便攜式脈搏血氧飽和度測量儀的研制

楊 丹，丁夢曉，鄭 磊，趙君豪，陶大錦（溫州醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，浙江 溫州 325035）

便攜式脈搏血氧飽和度測量儀的研制

楊 丹，丁夢曉，鄭 磊，趙君豪，陶大錦
（溫州醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，浙江 溫州 325035）

主要介紹了一種無創(chuàng)便攜式脈搏血氧飽和度測量儀的軟硬件設(shè)計。該測量儀以單片機為主控制核心，采用DS-100A作為血氧飽和度的檢測探頭，利用主控制芯片對相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時處理，若實時檢測的人體數(shù)據(jù)信號與設(shè)定值相差較大，則觸發(fā)SIM900A模塊進行短信報警。該系統(tǒng)在無創(chuàng)實時監(jiān)測的基礎(chǔ)上額外增加了短信報警功能，更為人性化。

血氧飽和度；無創(chuàng)便攜；短信報警

0 引言

血氧飽和度是判斷人體呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)是否出現(xiàn)障礙、周圍環(huán)境是否缺氧的重要指標。傳統(tǒng)的測量血氧飽和的方法是先進行人體采血，通過血氣分析儀進行電化學(xué)分析來測出血氧分壓PO2后計算出血氧飽和度。該方法既不能進行連續(xù)實時的監(jiān)測，還麻煩。近幾年來，紅外光譜光電法在無創(chuàng)式測血氧飽和度的應(yīng)用方面已經(jīng)取得較大的成功，通過測定透過組織床的光傳導(dǎo)強度，來計算血氧飽和度。

與現(xiàn)有的血氧飽和度測量方法相比較，本文方法有以下特點［1］：（1）便攜式設(shè)計，體積??；（2）連續(xù)無創(chuàng)傷地監(jiān)測動脈血氧飽和度；（3）實時測量人體血氧飽和度，若測量的數(shù)據(jù)超過或低于正常值，系統(tǒng)將進行短信報警。

1 脈搏血氧飽和度測量原理

脈搏血氧飽和度測量原理是通過光電檢測技術(shù)將線性變化的血氧濃度和非線性變化的脈搏這兩者的物理量進行數(shù)字化，然后進一步處理實現(xiàn)對血氧飽和度的實時監(jiān)測，且進行異常短信報警。由于人的手指是一個混合組織，當(dāng)紅光和紅外光透過手指時，身體上的很多部位諸如皮膚、肌肉、骨骼、毛細血管、靜脈血管和心臟舒張期的動脈血會產(chǎn)生一個恒定的吸光系數(shù)A。由于心臟搏動，動脈血充盈會引起血管容積變化繼而形成脈動量的變化，由此產(chǎn)生變化的ΔA。當(dāng)用兩種特定波長的恒定光λ1、λ2照射手指時，運用Lambert-Beer定律可推導(dǎo)出［2-3］：

其中，α1、β1是對應(yīng)于 λ1波長的 Hbo2、Hb的吸光系數(shù)，ΔA1是 λ1的吸光度變化量。α2、β2是對應(yīng)于 λ2波長的 Hbo2、Hb的吸光系數(shù)，ΔA2是 λ2的吸光度變化量。一定波長的光和一定的透射物的吸光系數(shù)是個確定的量，即 α1、β1、α2、β2為常量。要使式（1）中的 Sao2和 Hbo2之間呈近似線性關(guān)系，需適當(dāng)選擇，其表示為：

其中，Q為兩種波長（Hbo2、Hb）的吸光度變化之比；a、b為儀器常數(shù)，與傳感器結(jié)構(gòu)以及測量條件有關(guān)，通過定標方法得出a、b常數(shù)。光源采用了兩種不同波長的紅光和紅外光，其管芯經(jīng)特殊的封裝和PIN型光敏管組成了透射式夾指傳感器。發(fā)光管的峰值分別為λ1=660 nm（紅光），λ2=940 nm（紅外），由單片機控制雙脈沖發(fā)送使兩發(fā)光管按順序交替工作［1］。光敏管檢測到的信號經(jīng)調(diào)制放大，解調(diào)分離電路分別檢出由紅光和紅外光產(chǎn)生的信號送單片機A/D口進行數(shù)據(jù)的處理。信號的測量過程如圖1所示。

