基于光电探测技术的呼吸CO2分压监测系统设计

付艺铖，夏 攀，王 鹏，周瑞石，方 震

（1.中国科学院大学微电子学院，北京 100049；2.中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室，北京 100190）

呼气末二氧化碳(Carbon Dioxide of the Expiration Tip，ETCO2)已经被认为是除体温、呼吸、脉搏、血压、血氧饱和度以外的第六基本生命体征[1-3]。呼吸二氧化碳浓度监测系统在医疗呼吸监测中是必不可少的[4]。

传统的呼末CO2监测系统为基于NDIR 原理的热辐射光源和热电堆探测器或热辐射光源和热释电探测器组合[5-7]，由于依赖宽波段热辐射光源，除CO2吸收光谱外的红外光会被其他气体吸收，造成测量精度不够高。热电探测为避免热积累，光源强度不宜过强，造成测量范围小[8]。呼末CO2的监测主要分为主流式和旁流式两种监测方式[9]，近些年来，基于NDIR 原理的主流式CO2监测设备因其不需要气泵、干扰小、实时准确的特点得到广泛应用[10]。Di Zhao[11]等人设计了一款主流式的热释电的呼吸CO2传感器，但由于采用热电原理，受到呼吸流速、体温热效应以及湿度影响，造成CO2测量数据真实性不够高。英国华威大学工程学院的Vincent 等人研发了一款基于NDIR 的热电堆ETCO2检测系统，但所需光强较大，因此测量范围小，最高仅达到5%（38 mmHg）[12]。Hodgkinson J[13]等人研究了热电堆探测器和光电探测器，提出了一种新的光子晶体器件，比常规方案测量准确性提高了2 倍。因此，文中根据光电CO2探测器具有光谱范围集中、光强高的特点，提出一种基于LED 和PD 对的双光源主流式呼末CO2监测系统。

1 监测系统硬件设计

1.1 光源和探测器选择

1.1.1 LED光源

采用NDIR 方法测量气体浓度的一个重要因素是红外源的选择，NDIR 二氧化碳传感器通常使用钨丝白炽灯[14]，这种类型的灯可以获得足够的红外输出，波长也很宽，覆盖了从可见光区域到近红外和中红外区域，特别波长为3～5 μm。这就造成了传感器的功耗增加，额外的吸收也导致精确度不高。而LED 波长范围集中，具有尺寸小、功耗低，无需制冷和额外滤光片的优点，因此该文采用Perklin 公司的红外LED43 和LED38 作为辐射光源，双光源的设计替代了传统滤波片，光谱集中，大大降低了功耗。由于功耗的降低，在采样期间便可以输出比传统光源发光强度高的4.26 μm 和3.75 μm 的红外光，从而提升测量准确度且无需温度补偿和温度控制。该光源通过脉冲电流驱动，工作在50 Hz，占空比在1%以内，瞬时电流为1.9 A，因此具有频谱集中、高光强和低发热的特点。

1.1.2 PD探测器

用于CO2监测的探测器有热电堆探测器、热释电探测器和光声探测器等[15]。热释电探测器通过感知热量在冷端和热端产生电势差，从而转变为电压[16]。热释电探测器用过变化的热量产生电荷量的变化，从而将辐射强度转化为电能。通用热电探测器依赖热量变化，因此需要辐射强度高、宽频谱的钨丝红外光源，造成高功率，温度聚集，容易受到呼吸气流和呼吸温度等的影响。而光电探测器（PD）依据光子进入PN 结，使电子挣脱共价键，生成光生载流子，做漂移运动，从而在反向电压下产生与光强成正比的光电流，仅对光强敏感，对热不敏感。Perklin 公司的PD43 工作在4.26 μm 的窄带区，无需滤光过程，具有快速响应、低功耗、高准确性的特点，因此该文采用PD43 作为探测器。

1.2 系统整体架构

基于光电探测技术的CO2分压监测系统整体架构如图1 所示。

图1 系统整体架构

由图1 可知，该系统包括电源模块、红外光源驱动模块、信号处理模块和蓝牙模块，其中电源模块以300 mAh 便携锂电池分别提供3 V 和2.1 V 线性稳压电源。

1.2.1 光源调制和探测器同步接收模块

光源调制和探测器同步接收模块如图2 所示。

图2 光源调制和探测器同步接收模块

TI 公司的模拟前端AFE4900 发出1%占空比脉冲调制信号，在LED 升流模块作用下将200 mA 恒流源电流提升至瞬时1.9 A大电流，为LED灯提供50 Hz、高电平120 μs 的脉冲调制电流驱动信号。

