基于PIC单片机的脉搏血氧测量仪的研制

第 44卷 　第 4期 厦门大学学报 (自然科学版 ) Vol. 44　No. 4 　2005年 7月 Journal of Xiamen University (Natural Science) Jul. 2005　 基于 P IC单片机的脉搏血氧测量仪的研制 　　 收稿日期 : 2004212220 作者简介 :李文耀 (1967 - ) ,男 ,硕士研究生. 李文耀 1 ,王博亮 1 ,戴君伟 2 (1.厦门大学计算机科学系 , 2. 厦门大学电子工程系 ,福建 厦门 361005) 摘要 : 氧是维护生命的基础 ,血氧饱和度是人体极为重要的生理参数. 血氧饱和度的测量在临床和日常保健中有重大意 义 .系统是以 P IC18C252单片机为核心控制的测量仪 ,在硬件上实现了使用光传感器采集红光和红外光透过动脉血管后 产生的信号电路以及相关的测量电路 ,实现了与 PC机的通信 ;在软件上实现了以 P IC18C252单片机为核心的控制程序 , 实现了数字信号处理算法和计算人体脉率和血氧饱和度 ( SaO2 )的复杂算法 ,有效地克服了测量信号的漂移和噪声干扰 , 从而满足临床生理监护的需要. 关键词 : 血氧饱和度 ; P IC18C252;脉搏 ;光电传感器 中图分类号 : TH 772 + . 2　　　　　文献标识码 : A　　　　　文章编号 : 043820479 (2005) 0420507204 　　血氧饱和度是指动脉血中与氧结合的氧合血红蛋 白的容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比. 传 统的血氧饱和度测量方法是对人体采血 ,再利用血气 分析仪进行电化学分析 ,测出氧分压 ,计算血氧饱和 度. 这种方法虽然精确 ,但操作繁琐 ,且不能进行连续 的监测. 本文研制了以 P IC18C252单片机为核心的脉 搏式血氧测量仪. 现常用的基于 8051内核的单片机是从原来的微 型计算机 CPU的基础上改造来的 ,内核复杂 ,在使用 上具有一定的局限性. 而采用哈佛总线结构和硬件乘 法器的 DSP器件 ,在内部设置了多个并行操作的功能 单元和大量的片内存储器 ,进一步提高了运算速度 ,虽 能够实时处理复杂控制 ,但其成本价格较高. 美国微芯科技股份有限公司推出的采用 R ISC和 哈佛结构的 P IC系列单片机 ,具有内核简单、低价、高 速、体积小、抗干扰能力强等特点. 较 DSP及 51系列 有很高的市场效率. 脉搏血氧测量仪主要实现的是对 一定时间内采集到的脉搏波形进行判断和分析 ,所涉 及的数据量在 1 k左右 ,程序主要实现的是波形的处 理算法 ,其对乘法有极大的需求. 基于以上分析本文系 统选择了 P IC18C252作为核心芯片. 该芯片片内除具 有 MCU的基本模块外还封装了同步异步串行通信口、 10位 A /D、硬件乘法器、较大容量的 RAM ( 1. 5 kB ) , 系统的集成度高 ,运行时钟最高可达 40 MHz,可满足 大数据量和复杂算法的实时处理. 1　脉搏血氧测量原理和方法 脉搏血氧饱和度测量原理是依据 Lambert2Beer定 律 :当一束单色光通过溶液介质时 ,吸光度与溶液的浓 度和溶液层的厚度的乘积成正比. 该定律的意义 :只要 选择适宜的波长光 ,测定它通过溶液的吸光度就可以 求出溶液的浓度和物质的含量 [ 1 ] . 根据该定律及血红 蛋白吸收特征曲线 (图 1) ,通过数学方法可以推导出 血氧饱和度的测量模型 : a) 使用红外光 (660 nm)和近 红外光 (940 nm )作为测量光 ; b) 测量部位为人体指 尖 ; c) 脉搏波峰的确定 :在采集的脉搏数据段中 ,寻找 最大值 Max,定义门限 t = 0. 8Max. 如果某点满足下面 两个条件 ,则认为此点为波峰. 首先 ,此点及前后 5个 点 ,共 11个均值大于门限 t,其次 ,此点是 11个样 本中的局部最大值. d ) 计算血氧饱和度的数学式 SaO2 =AR +B [ 2 ] . 其中 A, B 为常系数 ,可以通过数学统 计方法拟合标定. R由两路透射光最大光强 Imax和 I′max 以及某一脉搏周期内由于脉搏搏动而引起透射光强最 大变化量ΔImax和ΔI′max来确定 ,实际上就是由两路透 射光信号中的交流和直流成分来确定. 有 : R = IR / IIR = ΔI′max / I′max ΔImax / Imax = AC (660) /DC (660) AC (940) /DC (940) (1) 式 ( 1) [ 3 ]中的 IR 和 IIR是红光和近红外光的脉动 增量光强度 ,反映经动脉血后透射光的信号强度. AC (660)和 AC ( 940 )分别是两路透射光信号的交流成 分 , DC (660)和 DC (940)分别是两路透射光信号的直 流成分. 