一种单片便携式脉搏血氧饱和度测量仪的研制

收稿日期: 2010- 06- 10 基金项目: 安徽省高等学校省级优秀青年人才基金资助项目 ( 2010SQRL055) 作者简介: 张亚 ( 1978� ), 男, 安徽淮南人, 硕士, 讲师,主要研 究方向为信号检测与处理、嵌入式系统; 万遂人 ( 1953� ), 男, 教授, 博士生导师。 一种单片便携式脉搏血氧饱和度测量仪的研制 张 � 亚 1, 赵兴群2, 万遂人 2 ( 1. 安徽理工大学 电气与信息学院,安徽 淮南 � 232001; 2. 东南大学 生物科学与医学工程学院, 江苏 南京 � 210096) 摘要:根据红外光谱法血氧饱和度测量原理, 以 MSP430为开发平台,设计了一种便携式无线脉搏血氧 仪。设计中采用了一种新型的腕式血氧探头, 使用户佩戴和测量更加方便; 硬件设计上充分利用了单片 机内部的功能模块,使外围元件个数减到最少,功耗降到最低;软件设计上实现了信号调制、信号处理、 信息显示和无线通信等功能。实验样机的初步测量结果明, 在安静的状态下血氧饱和度测量误差在 1%之内。 关键词:血氧饱和度; 便携式;红外光谱法; M SP430 中图分类号: R318. 6� � 文献标识码: A � � 文章编号: 1000- 8829( 2011) 06- 0001- 04 A Single�Chip Portable Pulsoxim eter Design ZHANG Ya1, ZHAO X ing�qun2, WAN Su i�ren2 ( 1. Schoo l of E lectrical and Inform ation Eng ineer ing, AnhuiUn ive rs ity o f Science and Techno logy, H ua inan 232001, Ch ina; 2. Schoo l o f B io log ica l Sc ience andM ed ica l Eng ineering, SoutheastUn iv ers ity, Nan jing 210096, Ch ina) Abstract: Based on the infrared spectrum method in blood oxygen saturationm easuremen,t the imp lemen tation of a po rtablew ireless pu lsox imeter using theM SP430 is demonstrated. A new periphera l probe wh ich is placed on thew rist o f the body is adopted in design in order to fac ilitate them easuremen.t TheMCU interna lmodules are fully used in hardw are design in order to keep the ex terna l components and the pow er consumption to a m inimum. The functions such as signa lmodu la tion, signa l processing, informa tion display and w ireless commu� n icat ion are realized in so ftw are design. The experim enta l resu lt ind icates that the blood oxygen saturation measurement error is w ith in 1% in the qu iet env ironmen.t Key words: b lood oxygen saturation; portab le; in frared spectrum m ethod; M SP430 � � 人体组织细胞维持正常新陈代谢的氧是通过血液 循环系统输送的, 血氧饱和度 [ 1] ( SpO2, b lood oxygen saturation)是反映血液中氧含量的主要参数。