1.2.2 PD模块

光电二极管PD 接收经过CO2衰减后的红外光，产生微弱光电流经过跨导放大器放大后转化为电压信号。采用BLE 4.2 无线技术将CO2信号实时回传至智能客户终端。考虑到设备体积以及实用性，采用150 mAh 锂电池为该设备提供电源。

如图3 所示，在AFE4900 内部，对PD 接收到的微弱光电流信号进行可调滤波放大并转化为电压，经过ADC 转化为数字信号，通过SPI 通信协议传输给CC2640 微处理器进行处理。基于LED 和PD 的快速响应、无需补偿的特性，AFE4900 将发射端和接收端集成在一起，做到发射脉冲高电平期间完成数据采集处理和传输，保证了发射和接收的同步性，省略了对脉冲信号进行峰值检测等解调步骤。

图3 PD接收电路

2 监测系统软件设计

NDIR 传感器技术是一种成熟的气体监测技术，是一种非对称结构或3 个以上原子的气体分子利用其固有振动的能量吸收特定波长的红外光的现象，根据式（1）比尔朗伯定律式，得出吸收的红外光量与浓度成正比。

其中，I0是最初的灯发出的光强度(纯净的空气下)，I是达到最终探测器(样品气体存在)的光的强度，ε是c-1的摩尔消光系数，l是通路长度(传感器腔深度)，c是CO2气体浓度。因为ε和l是固定的，所以测量样品前后的光强可以测量气体的浓度。

如图4 所示，CO2在4.26 μm 时有很强的吸光度，在3.75 μm 处几乎不吸收。

图4 43LED、38LED和43PD在CO2测量上的吸收光谱

该文采用发射波长在4.26 μm 的43LED 作为主光源，发射波长在3.75 μm 的38LED 作为参考光源，采用探测波长在4.26 μm 的光电探测器43PD 作为探测器，将光信号转化为电信号。

根据比尔朗伯定律，在43LED 和43PD 主测量通道分支，有：

其中，I10为4.26 μm 的红外光起始光强，I1为经CO2吸收后探测器接收到的4.26 μm 光强。

在38LED 和43PD 分支，由于CO2对3.75 μm 处红外光几乎不吸收，所以几乎不衰减，起始光强和探测器接收到的光强近似相等，即：

将式（2）与式（3）相除并取对数后可得：

则可得到所求CO2浓度c为：

由于探测器将光电流转化为电压后与浓度成正比，即:

其中U1、U2分别为主测量通道和参考测量通道光电流转换后的电压，a1、a2与传感器灵敏度和放大倍数有关，是系统常量。

将式（6）、（7）代入（5）可得：

式（8）中的变量仅有c和U1、U2，因此，在电压比值的对数值处泰勒展开可得：

则可以将式（8）写为：

其中，a、b为常数。根据式（10），可利用三次多项式拟合由中间变量对CO2浓度c进行标定和测量。

该研究通过最小二乘法求解上述模型参数。通过控制CO2和N2的百分比进而控制二氧化碳浓度。该研究使CO2分压为0～760 mmHg（0～100%），步进为76 mmHg(10%)进行浓度范围确定，再进行0～152 mmHg（0～20%）步进为15.2 mmHg(2%)的标定实验代入模型得到拟合参数。最后对呼吸附近CO2分压0～152 mmHg（0～20%）测试评估CO2监测系统性能。

3 信号处理

该研究对采集到的CO2信号进行预处理，通过提取输出电压信号的特征点，进一步解析CO2，其步骤可总结如下：

1）对主通道和参考通道的电压信号采用五点滑动平均法去除周期性高频杂波干扰，

2）采用八阶巴特沃斯带通滤波器（截止频率0.01～20 Hz）去除CO2信号中的呼吸流量、湿度等干扰，同时去除50 Hz 工频干扰。

3）将同一时间下主通道电压采样点与参考通道电压采样点进行相除运算，并取自然对数值，将该值代入拟合公式，得到CO2浓度值。

4）对CO2浓度值每5 个采样点进行平滑滤波后计算基线，当采样点与基线值差值超过设定阈值，则对采样点进行相减补偿，消除基线漂移。

4 实 验

4.1 搭建CO2浓度标定和测试平台

CO2标定平台如图5 所示，采用规格为X8A 的150 bar 充气量的99.999%浓度的标准N2（HaiPu，Beijing，China）和99.999%浓度的标准CO2气瓶，经过二级减压阀减压降低压力到正常呼吸范围内，通过PC 端调控数字型质量流量控制器控制N2和CO2的百分比，从而精准控制CO2浓度，在CO2传感器和质量流量控制器之间增加缓冲瓶和缓冲管，防止倒吸。

