便攜式血氧飽和度監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究

胡欣宇，趙召龍，陳相福，王昕波

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，山西 太谷 030801)

便攜式血氧飽和度監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究

胡欣宇，趙召龍，陳相福，王昕波

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，山西 太谷 030801)

目前國(guó)內(nèi)臨床使用的血氧飽和度監(jiān)測(cè)設(shè)備的體積和重量都比較大，不便攜帶，且大多為有線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，給醫(yī)生和患者的使用都帶來(lái)了很大的不便。本文提出了一種利用指套式傳感器探頭監(jiān)測(cè)血氧飽和度的便攜式方案，相對(duì)于傳統(tǒng)的血氧飽和度監(jiān)測(cè)設(shè)備而言，它可以隨時(shí)隨地通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸方式監(jiān)測(cè)人體的血氧飽和度指標(biāo)。

血氧飽和度；便攜式；指套式傳感器探頭

0 引言

血氧飽和度(SpO2)就是血液中的血氧濃度，即人體血液攜帶氧能力（呼吸循環(huán)）的重要生理參數(shù)[1]。在監(jiān)護(hù)室急救病房、手術(shù)麻醉、病人運(yùn)動(dòng)和睡眠研究、以及慢性呼吸循環(huán)系統(tǒng)疾病患者的監(jiān)控上都有很重要的作用[1,2]。

與目前的血氧飽和度監(jiān)測(cè)設(shè)備相比，本文中儀器有以下幾方面特點(diǎn)：①便攜設(shè)計(jì)，體積??；②連續(xù)的、無(wú)損傷的監(jiān)測(cè)血氧飽和度值；③數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)更加方便。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于郎伯-比爾定律和血液中去氧血紅蛋白允許很多的紅外線(xiàn)通過(guò)并且吸收大量紅色可見(jiàn)光，且高度含氧血紅蛋白允許多數(shù)的紅色光通過(guò)且吸收大多的紅外線(xiàn)這一特殊性質(zhì)，根據(jù)感應(yīng)氧化血紅蛋白以及去氧血紅蛋白對(duì)紅外線(xiàn)和紅光的吸收比例來(lái)測(cè)定血液中的含氧量[3,4]。血氧飽和度的計(jì)算公式如下:

式中，A、B、C為定標(biāo)常數(shù),可以由定標(biāo)實(shí)驗(yàn)得到

為兩個(gè)波長(zhǎng)的光吸收比率[5,6]。其中,VREDAC為紅光的交流分量;VREDDC為紅光的直流分量;VIREDAC為紅外光的交流分量;VIREDDC為紅外光的直流分量。

所用光源一般為發(fā)光二極管，采用驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)發(fā)出紅色可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)。常見(jiàn)的測(cè)試部位有耳垂、指尖或者腳尖[7]。所用傳感器探頭包含兩個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏二極管。光敏二極管將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)且經(jīng)兩級(jí)放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)值計(jì)算，最后得到血氧飽和度值。

1.1 探頭及驅(qū)動(dòng)電路

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用了在指尖測(cè)量血氧飽和度的方案，選用指套式傳感器探頭，探頭采用14幀的小型接口，符合小型化設(shè)計(jì)要求。血氧測(cè)量驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)考慮到以下因素：①易用性，模塊要易用，所需外圍器件要少，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度；②模塊的體積，基于小型化設(shè)計(jì)要求，模塊的體積要??；③模塊的供電電壓和功耗，低功耗設(shè)計(jì)也是設(shè)計(jì)的基本要求之一；④測(cè)量精度要高；⑤多參數(shù)測(cè)量，如可測(cè)量脈率、脈搏強(qiáng)度等?；谏鲜鲆蛩氐目紤]，設(shè)計(jì)出了血氧監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)模塊，尺寸為39×20×5.6 mm，供電的電壓為3.3 V，最大的工作電流30 mA，血氧飽和度的測(cè)量精度±2%（正常范圍為70%～100%）。此外，該模塊還包含了脈率測(cè)量的功能，其測(cè)量范圍為 30～235次/分，精度大致為±2%。模塊還對(duì)外提供UART通信接口，其通信波特率為4800。血氧監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)模塊以及指套式探頭實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 血氧監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)模塊及指套式傳感器探頭Fig.1 Blood oxygen monitoring drive module and finger-cot sensor probes

在血氧監(jiān)測(cè)的驅(qū)動(dòng)模塊以及指套式傳感器探頭的基礎(chǔ)上，還設(shè)計(jì)出血氧測(cè)量系統(tǒng)的電路。如圖 2所示為血氧測(cè)量驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖。在設(shè)計(jì)該電路時(shí)，將硬件平臺(tái)UART接口與血氧監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)模塊的P1端口相連接，用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。將傳感器探頭接口管腳對(duì)應(yīng)的電氣信號(hào)與P2端口相連接，用作發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)，并且接收光敏二極管會(huì)把光信號(hào)轉(zhuǎn)為微弱電流信號(hào)。該血氧監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)模塊會(huì)多級(jí)處理其接收到的微弱電流信號(hào)，最后會(huì)得到相應(yīng)的血氧飽和度值。

