基于AFE4490的脈搏血氧儀的設(shè)計

杜武松

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714214

摘要：以AFE4490集成模擬前端為信號處理，以STM32F103單片機為核心，在液晶屏顯示測量結(jié)果，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)生和家人可隨時通過網(wǎng)絡(luò)了解測試者的血氧參數(shù)情況。

關(guān)鍵詞：AFE4490；STM32；GPRS；脈搏血氧儀

一、概述

生命的基本過程就是機體細胞攝入氧排出二氧化碳產(chǎn)生能量的過程，當(dāng)組織得不到充足的氧，組織的代謝、機能、甚至形態(tài)結(jié)構(gòu)都可能發(fā)生異常。脈搏血氧儀是一種無創(chuàng)的，可連續(xù)監(jiān)測人體內(nèi)動脈血氧飽和度的測量儀器，隨著人們對健康的日益關(guān)注，脈搏血氧儀產(chǎn)品逐步進入家庭。

二、脈搏血氧儀的測量原理

人體的血氧飽和度測量使用光電容積脈搏波描記法，是一種利用皮膚對光的反射或者透射來評價血液含氧量等有關(guān)信息的方法。人體脈搏血氧飽和度測量是以朗伯比爾定律和血液中氧合血紅蛋白（HbO2）及非氧合血紅蛋白（Hb）對紅光和紅外光吸收特性差異為基礎(chǔ)，使用兩種不同波長的紅光和紅外光照射到人體組織上，入射光由于受到皮膚肌肉和血液的吸收而衰減，出射光強度則會減弱，通過測量光線的變化來計算出脈搏血氧飽和度（SPO2）。

脈搏血氧飽和度的計算公式如下：

SPO2 =ABR+CR2，

式中，A、B、C為定標(biāo)常數(shù)，可以由定標(biāo)試驗獲得，R為兩種波長的光吸收比率，R = Vredac/VreddcViredac/Vireddc，其中，Vredac為紅光交流分量；Vreddc為紅光的直流分量；Viredac為紅光交流分量；Vireddc為紅光的直流分量。設(shè)計中選用660nm紅光和940nm紅外光，因為在此波長組合處，氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的吸收差別較大。

三、硬件設(shè)計

本文硬件電路使用血氧模擬前端AFE4490和單片機STM32F103搭建，通過測量人體血氧飽和度，來計算獲得心率與血氧數(shù)據(jù)，在液晶屏上進行顯示，并將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)便可遠程查看。

多數(shù)設(shè)計對光電信號的調(diào)制和采集均使用分立元件來實現(xiàn)，此設(shè)計難度較大，并且測量過程中易受外界干擾，因此本設(shè)計選用AFE4490方案。該方案是TI公司設(shè)計的一款適用臨床需求的動脈血氧飽和度測量的全集成模擬前端，能夠很好的實現(xiàn)光電信號的調(diào)制及采集，大大降低了硬件和軟件設(shè)計難度，并且縮小了系統(tǒng)體積，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。AFE4490血氧模擬前端芯片包含一個具有22位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的低噪聲接收通道、一個驅(qū)動LED燈發(fā)光部分和針對傳感器以及LED故障檢測的診斷功能。AFE4490通過SPI接口與單片機STM32F103進行通訊，能夠快速、準確地接收指令和發(fā)送數(shù)據(jù)。STM32F103通過計算到心率和血氧數(shù)據(jù)后，定時的通過GPRS模塊Air200進行數(shù)據(jù)的上傳，上傳的數(shù)據(jù)保存在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，測試者的醫(yī)生和家人即可通過智能終端，例如電腦，手機等即可獲取到測試者的心率和血氧數(shù)據(jù)實時和歷史數(shù)據(jù)，及時的了解測試者的血氧飽和度、脈率參數(shù)情況。

四、軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計方面，基于C語言設(shè)計，首先需要完成各個功能模塊的上電初始化，例如AFE4490初始化，SPI接口初始化，STM32定時器、SPI接口等等初始化，Air200初始化等等。完成以上各步初始化后，通過模擬前端AFE4490采集紅光透射光、紅外光透射光信號數(shù)據(jù)，完成一次脈搏周期數(shù)據(jù)采集后，通過置高ADC_RDY信號，告之STM32主控芯片本次脈搏周期數(shù)據(jù)采集完畢，可以進行數(shù)據(jù)的讀取。STM32核心接收到數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)處理，得到原始的脈搏波信號，并且進行帶通濾波器濾波去噪，得到平滑的二級波形，再對該二級波形進行波峰值、波谷值的檢測，得到光線的直流交流分量后進而計算出R值，再將R值代入到定標(biāo)曲線公式中得到血氧飽和度。由于使用了AFE4490集成模擬前端，復(fù)雜的信號采集和控制均可通過操作其寄存器進行，大大簡化了軟件設(shè)計要求，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計時間。

脈率計算可通過紅外光的光波信號來進行，首先計算波峰和波谷的幅度值，與預(yù)設(shè)閾值進行比較，若是超過閾值即表示當(dāng)前為正常測量，通過統(tǒng)計3個脈搏周期的波峰與波峰的采樣點數(shù)，再根據(jù)采樣速率（100Hz）計算出當(dāng)前的脈率值，同時當(dāng)前計算的血氧飽和度數(shù)值也有效；若是沒有達到閾值，則直接判定當(dāng)前測量數(shù)據(jù)存在錯誤，不再計算脈率值。得到血氧飽和度和脈率數(shù)值后，固定每一秒鐘更新液晶屏幕上的血氧飽和度和脈率數(shù)值，同時也通過GPRS模塊Air200將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進行存儲，以便醫(yī)生或者家人遠程查看。

五、結(jié)語

從無創(chuàng)血氧測量快速搭建電路、精確測量方面考慮，使用了模擬前端AFE4490加STM32的設(shè)計方案，通過產(chǎn)品的設(shè)計和研發(fā)，取得了不錯的效果。目前健康監(jiān)護產(chǎn)品正朝著便攜化和小型化發(fā)展，穿戴式的產(chǎn)品更是日新月異，所以模擬前端AFE4490的設(shè)計方案將有著很高的實用價值以及廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻：

[1]謝正洋，胡丹峰，王加俊.無創(chuàng)血氧飽和度的測量及無線監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J].中國儀器儀表，2009（04）.

[2]周洪建，蔡桂艷.三波長無創(chuàng)血氧飽和度測量算法及應(yīng)用[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2007（05）.