由图 1可得 940 nm近红外光吸光量的变化主要 　图 1　血红蛋白吸收曲线 [ 4 ] 　Fig. 1　The absorp tion curve of hemoglobin 由氧合血红蛋白含量贡献 ;而 660 nm红光吸光量的变 化主要由还原血红蛋白含量贡献 ,综合式 ( 1)可得 R 与血氧饱和度呈负相关. 根据上述分析 ,综合人体生理特征及测量的简便 性 ,本文系统采用的测量方法是双波长测量法 ,即 :将 含动脉血管的部位 指尖安置在两个发光管和一个 光探测器之间 ,控制两个发光管交替发光 ,光探测器接 收透射光信号 ,得到脉搏波. 通过相关数字处理 ,首先 确定脉搏波准确周期 ,其次从该复合信号中分解出交 流和直流成分 ,最终通过式 (1)求出血氧饱和度. 总之 ,血氧饱和度的测量关键是 :能否得到正确的 脉搏波形 ;能否有可行的分析脉搏周期和幅度的算法. 2　系统硬件 基于 P IC单片机的脉搏血氧饱和度测量仪的组成 结构参见图 2. 本系统电路的基本工作过程 :由 P IC单 片机产生时序控制信号 ,交替驱动红光及红外光二极 管 ,将光电传感器产生的信号通过放大、自动增益、滤 波电路处理后 ,信号送入单片机的 A /D通道 ,单片机 将其计算处理 ,结果数据通过 I/O输出 LCD显示 ,通 过异步串行口输出到 PC. 　图 2　系统总体设计框图 　Fig. 2　The designing architecture of the system 2. 1　P IC8C252单片机 P IC18C252是处理中心 ,其功能 : a)周期性地输出 两路脉冲 ,控制红光和红外的测量信号源. b)通过串 行 D /A控制量程增益调节电路. c)控制 A /D转换 ,对 差动放大器输出的脉动信号进行数据采集. d)进行数 据处理 ,计算脉率和血氧值并 LCD显示、输出到 PC. 2. 2　光源驱动电路和光电传感器 从单片机发出的驱动信号经功率放大后 ,送到指 套式光电传感器的红光和近红外发射二极管上. 为了 延长光传感器的使用寿命 ,采用占空比很小的周期性 脉冲作为测量信号 ,由于驱动红光和近红外光管的脉 冲是分时发射 ,所以这两种测量信号可以共用同一通 道进行放大和采样 ,而不会产生相互干扰和影响 ,避免 了多通道传输中由于通道特性不一致而造成的误差. 2. 3　放大和增益调节电路 光电传感器所送出的电脉冲信号微弱 ,并易受外 界杂散光的干扰 ,采用高共模抑制比的差动放大器对 它进行放大 ,以提高测量信号的信噪比. 不同人手指的 吸光度不同 ,即使同一手指其吸光度也会随它在传感 器中位置而变化 ,所以由传感受器获得的测量脉冲幅 度若过大会使测量信号经放大而饱和 ,过小又会得不 到足够放大而影响测量的精度. 为了能将幅度不同的 测量信号放大到同一幅度水平 , 使用 D /A 芯片 MAX543对信号进行量程自动增益控制. 2. 4　A /D转换 从手指采集到的脉搏波峰 ,其峰值的幅度较小 ,考 虑到系统的适应性 ,经过量程增益自动控制后放大的 波峰 ,其峰值一般维持在供电直流电源的 1 /3左右. 为 了提高处理数据的精度 , A /D 转换的位数应该在 10 位以上. 本系统直接采用 P IC18C252内部集成的 10位 A /D模块 ,根据所需选择不同的工作方式. 这样系统 工作稳定 ,而且转换后的数据直接存储在芯片的内部 寄存器上 ,数据的传输速率和处理速率得到提高. 3　系统软件设计 在研究比较国内外各种相关算法的基础上 ,本文 实现了脉搏血氧测量仪的软件设计. P IC18C252通过 软件的运行来控制脉搏血氧测量仪完成脉率、血氧饱 和度数据的采集和运算处理、数据显示、数据输出. 3. 1　程序总 (见图 3程序流程图 ) 3. 2　主要模块描述 1) 单片机通用寄存器的分配使用 通用寄存器是单片机的紧缺资源 ,必须设计合理 的软件算法节省通用寄存器的空间. 本文设计的系统 在平滑滤波子程序中采用分次处理的方法 ,在微分阈 值法子程序中使用即时处理方法 ,从而节省了许多空 间 ,使采样数据的数量得到最大化 ,极大地提高了计算 ·805· 厦门大学学报 (自然科学版 ) 　　　　　　　　　 　　　　　　　　　2005年 　图 3　程序流程图 　Fig. 3　The p rogram flow chart 结果的精确度. 2) 信号前期处理 判断测量的环境 (如测量对象的运动等 )是否稳 定.算法流程如下 :设脉搏频率下限为 0. 5 Hz,为保证 至少采集两个脉搏周期数据 ,进行 5 s的数据采集 (400点数据 ) ,得最大值 Max,判断所采集的数据中大 于 0. 9Max的个数是否大于 N (N 为经验值 ,可通过大 量的实验来确定 ,本文系统为 4) ,来判定测量环境是 否稳定 ,以决定是否可以进行正式测量. 