具有無線傳輸功能的腕戴式血氧采集系統(tǒng)設(shè)計

王建林， 孫 佳， 姜子庠

(1. 上海東海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)字傳媒系， 上海 200241；2. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240； 3. 上海電力科技園股份有限公司， 上海 200082)

具有無線傳輸功能的腕戴式血氧采集系統(tǒng)設(shè)計

王建林1， 孫 佳2， 姜子庠3

(1. 上海東海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)字傳媒系， 上海 200241；2. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240； 3. 上海電力科技園股份有限公司， 上海 200082)

介紹了基于MSP430FG439的脈搏血氧儀設(shè)計與實現(xiàn)。通過對系統(tǒng)需求的分析，完成了血氧儀所需的信號采集、信號處理部分硬件設(shè)計，搭建了以MSP430為核心的具有多功能血氧檢測模塊。該血氧儀的特點：采用一個外圍探頭結(jié)合MSP430 MCU進行信號采集和處理；具有良好的人機界面，可在OLED屏上實時顯示心跳脈動波形和人體血氧含量；具有檢測手指是否夾入和根據(jù)心率和血氧進行報警；集成基于文件系統(tǒng)的SDHC存儲卡，可以將運行參數(shù)實時記錄存儲。經(jīng)過該血氧儀的設(shè)計流程，可以進行有關(guān)電力電子以及嵌入式開發(fā)等一系列的實驗設(shè)計。

脈動式血氧儀; SD卡驅(qū)動; 文件系統(tǒng); MSP430FG439

0 引 言

血氧飽和度作為人體第五大重要的生理健康指標，能反映人體呼吸功能以及含氧量，對于新生兒、孕婦以及老人的健康監(jiān)護有著重要的作用。而隨著近年來空氣質(zhì)量的下降，該指標變得越來越受到重視。通常情況下，人體血氧量的監(jiān)控是通過血氧儀來實現(xiàn)的。通過測量氧氣水平和心率，血氧儀可以在低于預(yù)設(shè)水平時發(fā)出警報聲。血氧儀可以用于對運動健康提供科學(xué)參考和心臟病、高血壓等患者的健康監(jiān)護儀器。但是，目前的血氧儀都不便于隨身攜帶，而且功能較為單一，并不能切實地做到實時監(jiān)控人的健康狀態(tài)。

本文設(shè)計了基于MSP430FG439，低成本、便攜式的血氧儀。實現(xiàn)了方便攜帶、快速測量，安全報警，運動檢測以及便攜存儲等一系列功能。

1 系統(tǒng)方案

1.1 理論基礎(chǔ)

SaO2為血氧含量，定義為氧合血紅蛋白水平和總的血紅蛋白水平(包含含氧和貧氧血紅蛋白)的比例，即：

身體組織對光吸收總量的不同，依賴于身體組織的氧含量，所以，身體的含氧量可以通過先測量兩種頻率的光分別通過身體后的強度，再計算這2個強度間的比率得到[1-4]，通過采樣技術(shù)提高測量精度[5-7]。

本設(shè)計采用的兩種頻率的光分別為波長660 nm的可見紅光和波長940 nm的紅外光，通過2個發(fā)光二極管交替閃爍，2種光分別通過電路達到測量的效果，測得數(shù)據(jù)后，計算公式如下：

其中：λ1和λ2分別代表使用的兩種光的波長;Iac為對應(yīng)波長的交流電流值;R為中間參數(shù)，血氧飽和度SaO2正比于R。

在測量中有一個直流分量和一個交流分量。直流分量被看作是身體組織和靜脈吸收的結(jié)果;交流分量是動脈吸收的結(jié)果。

1.2 設(shè)計實現(xiàn)

圖1描繪了系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖[8]。主控制器使用MSP430[9-10]，探頭Probe中的2個LED燈以500次/s的速度時分復(fù)用，MCU通過GPIO和DAC0連接一個H橋，從而分別控制其內(nèi)部LED燈的開關(guān)和光強。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計的模塊圖

PIN二極管被不同的LED等交替激勵，輸出的信號交流分量被運算放大器OA0和OA1放大，直流分量被有效濾除。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 信號采集與放大電路

