摘 要：便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀在醫(yī)院、急救和家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。系統(tǒng)以Intel XScale 處理器的嵌入式平臺(tái)作為數(shù)據(jù)處理和顯示平臺(tái)，脈搏信號(hào)的采集端通過無線射頻集成芯片nRF905與嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。在硬件上實(shí)現(xiàn)了光傳感器的雙光束時(shí)序控制、數(shù)據(jù)采集和無線通信，在嵌入式平臺(tái)上運(yùn)用了數(shù)字信號(hào)處理算法和計(jì)算脈率、血氧飽和度的算法，有效地克服了測量信號(hào)的噪聲干擾。

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關(guān)鍵詞：血氧飽和度；脈搏；C8051；Windows CE；無線射頻通信

Research and Development of the Portable Multiparameter Monitor

——Pulse Oximeter

LUO Jian，LEI Yong，TU Guoqiang，HOU Haijun

(School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu，610065，China)

Abstract：The portable multiparameter monitor plays a more and more important part in the fields of hospital，first-aids and home security.The central platform used to process and display data is based on the processor of Intel XScale.The pulse signals transfer between measure end and central platform with radio frequency communication.For the hardware，the system achieves controlling sequence of two beams of light of light sensor，sampling data and wireless communication.For the central platform，using the arithmetic of digital signals process，calculating pulse rate method and oxygen saturation to overcome the signal noise and interference effectively.

Keywords：oxygen saturation;pulse;C8051;Windows CE;radio frequency communication



1 引 言

現(xiàn)在多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀已經(jīng)在醫(yī)院護(hù)理和急救系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，使得人體多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀向微型化、遠(yuǎn)程化的實(shí)現(xiàn)成為可能^［1］。這種監(jiān)護(hù)儀的監(jiān)護(hù)對(duì)象不僅是病人，健康者也可能成為監(jiān)護(hù)對(duì)象，通過對(duì)健康者的生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，使用者隨時(shí)可以了解自身的身體狀況并做出相應(yīng)的調(diào)整，更有助于疾病的早期發(fā)現(xiàn)和及時(shí)治療^［1-3］。它還可以應(yīng)用于一些特殊的場合，比如：對(duì)特殊環(huán)境下的工作人員進(jìn)行身體狀態(tài)監(jiān)測；在戰(zhàn)時(shí)，對(duì)士兵的人體狀態(tài)監(jiān)護(hù)等。

本文提出的便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，是將嵌入式平臺(tái)和多個(gè)測量端構(gòu)成一個(gè)無線局域網(wǎng)(如圖1所示)。期望這種監(jiān)護(hù)儀能夠在戶外急救中提供一個(gè)可行的解決方案。本文將其中一個(gè)通路(脈搏血氧測量)做重點(diǎn)介紹，其他通路類似。本文密切結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，又著眼于有潛力的新技術(shù)，研究內(nèi)容涉及無線射頻、C8051F350/330單片機(jī)應(yīng)用、動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)、嵌入式軟件開發(fā)等技術(shù)，是生物醫(yī)學(xué)與電子技術(shù)的交叉學(xué)科。

2 脈搏血氧測量原理和方法

脈搏血氧飽和度測量原理是依據(jù)郎伯-比爾(Lambert-Beer)定律^［4］：當(dāng)一束單色光通過溶液介質(zhì)時(shí)，吸光度與溶液的濃度和溶液層的厚度的乘積成正比。根據(jù)該定律及血紅蛋白吸收特征曲線，通過數(shù)學(xué)方法可以推導(dǎo)出血氧飽和度的測量模型：

(1) 使用紅外光(660 nm)和近紅外光(925 nm)作為測量光；

(2) 測量部位為人體指尖；

(3) 脈搏的計(jì)算式：PR＝(60×采樣率)／兩波峰間點(diǎn)數(shù)。脈搏波峰的確定：在采集的脈搏數(shù)據(jù)段中，如果某點(diǎn)滿足下面條件，則認(rèn)為此點(diǎn)為波峰。此點(diǎn)及前后n個(gè)點(diǎn)，共2n+1個(gè)樣本點(diǎn)，此點(diǎn)是2n+1個(gè)樣本中的局部最大值。