通过连 续或间断地监测血氧饱和度可以对人体携带氧的能力 进行估计,同时, 其又是判断人体呼吸系统、循环系统 是否出现障碍或者周围环境是否缺氧的重要指标, 在 手术麻醉、监护室急救病房、病人运动和睡眠研究、以 及慢性呼吸循环系统疾病患者的监控上都有着重要的 作用 [ 2]。 国外开展无创血氧饱和度检测技术较早。从 20 世纪 50年代 Wood和 Cow orker描述了一种无创伤检 测血氧饱和度的方法, 到 20世纪 80年代 N ellor研制 出一种应用于临床的脉搏血氧饱和度仪 N�100, 用红 外光谱法进行无创血氧饱和度测量已经取得较大的成 功,脉搏血氧仪正处于大范围普及和应用阶段,如 N el� lo r、Masimo、Ph ilips等公司已开发出相对成熟的产品并 应用于临床。但是, 由于工程学和生理学存在一定的 局限性,评价 SpO2值的正确性和可靠性仍然是重要的 研究课题。近年来 SpO 2检测的研究主要集中在血氧 探头结构的优化设计 [ 3]和信号萃取技术的创新性改 进 [ 4]等方面, 此外,在医疗保健社区化的趋势下, 便携 式的脉搏血氧仪越来越得到人们的重视。 目前,国内临床上血氧饱和度的监测都是通过生 命体征参数监测仪来完成的。这种监测仪重量和体积 稍大,不便携带, 而且多为有线数据传输,给医生和患 者的使用带来了很大的不便。笔者设计了一种可以捆 绑在手腕上进行测量的便携式无线脉搏血氧仪, 相对 于传统的指端测量而言,它可以像手表一样,在手腕上 �1�一种单片便携式脉搏血氧饱和度测量仪的研制 连续佩戴几小时甚至几天,随时监控人体的血氧指标。 该血氧仪可以对人体的心率和血氧值进行计算, 并实 时显示脉搏波波形, 测量的相关数据可以通过无线收 发模块发送到个人计算机进行存储或在必要时通过互 联网发送到远端的医院工作站。 无创脉搏血氧饱和度测量是以朗伯 - 比尔定 律 [ 5]和血液中还原血红蛋白 (Hb )和氧合血红蛋白 (HbO2 )对光的吸收特性不同为基础的。通过两种不 同波长的红光 600~ 700 nm和红外光 800~ 1000 nm 分别照射组织经反射后再由光电接收器转换成电信 号。组织中的其他成分吸收光信号是恒定的, 经过光 电接收器后得到直流分量 DC,而动脉血中的 HbO2和 Hb对光信号的吸收是随着脉搏搏动作周期性变化, 经 过光电接收器后得到交流分量 AC, 由于 HbO2和 Hb 对同一种光线的吸收率各不相同, 通过测量红光和红 外光的光吸收比率便可以计算出两种血红蛋白含量的 百分比。血氧饱和度的计算公式如下 SpO 2 = A - BR + CR 2 ( 1) 式中, A、B、C为定标常数,可以由定标实验得到, R = VREDAC /VREDDC V IREDAC /VIREDDC ( 2) 为两个波长的光吸收比率 [ 6- 7 ] , 其中, VREDAC为红光的 交流分量; VREDDC为红光的直流分量; V IREDAC为红外光 的交流分量; V IREDDC为红外光的直流分量。设计中选 用 940 nm红外光和 660 nm红光,在该波长处,氧合血 红蛋白和还原血红蛋白的吸收差别较大。 1� 系统的硬件设计 系统的硬件结构框图如图 1所示。系统选用 T I 公司的 MSP430FG4619单片机 [ 8]为处理核心, 它是一 款超低功耗的混合信号处理器。MSP430FG4619内部 的 DAC12周期性地输出 2路 100 Hz占空比 1�4的脉 冲,经过电流放大的驱动电路驱动,交替点亮血氧探头 中的红光和红外光 LED。探头中光电接收器将接收 信号送到单片机内部的 OA放大器进行放大, 放大后 的信号进入内部 A /D进行采样。DAC12根据 A /D采 样信号的大小调节光源驱动的强度, 从而维持光源的 稳定,减少了由于光源不稳定带来的误差。