設(shè)計中，信號采集部分主要參考了TI(美國德州儀器公司)的如下參考設(shè)計，如圖2所示。

圖2 信號采集與放大電路

2.2 OLED顯示與蜂鳴器

設(shè)計中，選用分辨率為128×64的OLED顯示屏進行本地顯示。同時配合一個有源蜂鳴器進行報警提示。

2.3 SDHC卡

設(shè)計中，采用了大容量高速度的SDHC卡，同時集成了文件系統(tǒng)，可以方便地讀取和存儲數(shù)據(jù)。同時，為了兼容其他存儲設(shè)備，將SPI接口進行引出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的初始化

系統(tǒng)的初始化流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的初始化流程圖

3.2 系統(tǒng)中斷服務(wù)函數(shù)

系統(tǒng)中斷服務(wù)函數(shù)負責(zé)血氧儀模式下的血氧含量測量，其執(zhí)行流程見圖4。

3.3 血氧飽和度計算方法

系統(tǒng)通過分時復(fù)用分別控制波長660 nm的可見紅光和波長940 nm的紅外光發(fā)光二極管閃爍[11-16]，再通過耳機方法電路對原始信號進行放大。同時在放大過程中分別濾除其直流分量，再通過數(shù)字濾波器進一步濾除直流信號。

圖4 系統(tǒng)中斷流程圖

最終，可以分別得到波長660 nm的可見紅光和波長940 nm的紅外光投射過人體后的交流分量，對該分量進行對比后即可得到人體血氧飽和度。流程如下：① 獲取可見紅光交流分量對數(shù)值；② 獲取紅外光交流分量對數(shù)值；③ 計算以上對數(shù)值的商，該商對應(yīng)一個可以反映血氧含量的中間變量；④ 通過與標準血氧儀對比校準，確定③中獲取的中間變量對應(yīng)的準確血氧儀，制定查詢表；⑤ 完成校準后，通過使用③中中間變量查表方式即可獲取血氧含量。

系統(tǒng)實物展示如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)實物總體展示

4 結(jié) 語

基于MSP430FG439的便攜式血氧儀，可以方便攜帶和進行快速測量，當血氧值或心率低于預(yù)定安全范圍后將進行報警。另外，SD卡作為大容量的便攜存儲設(shè)備，可以應(yīng)用于該系統(tǒng)。例如，可以記錄大量數(shù)據(jù)信息用于醫(yī)生對長期病情的監(jiān)控掌握。

該血氧采集系統(tǒng)具有測試精度高、實時監(jiān)測、便于攜帶、人機界面交互友好等特點。該系統(tǒng)實用性強，對人體的健康起到有力的保證作用，具有廣闊的前景。

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Design of Wrist-wearing Oxygen Acquisition System with Wireless Transmission Function

WANGJianlin1,SUNJia2,JIANGZiyang3

(1. Digital Media Department, Shanghai Donghai Vocational & Technical College, Shanghai 200241, China; 2. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 3. Shanghai Electric Power of Science Park Co., Ltd., Shanghai 200082, China)

This paper introduces the design and implementation of pulse oximetry based on MSP430FG439. Based on the analysis of the system requirements, the signal acquisition and signal processing hardware design of the oximeter are completed. The multi-functional blood oxygen detection module with MSP430 as the core is set up. The oximeter has features: a peripheral probe combined with MSP430 MCU is used to signal acquisition and processing; has a good man-machine interface, real-timely displays the OLED screen pulse waveform and human blood oxygen heart rate; and detects of finger clip. And according to heart rate and blood oxygen alarm which are integrated by file system-based SDHC memory card, one can run the real-time recording and storage parameters. The design of the oxygen meter can be carried out on the power electronics and embedded experiment design.

pulsoximeter; SDHC card; file system; MSP430FG439

2016-05-10

王建林(1957-)，男，上海人，講師，主要研究方向:軟件工程、遺傳算法。Tel.:021-64391764; E-mail:906857244@qq.com

TP 212.1

A

1006-7167(2017)02-0091-03