(4) 計(jì)算血氧飽和度的數(shù)學(xué)式^［4］。其中a，b為常系數(shù)，可以通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法擬合標(biāo)定。

(660)和AC(925)分別是兩路透射光信號(hào)的交流成分，DC(660)和DC(925)分別是兩路透射光信號(hào)的直流成分。

925 nm近紅外光吸光量的變化主要由氧合血紅蛋白含量影響；而660 nm紅光吸光量的變化主要由還原血紅蛋白含量影響。根據(jù)上述分析，綜合人體生理特征及測量的簡便性，本文系統(tǒng)采用的測量方法是雙波長測量法，即：將含動(dòng)脈血管的部位指尖安置在兩個(gè)發(fā)光管和一個(gè)光探測器之間，控制兩個(gè)發(fā)光管交替發(fā)光，光探測器接收透射光信號(hào)，得到脈搏波。通過相關(guān)數(shù)字處理，首先確定脈搏波準(zhǔn)確周期，其次從該復(fù)合信號(hào)中分解出交流和直流成分，最終通過式(1)求出血氧飽和度。

總之，血氧飽和度的測量關(guān)鍵是：能否得到正確的脈搏波形，能否有可行的分析脈搏周期和幅度的算法。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)脈搏血氧測量儀，脈搏波信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊后，通過無線收發(fā)射器構(gòu)成的小型無線局域網(wǎng)發(fā)送到嵌入式平臺(tái)，再由嵌入式平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并顯示分析結(jié)果和脈搏波形，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3.1 傳感器模塊

傳感器是由光發(fā)射器和光探測器組成^［4］，如圖3所示。

光發(fā)射器由紅光和近紅外光兩個(gè)發(fā)光二極管組成，發(fā)光二極管具有很好的單色性和亮度。當(dāng)單色光照射到生物組織上時(shí)，會(huì)引起生物組織比普通光照射時(shí)更為明顯的效應(yīng)。并且發(fā)光二極管具有體積小、重量輕、低功耗(低電壓、小電流)驅(qū)動(dòng)、壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)。光探測器采用光電池，它的顯著特點(diǎn)是輸出的光電流與受照輻射光強(qiáng)成線性關(guān)系，所以，系統(tǒng)中選用光電池輸出的短路電流作為光電轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)。

3.2 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的任務(wù)是在單片機(jī)控制下依照一定時(shí)序依次產(chǎn)生紅外光、紅光和暗光三種工作狀態(tài)。發(fā)光管點(diǎn)亮和熄滅的工作時(shí)序如圖4所示。

“ON”表示單片機(jī)發(fā)光脈沖，相應(yīng)的二極管導(dǎo)通?！癘FF” 表示不發(fā)光脈沖，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。T1為驅(qū)動(dòng)紅光發(fā)光二極管的脈沖寬度，T3為驅(qū)動(dòng)近紅外光發(fā)光二極管的脈沖寬度，T1=T2=T3=T4。T2，T4為暗光時(shí)間，即兩個(gè)二極管均處于截止?fàn)顟B(tài)的時(shí)間。

3.3 前置濾波放大

在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的提取、處理過程中，模擬濾波器作為預(yù)處理電路是必不可少的。用運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于無源濾波器，因?yàn)檫\(yùn)算放大器具有高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗等特性，所以組成的有源濾波器不但能提供一定的增益，并具有緩沖作用。考慮到參數(shù)調(diào)節(jié)和調(diào)試的方便性，系統(tǒng)采用了同相結(jié)構(gòu)的二階模擬低通濾波器。

3.4 無線通信模塊

無線通信模塊由射頻芯片nRF905和控制芯片C8051F350以及天線、復(fù)位電路、電源等電路組成。nRF905通過SPI接口和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。發(fā)送端的作用是發(fā)送傳感器檢測的數(shù)據(jù)信息，而接收端不斷的接收來自發(fā)送端的信息，并通過串口傳給上位機(jī)(嵌入式平臺(tái))處理。射頻芯片nRF905由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器、一個(gè)帶解調(diào)器的接收器、一個(gè)功率放大器、一個(gè)晶體震蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成。

3.5 串口通信

無線接收端接收到數(shù)據(jù)后通過串行口UART把數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式平臺(tái)。此部分在硬件上比較簡單，由于接收端和嵌入式平臺(tái)是在一塊的，所以UART接口直接是TTL電平連接的，不需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