圖2 血氧監(jiān)測(cè)單元電路原理Fig.2 Circuit schematics of blood oxygen monitoring unit

1.2 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

如圖3所示，是血氧監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)模塊的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程。第一步，利用一個(gè)跨阻放大電路（電阻反饋放大器電路）將從P2口接收的電流信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大，并轉(zhuǎn)換電流-電壓信號(hào)，同時(shí)濾除高頻信號(hào)，最后放大器輸出一個(gè)交直流疊加的信號(hào)[8]。第二步，利用一個(gè)差分放大器，消除直流分量并實(shí)現(xiàn)交流分量放大的功能。第三步，濾波處理，濾除掉一些小直流偏置信號(hào)。第四步，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,得到數(shù)字信號(hào)。第五步，處理數(shù)據(jù)得到血氧飽和度值及脈率值等信息。第六步，串口輸出傳送給硬件平臺(tái)。

圖3 血氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 data processing flow chart of blood oxygen monitoring

1.3 SD卡存儲(chǔ)單元電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)功能，在設(shè)計(jì)血氧和體溫集成監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)還集成了 SD卡存儲(chǔ)單元。當(dāng)前，SD卡有三種類(lèi)型，即標(biāo)準(zhǔn)SD卡，Mini SD卡和Micro SD卡。這三種卡的尺寸依次變小，micro SD卡的尺寸僅有15×11×1.0毫米。此外，不同SD卡的引腳數(shù)目也各不相同，標(biāo)準(zhǔn)SD卡有9針引腳，Mini SD卡有11針引腳，Micro SD的針腳數(shù)最少僅有8個(gè)引腳?；谙到y(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)需求，存儲(chǔ)單元電路設(shè)計(jì)使用了較小尺寸的Micro SD卡。另外，Micro SD卡重量較輕，僅有0.5克；工作電壓僅為2.7～3.6 V；與標(biāo)準(zhǔn)SD卡以及Mini SD卡兼容（但需專(zhuān)用適配器），Micro SD的外觀(guān)及引腳分布如下圖4所示[9-10]。

圖4 Micro SD卡外觀(guān)示意圖Fig.4 Appearance diagram of Micro SD card

Micro SD卡（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SD卡）包含兩類(lèi)通信模式—SPI模式和SD模式。兩類(lèi)通信的模式不同，所使用的引腳定義及引腳數(shù)目也不同。表1給出兩類(lèi)模式的引腳定義。通過(guò)表1可看出，SD卡在SPI通信模式下僅僅使用了6個(gè)引腳，第1、8引腳并未使用，采用SD模式能有效減少M(fèi)CU通用引腳使用的數(shù)量。同時(shí)，還減少了電路板的走線(xiàn)，也降低了PCB的布線(xiàn)復(fù)雜度，這些特性在小尺寸的電路設(shè)計(jì)中是非常重要的。所以，在本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，SD卡使用了 SPI模式來(lái)與硬件平臺(tái)通信[11-12]。該 SD卡存儲(chǔ)單元電路原理如圖5所示，其外圍電路很簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)退偶電容連接在 SD卡供電電源的輸入端。

表1 SD卡引腳定義Tab.1 Pin definition of SD card

圖5 SD卡存儲(chǔ)單元電路原理Fig.5 Circuit schematics of SD card memory unit

2 系統(tǒng)測(cè)試及優(yōu)化

2.1 血氧測(cè)試以及優(yōu)化

剛開(kāi)始，我們測(cè)的血氧容積波形中有些許異?，F(xiàn)象，就是波形中有些地方比較粗糙，圖中波形下降階段常常會(huì)出現(xiàn)干擾，如圖6所示。

經(jīng)仔細(xì)研究分析，發(fā)現(xiàn)血氧探頭在同一個(gè)探測(cè)周期內(nèi)、不同時(shí)間下對(duì)電流消耗是不相同的，會(huì)出現(xiàn)電流瞬時(shí)較大的情況。我們之前使用的電源芯片LTC4088輸出電流僅僅只有100mA并不能夠滿(mǎn)足整個(gè)電路板的需求，因此我們初始化了電源芯片的編程，將其調(diào)整到 1A以后完美的解決了該問(wèn)題，如圖7所示[13]。

為能參考心電圖形以及血氧容積波形獲得血壓的數(shù)據(jù)，將兩種數(shù)據(jù)集中在一起進(jìn)行了對(duì)比處理研究分析，如圖8所示。目前我們還在研究中。

圖7 處理之后血氧容積波形Fig.7 Processed blood oxygen volume waveform

圖8 心電圖和血氧容積波同一時(shí)刻顯示Fig.8 Electrocardiogram and blood oxygen volume wave at the same time

2.2 功耗測(cè)試及優(yōu)化

因ZigBee模塊電路部分的功耗明顯比較大，需盡量降低 ZigBee模塊的功耗，我們先測(cè)試 ZigBee模塊的電流，如下表2所示。從表中可看出，在不同的工作狀態(tài)下 ZigBee模塊所使用的電流差距非常大，為了降低系統(tǒng)的功耗，盡可能讓ZigBee模塊在沒(méi)有工作任務(wù)時(shí)立刻進(jìn)入休眠的工作狀態(tài)且少發(fā)送信息[10]。