圖1 信號的測量過程

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

血氧飽和度是本系統(tǒng)最重要的探測參數(shù)。光電傳感器接收交替發(fā)出的紅光和紅外光，所得數(shù)據(jù)在經(jīng)過電路轉(zhuǎn)化以及算法運算最終得到被測者的血氧飽和度。

圖2所示是本系統(tǒng)的硬件流程圖，該系統(tǒng)主要包括4個模塊：驅(qū)動采樣模塊、信號處理模塊、控制處理模塊和報警模塊。

圖2 硬件流程圖

2.1 驅(qū)動采樣模塊

圖3為血氧探頭傳感器與接頭的電氣連接圖。驅(qū)動采樣模塊分為驅(qū)動部分和采樣部分，本系統(tǒng)采用目前使用最廣泛的一種探頭DS-100A。RID為特征電阻，R為紅色發(fā)光二極管，IR為紅外發(fā)光二極管，PD為光敏二極管。PD的兩個接口連接AD623放大芯片［4］。

圖3 血氧探頭傳感器與接頭的電氣連接圖

圖4所示為H橋型電路，使紅光和紅外光交替以得到所要的數(shù)據(jù)，H橋型驅(qū)動電路實現(xiàn)了紅光發(fā)光二極管和紅外發(fā)光二極管的交替閃爍。人體的脈搏信號和血氧信號分別由紅光和紅外光來檢測，但在測量過程中存在許多變量，如人體的血氧信號是線性變量，而且人體在劇烈運動后的脈搏頻率與平靜狀況下也是不同的，大約在4 Hz。H橋型驅(qū)動電路能提供一個滿足條件的采樣頻率，采樣出兩個完整的信號。

圖4 H橋驅(qū)動電路

2.2 信號處理模塊

圖5為信號處理模塊的流程原理圖，前后分別經(jīng)過前置放大電路、信號分離電路、低通濾波電路、高通濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路最終得到需要的數(shù)字信號［5］。

圖5 信號處理模塊流程圖

2.2.1 前置放大電路

AD623的交流共模抑制比隨增益的增大而增大，因而能保持最小誤差。通過改變正負端的電阻來改變增益，R2=510Ω，R3=510Ω，R1=1 kΩ，R4=5 kΩ，增益為 20倍。AD623能最大限度地實現(xiàn)低失調(diào)、高輸入阻抗的功能。圖6為前置放大電路的具體原理圖。

圖6 前置放大電路的具體原理圖

2.2.2 信號分離電路

信號分離電路采用四雙向模擬開關(guān)CD4066，作模擬或數(shù)字信號的多路傳輸。CD4066中4個獨立模擬開關(guān)的控制端由單片機的接口控制，控制端加高電平時開關(guān)導(dǎo)通，其導(dǎo)通電阻為幾十歐姆；當(dāng)控制端加低電平時開關(guān)截止，截止時呈高阻抗，視為開路。每個模擬開關(guān)的另外兩個輸入輸出端可互換。信號分離電路如圖7所示。

2.2.3 低通濾波電路

圖7 信號分離電路

圖8 放大濾波電路的具體原理圖

2.2.4 高通濾波電路

圖9 有源高通濾波的具體原理圖

2.2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路

在A/D轉(zhuǎn)換電路中，采用高速串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7888。經(jīng)放大電路輸出后的信號，將其與A/D轉(zhuǎn)換電路相連，由于信號已經(jīng)被控制在0～5 V之間，所以可將模擬信號轉(zhuǎn)換為便于單片機處理的數(shù)字信號。

AT89C52單片機需要設(shè)置地址、數(shù)據(jù)及控制信號以便更好地與 AD7888配套使用。用其中的一個 I/O端口產(chǎn)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的串行時鐘，一個I/O端口寫入控制字，一個 I/O端口控制片選信號，一個 I/O口接收數(shù)字信號數(shù)據(jù)。

2.3 控制處理模塊

控制處理模塊為單片機最小系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用的單片機型號是 AT89C52，它是一個低電壓、高性能 COMS8位單片機，片內(nèi)含8 KB的可反復(fù)擦寫的 Flash只讀程序存儲器和256 B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器。圖10為同步時序控制電路時序信號圖，通過單片機編寫程序定時觸發(fā)脈沖信號到H橋電路使紅光和紅外光交替發(fā)射。

