基于AVR單片機(jī)的光頻式脈搏血氧儀設(shè)計(jì)

時(shí)局,盛虎

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

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基于AVR單片機(jī)的光頻式脈搏血氧儀設(shè)計(jì)

時(shí)局,盛虎

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

總結(jié)了一種以AVR單片機(jī)為硬件核心結(jié)合高抗干擾能力光-頻轉(zhuǎn)換傳感器TSL237的光頻式脈搏血氧儀軟硬件設(shè)計(jì).依據(jù)紅外光譜法血氧飽和度的測(cè)量基本原理，采用H橋驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)雙波長(zhǎng)二極管，并應(yīng)用寬監(jiān)測(cè)范圍光-頻轉(zhuǎn)換傳感器TSL237將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，傳輸給AVR MEGA16處理器進(jìn)行運(yùn)算處理.AVR MEGA16處理器根據(jù)連續(xù)采樣周期的脈沖計(jì)數(shù)平均值和每一采樣周期脈沖計(jì)數(shù)值的變化量計(jì)算出血氧飽和度.相比傳統(tǒng)的模擬電路檢測(cè)方法，此設(shè)計(jì)具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，血氧飽和度測(cè)量準(zhǔn)確的特點(diǎn).

血氧飽和度；光-頻轉(zhuǎn)換器；脈搏血氧飽和儀

0 引言

血氧飽和度是體現(xiàn)人體的呼吸系統(tǒng)、血液中氧氣輸送能力和新陳代謝功能優(yōu)良的重要指標(biāo)參數(shù)，因此對(duì)脈搏血氧飽和度的檢測(cè)已成為現(xiàn)代醫(yī)療中不可或缺的部分.對(duì)于那些需要在室外和戶內(nèi)休閑運(yùn)動(dòng)，并想要了解和衡量自己的身體狀況的人，便攜式脈搏血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀是必不可少的.血氧飽和度檢測(cè)不僅僅針對(duì)老年人，更適合長(zhǎng)期熬夜或加班學(xué)習(xí)，以及酗酒人群、長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)人群和缺氧環(huán)境下并有呼吸疾病的人群.將來(lái)，便攜式血氧儀對(duì)個(gè)人和家庭都有很大的實(shí)用性，可以滿足人們對(duì)個(gè)人健康信息的及時(shí)了解，具有很大的實(shí)用價(jià)值.

傳統(tǒng)的脈搏血氧儀硬件設(shè)計(jì)基本都是采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括信號(hào)接收電路、放大濾波電路、信號(hào)調(diào)理電路等部分組成.然而這樣設(shè)計(jì)出來(lái)電路比較復(fù)雜、抗干擾性能差、內(nèi)部存在噪聲大、體積大、功耗高等各種問(wèn)題[1].所以，脈搏血氧飽和度的檢測(cè)技術(shù)必須跟進(jìn)時(shí)代的要求，在脈搏波采集方式和血氧信號(hào)數(shù)據(jù)處理等方向還需要進(jìn)行改善和創(chuàng)新.本設(shè)計(jì)采用具有高抗干擾能力的光-頻轉(zhuǎn)換傳感器，因此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，改善了傳統(tǒng)血氧儀采集電路結(jié)構(gòu)和信號(hào)數(shù)據(jù)處理復(fù)雜的不足.

1 脈搏血氧測(cè)量的相關(guān)原理

在人體的呼吸過(guò)程中，空氣中的氧氣進(jìn)入氣管并被輸送到肺泡毛細(xì)血管.大部分氧和血液中的血紅蛋白結(jié)合成氧合血紅蛋白(HbO2)，而沒有和氧結(jié)合的血紅蛋白被稱為還原血紅蛋白(Hb)，在全部血容量中，HbO2的容占全部可結(jié)合的Hb容量的百分比,稱為血氧飽和度(SpO2)[2].

根據(jù)血液的光學(xué)特性研究，在波長(zhǎng)為600 ～ 1 000 nm的連續(xù)光譜中，HbO2和Hb的吸光系數(shù)具有明顯的差異性.

1.1 脈搏血氧飽和度的測(cè)定原理

當(dāng)傳輸光透射過(guò)某中溶液時(shí)，其光吸收特性遵從Lambert-beer定律[3- 4]，可以描述為：

其中:I、I0分別是透射光強(qiáng)度和入射光強(qiáng)度，c、E、W 分別為物質(zhì)的濃度、吸光系數(shù)及吸光度，L是血溶液厚度.