处理后的 信号再经去直流放大和数字滤波, 得到的就是交流脉 搏波成分,此时可以通过分析其周期和幅值对心率、血 氧饱和度值进行计算。 显示模块采用 128像素 � 64像素的 OLED液晶 UG�2864GSWBG01,实时显示血氧饱和度值、心率及脉 搏波波形。同时,测量数据还可以通过无线通信模块 发送到 PC机。系统的电源模块采用 TPS62007DGS芯 片,它可以在输入电压为 2~ 5. 5 V的情况下将输出电 压稳定在 3. 3 V,用于给单片机、无线模块、探头模块、 OLED等电路供电。 图 1� 系统硬件结构图 1. 1� 探头及驱动电路 血氧饱和度探头中采用了双色的发光二极管 PD I�E833,它能发出波长分别是 660 nm和 940 nm的 红光和红外光。红光和红外光经过人体的组织反射后 被光电传感器 TSL250RD接收, 其内部集成了一个放 大器,经过传感器输出的信号实际上是经过放大的脉 搏调制信号。 探头驱动采用 H 桥电路, 如图 2所示。其中的 DacR ed和 DacInfrared分别来源于单片机的 5和 10 脚,它们都是 DAC12的输出端, 可以通过软件控制不 同时刻在不同引脚输出脉冲来交替控制两个 LED间 隔地发光, P2. 2和 P2. 3输出互补电路的控制信号。 图 2� 探头驱动电路 1. 2� OLED显示电路 系统显示电路采用 128像素 � 64像素的 OLED 液晶 UG�2864GSWBG01, 模块上集成了 OLED及其驱 动,微处理器只需通过 5根控制线与 8根数据线进行 控制读写,具体接口如图 3所示。 1. 3� 无线传输电路 无线传输电路包括无线发射和无线接收两个部 分。系统无线发射电路采用了 Chipcon 公司的 CC2500射频收发器 [ 9] ,它通过 4线制 SPI接口与 微控制器实现数据通信, M CU 可以访问和控制 CC2500的基本寄存器,发送各种工作指令, 写入发送 数据,读出接收数据。 �2� �测控技术 �2011年第 30卷第 6期 图 3� 显示模块与微处理器的接口 无线接收电路采用 T I公司的射频片上系统 eZ430�RF2500作为 PC机的接收模块。它通过 USB 接口与 PC机通信,无需外接电源, 具有体积小、功耗 低和成本低等优点。 eZ430�RF2500目标板集成了 MSP430F2274MCU与 CC2500 RF收发器, 并提供了 编程必需的软硬件功能,进一步简化了低功耗无线系 统的开发工作。 2� 系统的软件设计 系统的软件在结构上分为主控程序、信号调制模 块、信号处理模块、显示模块和无线通信模块。系统上 电后, 主控程序读取启动参数, 完成各个模块的初始 化。当扫描到有按键动作时, 调用信号调制模块分别 对两个 LED进行光调制, 使传感器模块输出的信号稳 定在一定阈值 ( DC: 1 V, AC: 10mV),然后对信号进行 直流跟踪和交流放大,再通过数字滤波器将环境噪声 滤除, 得到交流脉搏波,分析其周期和幅值并对心率和 血氧饱和度进行计算,最后对计算结果进行显示和发 送。系统软件如图 4所示。 图 4� 系统软件流程图 2. 1� 光调制 光电传感器输出的信号中分别包括红光和红外光 的交流分量和直流分量, 其中 95%左右是直流分量。 如果将红光和红外光的输出信号都调到一个预设范 围,便可以认为两路信号中的直流分量相同,在计算血 氧饱和度值时,只需将两路信号的交流分量进行处理 即可。由于个体的差异,有时会出现输出信号特别弱 的情况,即使发射光强达到最大,信号也不能达到初始 设定的阈值,这时就需要将阈值进行降低。光调制的 流程如图 5所示。 图 5� 光调制流程图 2. 2� 直流抑制与交流放大 直流抑制,即利用共模抑制去直流操作。探头模 块输出的信号大部分为直流分量,交流分量很小,而交 流分量又反映了人体脉搏搏动的信息, 所以需要将交 流分量从信号中提取出来放大,作后续处理。具体操 作流程为:先设定抑制直流及放大后交流信号的阈值 范围,对欲抑制直流分量设定一个初始值;将原始信号 输入到单片机内置运放 OA的一端, 将预设的直流分 量值 D /A转换后送到运放的另一端进行差分放大; 通 过对运放输出端的信号进行采样, 并对比设定的阈值 来动态调整直流分量的大小。 