圖10 同步時序控制電路時序信號圖

2.4 GSM報警模塊

本系統(tǒng)使用SIM900A模塊［6］，雙頻GSM/GPRS模塊，其無線收發(fā)模塊的類型采用完全SMT封裝。本文設(shè)計的GSM的短信傳輸模式，其數(shù)據(jù)采集硬件部分通過AT89C52單片機實現(xiàn)信號的處理等功能，處理采集的信號，若此血氧飽和度不在正常范圍內(nèi)，則將此信息發(fā)送到測量者手機上，實現(xiàn)了遠程報警，并能第一時間采取醫(yī)療措施。

當(dāng)采集卡上電復(fù)位后，驅(qū)動軟件初始化主控芯片的端口、串口波特率、EEPROM中的固定參數(shù)、GSM通道設(shè)置以及模塊串口設(shè)置。初始化后的主控芯片每隔一段時間判斷是否有來自遠程終端或手機短信預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)請求命令接口。當(dāng)然外部也有時鐘電路定時每分鐘觸發(fā)中斷信號，然后由此開始采集傳感器中已獲取的數(shù)據(jù)值。當(dāng)有命令傳來，無線發(fā)送模塊就將組建好的信息報文通過串口傳送出去。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖11為系統(tǒng)軟件流程圖。血氧檢測模塊軟件包括A/D轉(zhuǎn)換、自動增益調(diào)節(jié)、血氧飽和度計算。定時器每隔10 ms產(chǎn)生一次中斷來控制發(fā)光二極管分時發(fā)光，對信號處理后的光信號進行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，這樣就能根據(jù)光電信號的交直流成份之比，計算出血氧飽和度。

4 系統(tǒng)運行結(jié)果

系統(tǒng)運行結(jié)果如圖12所示。

5 結(jié)論

本文設(shè)計的是一種基于GSM無創(chuàng)便攜式血氧飽和度監(jiān)控報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)成本低、電路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定簡單、系統(tǒng)維護方便、測量精確，這樣的醫(yī)療保健設(shè)備適用于中老年群體。在老齡化日益嚴重的今天，本系統(tǒng)有著非常廣泛的應(yīng)用前景和廣闊的市場。

圖11 系統(tǒng)軟件流程圖

圖12 運行結(jié)果

［1］鄭萬挺，陳付毅.光電脈搏血氧心率儀電路設(shè)計［J］.電子器件，2010，33（6）：786-789.

［2］曲振宇，方舸，巫崎，等.脈搏血氧的檢測研究［J］.醫(yī)療裝備，2010，23（5）：21-22.

［3］陳丹，王晶，陳揚美，等.基于 GSM便攜式人體生理信號監(jiān)控報警系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子器件，2013，36（1）：132-137.

［4］高新軍，劉新穎.脈搏血氧飽和度測量原理及常見血氧探頭［J］.中國醫(yī)療設(shè)備，2010，25（6）：57-59.

［5］阮程，徐寅林，羅琚.無創(chuàng)血氧飽和度檢測儀的研究［J］.儀表技術(shù)，2011（1）：52-53.

［6］甘志偉，閆凱.基于 SIM900A的無線數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子科技，2013（1）：55-58.

Development of portable pulse oximetry measuring instrument

Yang Dan，Ding Mengxiao，Zheng Lei，Zhao Junhao，Tao Dajin
（Department of Biomedical Engineering，Wenzhou Medical University，Wenzhou 325035，China）

This paper describes a non-invasive pulse oximetry portable measuring instrument hardware and software design.The gauge is a microcontroller-based control center，using the DS-100A as a probe to detect oxygen saturation，using the main control chip for real-time data processing.If the difference between body data signal and the set value is large，SIM900A is triggered to achieve SMS alarm.

oximetry；non-invasive and portable；SMS alarm

R318

A

1674-7720（2015）22-0092-04

楊丹，丁夢曉，鄭磊，等.便攜式脈搏血氧飽和度測量儀的研制［J］.微型機與應(yīng)用，2015，34（22）：92-95.

2015-06-20）

楊丹（1993-），通信作者，女，本科，主要研究方向：模數(shù)電及信號處理。E-mail：854937432@qq.com。

陶大錦（1984-），男，碩士，講師，主要研究方向：醫(yī)療器械。