因此，在某一波長(zhǎng)光為λ1處，式(1)對(duì)血液溶液可以寫為：

其中:a1、a2分別為HbO2和Hb在波長(zhǎng)λ1時(shí)的吸光系數(shù)，c1、c分別為HbO2和總Hb的濃度.因此結(jié)合SpO2的定義，從式(2)可以推得：

同理波長(zhǎng)為λ2時(shí)，根據(jù)式(3)可得：

由式(3)和(4)可以消去總血紅蛋白Hb濃度c及血溶液厚度L得到式(5)：

當(dāng)波長(zhǎng)選為HbO2和Hb吸光系數(shù)曲線交點(diǎn)附近時(shí)，即a1≈a2≈a時(shí)，式(5)變?yōu)?/p>

其中:A、B為常數(shù)，式(6)說(shuō)明：當(dāng)一個(gè)波長(zhǎng)選為曲線交點(diǎn)附近時(shí)，SpO2可從血溶液在這兩個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的吸收度比率求得，不依賴總Hb濃度c和血溶液厚度L，這就是血氧飽和度測(cè)定的基本原理.

因此，采用600～700 nm的紅光和800～1 000 nm的紅外光兩個(gè)不同波長(zhǎng)光線照射人體組織，經(jīng)過(guò)人體組織透射衰減后，由光傳感器采集到的透射光是由較大的穩(wěn)定成分(直流信號(hào))和信號(hào)較弱的脈動(dòng)成分(交流信號(hào))組成的脈搏波.其交流部分的信號(hào)主要是由于人體動(dòng)脈血管的正常脈動(dòng)造成，而直流部分的信號(hào)是由人體肌肉，骨骼等不會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的組織造成.脈搏血氧飽和度主要是通過(guò)檢測(cè)交流成分和直流成分這兩個(gè)變化分量，進(jìn)而消除非血液部分的影響來(lái)測(cè)量得到[5].

通過(guò)波形特點(diǎn)及理論推導(dǎo)得到血氧飽和度的計(jì)算方程公式如下：

其中:A和B為常量，僅與氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收率相關(guān)，變量R是一個(gè)比值，即血氧飽和度系數(shù)R值，如下方程式(8)：

其中:RD_AC為紅光交流信號(hào)成分，RD_DC為紅光直流信號(hào)成分，RD_AC為紅外交流信號(hào)成分，RD_DC為紅外直流信號(hào)成分.從式(7)中可以看出，得到R比值就可以知道血氧飽和度的值.另外，在人體手指中的動(dòng)脈成分量高，相較與其他人體部位，手指的厚度較薄，因此能檢測(cè)到透射過(guò)手指的光強(qiáng)也是相對(duì)較大.

1.2 光頻轉(zhuǎn)換器原理

大部分傳統(tǒng)的血氧計(jì)通常采用光電單元作為傳感器來(lái)接收光，然后通過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理等，最終用A/D轉(zhuǎn)換來(lái)使采集的信號(hào)數(shù)字化.這種信號(hào)處理電路相對(duì)復(fù)雜，容易受到外部環(huán)境的干擾.光頻率轉(zhuǎn)換器(Light-Frequency-Conversion)是一個(gè)光學(xué)傳感器，其傳輸出的頻率與受到的光照強(qiáng)度成正比例關(guān)系(如圖1所示)，并可以測(cè)量較寬范圍的光強(qiáng)度.光頻率轉(zhuǎn)換器可以將從人體組織上透射的光信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為頻率或與光強(qiáng)度成比例的電脈沖信號(hào).脈沖頻率的變化反映了手指血液流動(dòng)隨心臟收縮和舒張而產(chǎn)生的變化.

圖1 輸出頻率與輻照光強(qiáng)度的關(guān)系

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的脈搏血氧采集系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2所示，選用內(nèi)部16 MHz晶振Atmega16作為主控芯片，其內(nèi)部豐富的計(jì)數(shù)/定時(shí)器除了能夠?qū)崿F(xiàn)普通的計(jì)數(shù)和定時(shí)功能外，還具有輸入捕捉以及PWM輸出等功能，同時(shí)有多通道A/D接口，豐富的中斷源，適合本設(shè)計(jì)中對(duì)脈沖檢測(cè)和電路控制的要求[6- 8].

