數值處泰勒展開可得：

則可以將式（8）寫為：

其中，a、b為常數。根據式（10），可利用三次多項式擬合由中間變量對CO2濃度c進行標定和測量。

該研究通過最小二乘法求解上述模型參數。通過控制CO2和N2的百分比進而控制二氧化碳濃度。該研究使CO2分壓為0～760 mmHg（0～100%），步進為76 mmHg(10%)進行濃度范圍確定，再進行0～152 mmHg（0～20%）步進為15.2 mmHg(2%)的標定實驗代入模型得到擬合參數。最后對呼吸附近CO2分壓0～152 mmHg（0～20%）測試評估CO2監測系統性能。

3 信號處理

該研究對采集到的CO2信號進行預處理，通過提取輸出電壓信號的特征點，進一步解析CO2，其步驟可總結如下：

1）對主通道和參考通道的電壓信號采用五點滑動平均法去除周期性高頻雜波干擾，

2）采用八階巴特沃斯帶通濾波器（截止頻率0.01～20 Hz）去除CO2信號中的呼吸流量、濕度等干擾，同時去除50 Hz 工頻干擾。

3）將同一時間下主通道電壓采樣點與參考通道電壓采樣點進行相除運算，并取自然對數值，將該值代入擬合公式，得到CO2濃度值。

4）對CO2濃度值每5 個采樣點進行平滑濾波后計算基線，當采樣點與基線值差值超過設定閾值，則對采樣點進行相減補償，消除基線漂移。

4 實 驗

4.1 搭建CO2濃度標定和測試平臺

CO2標定平臺如圖5 所示，采用規格為X8A 的150 bar 充氣量的99.999%濃度的標準N2（HaiPu，Beijing，China）和99.999%濃度的標準CO2氣瓶，經過二級減壓閥減壓降低壓力到正常呼吸范圍內，通過PC 端調控數字型質量流量控制器控制N2和CO2的百分比，從而精準控制CO2濃度，在CO2傳感器和質量流量控制器之間增加緩沖瓶和緩沖管，防止倒吸。

圖5 CO2標定平臺

4.2 CO2測量結果

從CO2分壓0～760 mmHg（濃度0～100%），步進為76 mmHg(10%)，通氣30 s，溫度保持25 ℃恒溫，流速保持恒定，待數據穩定后，采集10 s 的數據，采樣頻率為50 Hz，對500 個數據點進行5 點滑動平均濾波，并采用八階巴特沃斯帶通濾波器（截止頻率0.01～20 Hz）濾波，對500 個數據點求期望值，最終得到21組數據，分別對應CO2分壓0～760 mmHg（濃度0%～100%），步進為76 mmHg(10%)，如圖6 所示。

圖6 CO2分壓0～760 mmHg（濃度0～100%）范圍測量曲線

從圖中可以看出CO2分壓在0～152 mmHg（0～20%）范圍內呈現明顯的線性分布，且斜率較大，這表明在0～152 mmHg（0～20%）范圍內，隨著CO2分壓值的增加，輸出信號變化顯著且與CO2分壓值成正比，從而確定CO2傳感器的準確測量范圍為0～152 mmHg（0～20%）。

在0～152 mmHg（0～20%）CO2濃度進行步進為15.2 mmHg(2%)的CO2濃度標定實驗，通氣30 s，多次獨立重復實驗取平均值得到21 組數據，數據如表1所示。

表1 CO2在0～152 mmHg（0～20%）的標定數據

根據以上數據采用最小二乘法對CO2數據進行標定，得到最小二乘擬合趨勢曲線如圖7 所示。多項式標定公式為：

圖7 CO2分壓值標定曲線

其中，x為中間變量，y為CO2分壓值，單位為mmHg，擬合的相關系數R2為0.967 4。

4.3 CO2傳感器性能驗證

對CO2傳感器從CO2分壓值0～152 mmHg（0～20%），步進為15.2 mmHg(2%)，溫度保持25 ℃恒溫，流速保持恒定，測得3 次共33 組數據，如表2 所示。

表2 CO2在0～152 mmHg（0～20%）的測量數據

通過小樣本的實驗觀測發現，基于光電二極管探測技術的主流式CO2分壓監測系統探測結果與標準氣體分壓值差別不大，可以滿足呼末CO2監測的使用要求。但在零點處存在漂移，因此需要對零點的漂移進行校準，還需進一步改進。

通過將光電式與傳統熱電式CO2監測系統對比多次測量，如圖8 所示，可以看出，該文基于光電式的CO2監測系統比傳統熱電式誤差更小，線性度更佳，準確度更高。

圖8 該文CO2監測系統與傳統監測系統比較

該研究采用平均絕對誤差（Mean Absolute Error，MAE）和標準差（Standard Deviation，SD）指標驗證其準確性，采用相關性圖和Bland－Altman 圖驗證其性能。

為了進一步驗證該研究方法的性能細節，采用相關性圖展示CO2分壓真實值與CO2分壓預測值的相關性，見圖9。

圖9 CO2測量相關性圖

從圖9 可以看到基于光電二極管探測技術的CO2分壓值與真實CO2分壓值之間的相關系數為0.974（95% CI：0.894 5～1.000 8，P＜0.000 1），均方根誤差為8.143 mmHg。

采用Bland－Altman 圖評估于光電二極管探測技術的CO2分壓值與真實CO2分壓值的一致性結果，見圖10。

圖10 CO2測量的Bland-Altman 圖

由圖10 可得，絕大部分實驗數據均處于95%的一致性界限之內。這表明基于光電二極管探測技術的主流式CO2分壓監測系統的測量結果與真實結果具有良好的相關性和一致性。

5 結論

針對傳統通用NDIR 白熾燈和熱電堆或熱釋電組合探測器光譜較寬，必須增加濾光片，所需發光強度較大，必須進行溫度補償和溫度控制所帶來的測量范圍小，系統復雜度和誤差來源較多的問題，該文設計了新型的基于NDIR 原理的雙中紅外發光二極管LED43、LED38 和光電二極管PD43 組合的主流式CO2分壓監測系統。實驗結果表明，該系統能實現寬范圍、高準確度的呼吸末CO2測量，彌補了傳統探測器測量范圍小，系統復雜的缺點。但是對于零點漂移問題，還有待改進。