表2 功耗測(cè)試Tab.2 Power consumption test

血氧系統(tǒng)的功耗測(cè)試如表3所示。血氧系統(tǒng)休眠狀態(tài)時(shí)的漏電現(xiàn)象很?chē)?yán)重，原因是單片機(jī)的 I/O口有漏電流給電路板中的其他模塊消耗了。血氧系統(tǒng)的漏電流是從SPI口的MISO和CLK管腳流出并被血氧模塊和AD7783消耗的。在未改善時(shí)，電流消耗還是比較大的[14]。我們?cè)谄溥M(jìn)入休眠前做了如下設(shè)置來(lái)進(jìn)一步降低功耗：

表3 血氧系統(tǒng)功耗測(cè)試Tab.3 Power consumption test of blood oxygen system

首先，將 CC2530的非普通I/O口全部設(shè)置為普通I/O口；

其次，設(shè)置CC2530的普通I/O為輸出屬性，設(shè)置CC2530的普通I/O輸出低電平，通過(guò)CC2530控制晶體管用來(lái)切斷節(jié)點(diǎn)電路中其余所有電路的電源；

最后，設(shè)置 CC2530寄存器，使其進(jìn)入休眠的工作狀態(tài)。

當(dāng)外部產(chǎn)生中斷且需要喚醒的時(shí)候，需恢復(fù)休眠前所修改的設(shè)置，以使得系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。設(shè)置之后，血氧系統(tǒng)的功耗比原來(lái)降低了90倍之多，如表3所示。

血氧節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)的電流相對(duì)較高，主要因素為血氧模塊需將較多電能轉(zhuǎn)為光能才可以監(jiān)測(cè)出人們體內(nèi)血氧濃度等數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)臨床測(cè)試對(duì)比分析

我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行臨床測(cè)試，且與對(duì)比設(shè)備進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試的環(huán)境為25 ± 1℃, 60 ± 2%RH。生理參數(shù)測(cè)試選用的對(duì)比設(shè)備如表4所示。

表4 系統(tǒng)臨床測(cè)試對(duì)比設(shè)備Tab.4 Contrast equipment of clinical test for system

我們對(duì)七位志愿者進(jìn)行了血氧濃度的臨床測(cè)試對(duì)比，其測(cè)試結(jié)果分別如表5所示。

表5 血氧濃度臨床測(cè)試數(shù)據(jù)記錄Tab.5 Clinical test data record of blood oxygen saturation

從志愿者的血氧濃度測(cè)量對(duì)比數(shù)據(jù)中可以看出，系統(tǒng)和對(duì)比設(shè)備的單點(diǎn)血氧測(cè)量值最大差值在2%以?xún)?nèi)，七位志愿者的血氧濃度測(cè)量差值的均值為0.71%。

3 結(jié)論

隨著人們對(duì)疾病預(yù)防和醫(yī)療保健的高度重視，便攜式醫(yī)療設(shè)備逐漸成為每個(gè)家庭必不可少的一部分。本文設(shè)計(jì)了以連續(xù)的、無(wú)損傷的脈搏血氧飽和度監(jiān)測(cè)為導(dǎo)向，在血氧探頭的設(shè)計(jì)、脈搏波信號(hào)處理的方法、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的可靠性、便攜性等方面進(jìn)行研究，完成了脈搏血氧飽和度監(jiān)測(cè)設(shè)備樣機(jī)的研制，同時(shí)實(shí)驗(yàn)的初步結(jié)果表明了系統(tǒng)具備一定的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

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Monitoring Device for Blood Oxygen Saturation

HU Xin-yu, ZHAO Zhao-long, WANG Xin-bo, CHEN Xiang-fu
(Shanxi Agricultural University, Taigu, Shanxi, 030801)

At present, the monitoring devices for blood oxygen saturation used clinically have large size and weight, and also are inconvenient to carry.Data transmission of traditional monitoring devices can only be accomplished by cable, which can bring some trouble to doctors and patients.This paper presented a portable solution that can be used to monitor blood oxygen saturation with finger-cot sensor probes.Compared with traditional monitoring device, the new portable device can wirelessly monitor blood oxygen saturation whenever and wherever.

Blood oxygen saturation; Portable; Finger-cot sensor probe

R318.6

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.03.013

教育部產(chǎn)學(xué)合作專(zhuān)業(yè)綜合改革項(xiàng)目(20150107)；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2015YJ09)

胡欣宇，男，博士，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授，研究方向?yàn)榭纱┐鹘】当O(jiān)護(hù)、物聯(lián)網(wǎng)；趙召龍，女，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院，軟件工程大三學(xué)生；陳相福，男，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院，軟件工程大三學(xué)生；王昕波，男，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院，軟件工程大三學(xué)生。

本文著錄格式：胡欣宇，趙召龍，陳相福，等.便攜式血氧飽和度監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究[J].軟件，2017，38（3）：60-64