经过该环节处 理 ,使得采集的脉搏波有了基本的波形框架 ,为后续的 波形处理建立基础. 3) 量程增益自动控制 单片机根据输入脉冲的平均值 ,通过串行 D /A芯 片 MAX543自动调节放大器增益 ,使得不同幅度的测 量脉冲经放大后幅度均相同. 由指尖脉搏引起测量脉 冲幅度的上下起伏是以它的平均值来控制的 ,其作用 只能稳定脉动信号平均值 基线 ,对脉动起伏不会 产生影响 ,适当选择基线位置 ,可以使脉动有较大的线 性动态范围. 通过同步串行通讯模块 ( SP I) ,将需要增 大的量程倍数输出到 D /A芯片 MAX543中 , D /A的输 出连接到由运算放大器构成的 I /V转换电路. 4) A /D信号采集程序 根据采样定理 :对信号的采样频率超过信号频率 的两倍以上就可满足信号处理需要. 人体的脉搏信号 频率一般不超过 5 Hz,又考虑 P IC18C252系统资源的 限制 ,本文系统的采样频率确定为 80 Hz,红光和近红 外光各采样 320点. 5) 基线漂移预处理 在血氧信号检测中 ,经常会因为传感器的移动、被 测量人员变化等因素引起被测信号的非正常波动. 如 果改变的幅度不大则可通过数字滤波进行改善 ,如太 　图 4　微分阈值法分析 　Fig. 4　The analysis of differential coefficient2threshold value arithmetic 大则对数字滤波有反作用 [ 5 ] . 本文系统针对该情况 , 对采集的数字信号进行基线漂移预处理. 算法描述如 下 :首先根据实验的经验定一基线 ,然后根据脉搏波的 特性 ,找出所有的波峰和波谷 ,以确定周期 ,求波谷的 平均值. 如该平均值与预设基线相差值不超过一设定 的阈值 ,则不对此脉搏波进行基线漂移预处理 ;否则对 每一周期波谷用直线两两相连 ,求直线的函数. 依据该 函数调整各周期的数据. 6) 脉搏波信号的数字平滑滤波 本系统采用加权移动平均滤波法 ,使噪声和杂波 干扰项的影响减少 (参见图 6). 设混有随机噪声的采 样值 X ( I) = P ( I) + Q ( I) ,则第 I点的加权平均值等 于第 I点为中心 ,左右各 m 点 ,共 (2m + 1)个点加权平 均值. 综合考虑脉搏波的特征及系统资源条件 ,本文系 统采用五点多项式处理 ,第 I点的平滑是 : Y ( i) = 135 [ - 3x ( i - 2) + 12x ( i - 1) + 　17x ( i) + 12x ( i + 1) - 3x ( i + 2) ] (2) 7) 脉搏波的周期和幅度的计算 脉搏波是一种以低频成分为主的生理信号 ,受生 理状态、差异和传感检测手段等因素等影响 ,脉搏波信 号在形态上往往差异很大 ,常常伴随着较大的基线漂 移和噪声干扰. 对脉搏波进行有效的处理 ,准确识别脉 搏波周期 ,并在相应周期内提取脉搏波峰 峰值 ,是 计算血氧饱和度的基础. 本系统采用微分阈值法 [ 6 ] , 该方法利用脉搏波形态上具有陡峭上升沿的特点 ,通 过微分运算将其突出 ,脉搏波的峰 峰值更容易确 定了 (图 6) ,下面是该算法的描述. S1 是 A /D采样到的脉搏波经平滑处理后的数据 , S2 , S3 分别通过下列算法获得 : S2 ( i) = 0,当 S1 ( i) < S1 ( i - k) ; S2 ( i) = | S1 ( i) - S1 ( i - k ) | , 当 S1 ( i) > S1 ( i - k) ; S3 ( i) = 0,当 S2 ( i) < H /2; S3 ( i) = | S1 ( i) - H /2 | ,当 S2 ( i) > H /2; K为经验值 ,当采样速率为 80～ 120 Hz时 , K值可取 5～10,本文取 6, i代表采样时间 序列 , H是 S2 ( i - 1) , S2 ( i - 2) ⋯⋯S2 ( i - N )点中最大 值. H即为稳定的直流电压值 ,而一周期内 S1 的最大 值和最小值之差就是交流电压值 ,然后通过上面给出 ·905·第 4期 　　　　　　　　　　 　　　李文耀等 :基于 P IC单片机的脉搏血氧测量仪的研制 　图 5　脉搏波形图 1 　Fig. 5　The pulse wave chart 1 的计算公式计算出 R,从而得出血氧饱和度 ,最终得到 两个数据 :脉搏率和血氧饱和度. 