图5 CO2标定平台

4.2 CO2测量结果

从CO2分压0～760 mmHg（浓度0～100%），步进为76 mmHg(10%)，通气30 s，温度保持25 ℃恒温，流速保持恒定，待数据稳定后，采集10 s 的数据，采样频率为50 Hz，对500 个数据点进行5 点滑动平均滤波，并采用八阶巴特沃斯带通滤波器（截止频率0.01～20 Hz）滤波，对500 个数据点求期望值，最终得到21组数据，分别对应CO2分压0～760 mmHg（浓度0%～100%），步进为76 mmHg(10%)，如图6 所示。

图6 CO2分压0～760 mmHg（浓度0～100%）范围测量曲线

从图中可以看出CO2分压在0～152 mmHg（0～20%）范围内呈现明显的线性分布，且斜率较大，这表明在0～152 mmHg（0～20%）范围内，随着CO2分压值的增加，输出信号变化显著且与CO2分压值成正比，从而确定CO2传感器的准确测量范围为0～152 mmHg（0～20%）。

在0～152 mmHg（0～20%）CO2浓度进行步进为15.2 mmHg(2%)的CO2浓度标定实验，通气30 s，多次独立重复实验取平均值得到21 组数据，数据如表1所示。

表1 CO2在0～152 mmHg（0～20%）的标定数据

根据以上数据采用最小二乘法对CO2数据进行标定，得到最小二乘拟合趋势曲线如图7 所示。多项式标定公式为：

图7 CO2分压值标定曲线

其中，x为中间变量，y为CO2分压值，单位为mmHg，拟合的相关系数R2为0.967 4。

4.3 CO2传感器性能验证

对CO2传感器从CO2分压值0～152 mmHg（0～20%），步进为15.2 mmHg(2%)，温度保持25 ℃恒温，流速保持恒定，测得3 次共33 组数据，如表2 所示。

表2 CO2在0～152 mmHg（0～20%）的测量数据

通过小样本的实验观测发现，基于光电二极管探测技术的主流式CO2分压监测系统探测结果与标准气体分压值差别不大，可以满足呼末CO2监测的使用要求。但在零点处存在漂移，因此需要对零点的漂移进行校准，还需进一步改进。

通过将光电式与传统热电式CO2监测系统对比多次测量，如图8 所示，可以看出，该文基于光电式的CO2监测系统比传统热电式误差更小，线性度更佳，准确度更高。

图8 该文CO2监测系统与传统监测系统比较

该研究采用平均绝对误差（Mean Absolute Error，MAE）和标准差（Standard Deviation，SD）指标验证其准确性，采用相关性图和Bland－Altman 图验证其性能。

为了进一步验证该研究方法的性能细节，采用相关性图展示CO2分压真实值与CO2分压预测值的相关性，见图9。

图9 CO2测量相关性图

从图9 可以看到基于光电二极管探测技术的CO2分压值与真实CO2分压值之间的相关系数为0.974（95% CI：0.894 5～1.000 8，P＜0.000 1），均方根误差为8.143 mmHg。

采用Bland－Altman 图评估于光电二极管探测技术的CO2分压值与真实CO2分压值的一致性结果，见图10。

图10 CO2测量的Bland-Altman 图

由图10 可得，绝大部分实验数据均处于95%的一致性界限之内。这表明基于光电二极管探测技术的主流式CO2分压监测系统的测量结果与真实结果具有良好的相关性和一致性。

5 结论

针对传统通用NDIR 白炽灯和热电堆或热释电组合探测器光谱较宽，必须增加滤光片，所需发光强度较大，必须进行温度补偿和温度控制所带来的测量范围小，系统复杂度和误差来源较多的问题，该文设计了新型的基于NDIR 原理的双中红外发光二极管LED43、LED38 和光电二极管PD43 组合的主流式CO2分压监测系统。实验结果表明，该系统能实现宽范围、高准确度的呼吸末CO2测量，弥补了传统探测器测量范围小，系统复杂的缺点。但是对于零点漂移问题，还有待改进。