2. 3� 数字滤波 数字滤波的目的是将交流脉搏波信号中的噪声去 除。信号中的噪声主要来源于工频干扰以及血管振动 和身体运动引起的伪差干扰,频率为 50 H z以上,而需 要得到的脉搏波的频率仅为 2 H z左右, 故采用了 FIR 低通滤波器。 具体设计中使用 M atlab中的 FDA too l进行 FIR低 通滤波器设计,相关滤波器参数为: 通带频率为 4H z, 通带内起伏 3 dB;止带频率为 12H z,止带衰减 80 dB; 采样频率 100 H z; 阶数为满足设计要求的最小阶, 具 有线性相位。设计完成后得到滤波器的系数输出, 由 于 Matlab输出的系数都是浮点数,而单片机中浮点数 运算的速率明显低于整型数, 所以在单片机编程时将 这些浮点数首先转换成整型数, 即将所有系数同时扩 大相同的倍数应用于滤波, 最后将滤波的结果同时缩 小相同的倍数。得到滤波系数后, 通过卷积操作对原 始波形进行滤波,数字滤波之后信号表现为比较规则 的脉搏波信号。 �3�一种单片便携式脉搏血氧饱和度测量仪的研制 2. 4� 心率和血氧饱和度的计算 心率计算的依据是当采样频率为 100H z时,通过 检测 3个搏动周期内的采样点数就可以计算出心率值 HR,即 HR = 100 � 60 ( samp les /3) 。具体操作中先设定两个检 测阈值 Z1和 Z2, 在计算心率时先找 Z1上升沿的点, 找到这个点并等待一定的采样点后再找 Z 2下降沿的 点,找到后如果再找到处于上升沿的 Z1值,说明检测 到一个脉搏波周期。继续寻找下降沿 Z2, 上升沿 Z1, 如此反复。当找到 3个脉搏波周期, 就将这 3个周期 内的采样点数 N 及 3个周期内的所有采样点存储。 根据存取的采样点数就可以计算出心率,计算后对心 率值进行判断,正常心率值的范围为 40~ 120,若心率 值超过这个范围,则说明这些采样点是无效的,不将心 率值进行显示,同时也不计算血氧饱和度值。 血氧饱和度取决于式 ( 2)中 R值的计算。利用心 率值正常情况下存储的采样点, 分别对红光和红外光 信号的 3个周期内所有采样点进行平方累加后开方, 然后将两路信号开方后的值相除得到 R值。再根据 式 ( 1)求出血氧饱和度。 3� 系统测试及实验结果 系统软硬件联调完成之后,选择 10个人参与实验 测量。系统实物如图 6所示。 图 6� 系统测量结果 系统测试中观察到:由于针对于不同的使用者需 要进行不同的调光处理, 系统运行的反应时间不同。 如果使用者的信号不出现饱和的现象, 那么这段时间 大约为 6 s左右。但是倘若使用者的信号很强, 导致 出现饱和的情况,那么系统反应时间就会比较长,需要 大约 30 s左右。 系统测量的精度和稳定性对使用者有一定的要 求,在这要求之内稳定性和精度是令人满意的。它要 求测试时,使用者应处于比较静止的状态,不能有明显 的动作,并且情绪比较平和稳定。在这种情况下, 将 10个人的测量数据与定标样机进行了对比, 结果如表 1所示。 表 1� 测量数据与标准数据对比 测试人员 定标样机 SpO 2 /% 实验样机 SpO2 /% 1 98 97 2 99 99 3 98 97 4 98 98 5 97 96 6 99 98 7 97 96 8 97 96 9 96 95 10 98 98 4� 结束语 随着人们对医疗保健和疾病预防的重视, 便携式 医疗仪器渐渐成为家庭中必不可少的设备。设计以面 向家庭的无创脉搏血氧饱和度监测为导向,在血氧探 头的设计、系统的软硬件结构、脉搏波信号处理的方法 以及系统的便携性和可靠性等方面进行了研究, 完成 了脉搏血氧饱和度测量仪样机的研制,同时,实验的初 步结果表明了系统具备一定的测量精度和稳定性。 参考文献: [ 1] � 陈亚珠, 黄耀熊. 医学物理学 [M ]. 北京 : 高等教育出版 社, 2005. 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