圖2 系統(tǒng)硬件控制結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)使用PD4和PD5端口來(lái)控制時(shí)序，通過(guò)H橋電路來(lái)分時(shí)驅(qū)動(dòng)發(fā)射管發(fā)出紅光和紅外光信號(hào)，在經(jīng)過(guò)手指吸收衰減后，用光頻轉(zhuǎn)換器件TSL237作為接受頭，將衰減后的的透射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，然后傳輸?shù)轿⑻幚砥鞯腜B0接口，并由其進(jìn)行脈沖頻率信號(hào)的捕捉，最后對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)和分析.對(duì)脈沖信號(hào)頻率的處理采用的是定數(shù)脈沖串累加計(jì)時(shí)這種方式[9].

2.1 二極管驅(qū)動(dòng)電路

對(duì)于血氧飽和度的發(fā)射管驅(qū)動(dòng)方式，本設(shè)計(jì)采用H橋驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示，分別使用ATmega16的PD4和PD5引腳來(lái)連接其中的Port3和Port4接口，這兩個(gè)引腳都是具有PWM功能，可以使用軟件控制這兩個(gè)引腳周期性的輸出100 Hz不同的占空比脈沖來(lái)控制雙波長(zhǎng)發(fā)射二極管按一定規(guī)則來(lái)交替發(fā)出紅光和紅外光，其中PA0和PA1為輸出互補(bǔ)電路的控制信號(hào)，電路中的兩個(gè)A和B分別相互連接組成完整的二極管驅(qū)動(dòng)電路.

圖3 二極管驅(qū)動(dòng)電路

2.2 光頻采集電路

本設(shè)計(jì)中血氧采集探頭采用雙波長(zhǎng)紅外發(fā)射管MQ-LAU 003，它能夠發(fā)射出波長(zhǎng)為660 nm和940 nm的紅外和近紅外波段的光信號(hào).這兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)透射手指后，被光頻率轉(zhuǎn)換器件TSL237采集到.

在光頻率轉(zhuǎn)換器件的內(nèi)部集成了一個(gè)放大器件，具體如圖4所示，因此經(jīng)過(guò)傳感器傳出的信號(hào)已經(jīng)是放大的脈沖信號(hào).所以可以用TSL237光頻傳感器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，從而使電路更加簡(jiǎn)單，功耗降低，不易受到其他方面的干擾，可以測(cè)量到更大的動(dòng)態(tài)范圍.

圖4 光-頻轉(zhuǎn)換器電路

2.3 雙脈沖二極管驅(qū)動(dòng)時(shí)序

本設(shè)計(jì)采用雙波長(zhǎng)發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制H橋電路，主要是由于脈搏血氧飽和度的測(cè)量原理中，探測(cè)脈搏血氧飽和度信號(hào)需要采用紅光信號(hào)和紅外光信號(hào)來(lái)照射人體組織.微處理器通過(guò)控制雙波長(zhǎng)發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路，并按照?qǐng)D5所示的時(shí)序來(lái)產(chǎn)生兩路驅(qū)動(dòng)脈沖.

圖5 發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)時(shí)序

圖5中低電平表示對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管截止，處于熄滅狀態(tài)，高電平表示對(duì)應(yīng)的二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，發(fā)光二極管發(fā)光.在A時(shí)間段內(nèi)紅光二極管點(diǎn)亮，光-頻轉(zhuǎn)化器件對(duì)光進(jìn)行自動(dòng)處理，將輸出的信號(hào)傳輸給微處理器，微處理器通過(guò)計(jì)數(shù)得到相應(yīng)的頻率，從而得到A時(shí)間段內(nèi)的光強(qiáng)度.在B時(shí)間段內(nèi)，紅光和紅外發(fā)光二極管都不發(fā)光，通過(guò)光-頻轉(zhuǎn)化器件和微處理器可以得到B時(shí)刻的光強(qiáng)，這時(shí)的光強(qiáng)度主要為背景光的暗光強(qiáng)度，使用A時(shí)刻的光強(qiáng)度減去B時(shí)刻的光強(qiáng)度，就可以消除背景暗光的影響.同理，紅外光也可以用此方法來(lái)消除背景暗光造成的影響.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在研究比較國(guó)內(nèi)外相關(guān)算法的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了脈搏血氧儀的軟件設(shè)計(jì).系統(tǒng)由Atmega16單片機(jī)來(lái)完成系統(tǒng)單元的控制、血氧飽和度的采集濾波和算法處理、結(jié)果輸出，并將結(jié)果顯示出來(lái)，軟件流程見圖6.

圖6 軟件流程圖

對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理中，本設(shè)計(jì)使用紅光和紅外光兩種不同波長(zhǎng)的信號(hào)光透射手指后，通過(guò)光頻轉(zhuǎn)換器直接將人體組織接受的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成其頻率和透射光強(qiáng)度成比例的電脈沖信號(hào)，對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理[10].