4　总　结 Study and Design of the Pulse Oxygen Saturation in Blood M easur ing Instrument Based on PIC MCU L IW en2yao1 ,WANG Bo2liang1 , DA I Jun2wei2 (1. Dep t. of Computer Science, Xiamen Univ. , 2. Dep t. of Electronic Engineering, Xiamen Univ. , Xiamen 361005, China) Abstract: Oxygen is the base for maintaining life. Oxygen saturation are the very important physiological parameters of human body. The measurement of oxygen saturation in blood has great significance in clinical and daily health care. This paper first analyses the measurement p rincip les and methods in detail. On the basis of comparison among various related pulse oxygen saturation in blood instruments, the paper gives the overall design of pulse oxygen saturation in blood instrument based on P IC18C252 single chip m icrocomputer. The system is a meas2 urement instrument that takes P IC18C252 as the core control. In hardware, it fulfils the signal circuits and the related measurement circuits by using photo2sensor to collect red light and infrared ray passing through arterial vessel, the communication with personal computer. In software, it imp lements the control p rogram s that take P IC18C252 single chip m icrocomputer system as the core, the p rocessing algorithm s of numerical signal, and comp licated algorithm s of computing human’s pulse rate and oxygen saturation. This system is effective in overcom ing the signal excursion and the noise, so that it can satisfy the need of clinic wardship. Key words: oxyen saturation; P IC18C252; pulse; photo sensor 　　本文实现了基于 P IC单片机的脉搏血氧测量仪的 物理电路和算法软件程序. 在数据处理过程中采用多 层次渐进的逐步逼近的思想 ,使得滤波处理的效果得 到较大提高. 从以上的分析中可以知道 ,脉搏血氧仪研 制的关键核心环节是能否得到正确的脉搏波形 ;能否 有切实可行的分析脉搏周期和幅度的算法. 通过本系 统得到的脉搏波波形及滤波算法处理的结果 (图 5, 6) ,本文系统已较好地克服了噪声干扰、基线漂 　图 6　脉搏波形图 2 　Fig. 6　The pulse wave chart 2 移等核心问题 ,对关键核心环节的解决取得了较好的 效果 ,测量及处理的结果数据具有较高的可信度. 参考文献 : [ 1 ]　杨欣荣. 现代测控技术与智能仪器 [M ]. 长沙 :湖南科学 技术出版社 , 1996. [ 2 ]　王博亮 ,刘迎春 ,刘安之. 医用传感器及其接口设计 [M ]. 北京 :国防工业出版社 , 1998. 6. [ 3 ]　陈亚明 ,谭小丹 ,邓亲恺. 监护用脉搏式血氧饱和度测试 方法的研究 [ J ]. 中国医疗器械杂志 , 1999, 23 ( 3) : 139 - 141. [ 4 ]　王秀章 ,陈声泉 .脉搏式血氧饱和度检测方法的研究 [ J ]. 中国医学物理学杂志 , 1995, 12 (1) : 58 - 62. [ 5 ]　邓渊 ,董声焕 ,李光宇. 无损伤血氧计 [ J ]. 国外医学生物 医学工程分册 , 1994, (1) : 1 - 7. [ 6 ]　苏畅 ,丁海曙 ,白净. 生物组织光谱技术 [ J ]. 国外医学生 物医学工程分册 , 1995, (6) : 316 - 323. ·015· 厦门大学学报 (自然科学版 ) 　　　　　　　　　 　　　　　　　　　2005年