通過(guò)對(duì)頻率轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并利用連續(xù)采樣周期的脈沖計(jì)數(shù)平均值代表直流分量，和每一采樣周期脈沖計(jì)數(shù)值的變化量來(lái)代表交流分量[11- 13]這種方式來(lái)進(jìn)一步處理.可以得到四個(gè)變化量，紅光信號(hào)直流分量，紅光信號(hào)交流分量，紅外信號(hào)直流分量，紅外信號(hào)交流分量，分別用IRD_DC，IRD_AC，IIR_DC，IIR_AC來(lái)表示，由這四個(gè)變化量可以計(jì)算出R比值：

其中:信號(hào)的直流分量IIR_DC、IRD_DC和交流分量IRD_AC、IIR_AC可通過(guò)式(10)～(13)計(jì)算得到：

通過(guò)上面的式子，可以進(jìn)一步濾波和數(shù)據(jù)處理得到R值，進(jìn)而就可以計(jì)算出血氧飽和度.對(duì)于心率的計(jì)算本系統(tǒng)采取閥值判斷的方法來(lái)確定脈搏波的前沿和后沿，其基本思路是：通過(guò)差分閥值來(lái)找到脈搏波的前后沿，進(jìn)一步可以搜索得到兩個(gè)拐點(diǎn).這樣就可以分別得到脈搏波的波峰值和波谷值，這兩個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值之差就是脈搏波的幅度.利用這兩個(gè)拐點(diǎn)，可以連續(xù)采集幾次相鄰波的拐點(diǎn)，通過(guò)滑動(dòng)平均值的方法，進(jìn)而可以計(jì)算出更加精確的脈沖周期.最后將處理得到的脈率，血氧飽和度等數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)串口向外傳送到計(jì)算機(jī).

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果

本設(shè)計(jì)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)對(duì)式(7)中的常量A和B進(jìn)行標(biāo)定后，為了檢測(cè)樣機(jī)得到血氧飽和度的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的誤差，用樣機(jī)和美國(guó)FLUKE的Index- 2xlf型血氧飽和度模擬器分別對(duì)6名測(cè)試者進(jìn)行檢測(cè)，將測(cè)得血氧飽和度值進(jìn)行對(duì)比，如表1所示.由于正常人體的血氧飽和度為94% ～ 99%，通過(guò)數(shù)據(jù)可以得到正常范圍內(nèi)的誤差相對(duì)較小.

表1 血氧飽和度檢測(cè)結(jié)果%

從表中數(shù)據(jù)可以得知，當(dāng)血氧飽和度處于94% ～ 99%的人體正常范圍時(shí)誤差小于1%，在血氧偏低的情況下，誤差有加大的趨勢(shì).同時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)使用有一定的要求，應(yīng)處于平靜的狀態(tài)，不能有明顯的動(dòng)作.

5 結(jié)論

本脈搏血氧裝置電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)成本低，通過(guò)對(duì)血氧信號(hào)采集探頭，系統(tǒng)脈沖驅(qū)動(dòng)電路和血氧脈搏波信號(hào)的處理方法等方面進(jìn)行了研究，充分利用AVR單片機(jī)豐富的內(nèi)部資源對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上.經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，有較高的精度，滿足實(shí)際使用的需求，具有良好的市場(chǎng)前景.

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Design of Light-Frequency Converting Pulse Oximeter based on AVR Microprocessor

SHI Ju,SHENG Hu

(School of Electrical and Information Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

A design of pulse oximeter is introduced based on the hardware platform of AVR microcontroller. A high anti-jamming capability optical frequency conversion sensor TSL237 is adopted. According to basic principle of infrared spectroscopy measuring oxygen saturation, the drive circuit of H-Bridge to drive dual-wavelength diode is used, and Light-to-Frequency Converter TSL237 is applied to convert light intensity to frequency signal. Then the frequency signal is transmitted to AVR MEGA16 for data processing. Microprocessor uses the pulse count average value of continuous sampling period and variation of the pulse count value of each sampling period to calculate the oxygen saturation. Compared to the traditional method of analog circuits, the design has the advantages of simple structure, strong anti-interference ability and accurate measurement of blood oxygen saturation.

oxygen saturation of blood; light-frequency-conversion; pulse oximeter

1673- 9590(2017)01- 0103- 05

2016- 01- 04

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAF20B02)

時(shí)局(1988-),男，碩士研究生；盛虎(1978-),男，副教授,博士，主要從事信號(hào)與信息處理方面的研究

E-mail:shiji19880215@163.com.

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