3.6 嵌入式平臺(tái)

本系統(tǒng)使用的上位機(jī)是由億道公司提供的Liod嵌入式平臺(tái)，它采用Intel XScale系列處理器，提供了豐富的接口，移植上了微軟的Windows CE系統(tǒng)，此系統(tǒng)界面友好，功能強(qiáng)大，應(yīng)用軟件就是針對(duì)這個(gè)系統(tǒng)開發(fā)的。

4 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與算法

4.1 A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)算法

系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換部分完全是由單片機(jī)C8051F350控制并完成的。8051F350內(nèi)置有24位A/D轉(zhuǎn)換器，并且可以使用內(nèi)置參考電壓，大大減少了電路的復(fù)雜度，抗干擾能力也有所增強(qiáng)。

A/D轉(zhuǎn)換一個(gè)很重要的參數(shù)就是采樣頻率，為了保證被轉(zhuǎn)換信號(hào)不失真，采樣頻率要滿足奈奎斯特采樣定理。本系統(tǒng)所測的人體外周血液循環(huán)的信號(hào)是血紅蛋白和氧合血紅蛋白對(duì)紅光和紅外光的反射光經(jīng)過光電池轉(zhuǎn)換以后的電信號(hào)，其中脈搏波信號(hào)的頻率一般都在5 Hz以下，正常成人脈率在安靜、清醒的情況下為1～2 Hz，但本系統(tǒng)采用120 Hz的采樣頻率(由于分時(shí)采樣，實(shí)際采樣速率為480 Hz)，主要有以下幾點(diǎn)考慮：

(1) 脈搏信號(hào)中一般都帶有比較強(qiáng)的50 Hz工頻干擾信號(hào)，一起采進(jìn)來利用數(shù)字濾波算法將其濾除。

(2) 可以更加真實(shí)的體現(xiàn)脈搏波形細(xì)節(jié)，有助于診斷。

4.2 C8051F350片內(nèi)固件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的程序采用C51程序語言編寫。整個(gè)程序劃分為主程序和定時(shí)中斷服務(wù)程序。A/D中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)A/D 數(shù)據(jù)讀取、雙光束分離、去背景光干擾、數(shù)據(jù)打包、數(shù)據(jù)的發(fā)送等一系列工作。主程序則要完成輔助變量定義、系統(tǒng)初始化、采樣控制。

(1) 采樣控制。為降低A/D輸出噪聲，在對(duì)A/D的初始化當(dāng)中，A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的可編程數(shù)字濾波器選擇sinc3類型?？紤]到雙脈沖調(diào)制信號(hào)的高頻成分頻譜特性，A/D的轉(zhuǎn)換設(shè)定在高速工作狀態(tài)(如19.2 kHz)，發(fā)光脈沖的定時(shí)控制和雙脈沖調(diào)制下脈搏波信號(hào)的采樣控制均通過A/D轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)器產(chǎn)生中斷來完成。

(2) 雙光束分離。在單片機(jī)的控制下，信號(hào)被調(diào)制成了脈沖調(diào)幅波。從A/D讀取到的雙光脈沖調(diào)制下的數(shù)字信號(hào)中分離出不發(fā)光、紅光和紅外對(duì)應(yīng)的脈搏波信號(hào)，該部分是A/D中斷服務(wù)程序的主體。

5 終端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本軟件系統(tǒng)運(yùn)行于Windows CE操作系統(tǒng)環(huán)境下，采用EVC進(jìn)行多線程設(shè)計(jì)^［6］，主要用于從嵌入式平臺(tái)的串口讀取采集到的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

數(shù)據(jù)的讀取占用一個(gè)線程而數(shù)據(jù)處理則在主線程中的定時(shí)器中斷函數(shù)中進(jìn)行，流程圖如圖5所示。

程序初始化 打開系統(tǒng)定時(shí)器，初始化并打開串口，創(chuàng)建線程和信號(hào)事件。

減去背景光數(shù)據(jù) 測得的信號(hào)中，除了包含有用信息外，一些干擾成分，例如環(huán)境光、暗電流的影響也必然包括在內(nèi)。由于環(huán)境光、暗電流是串模干擾，并且脈搏波頻率低，變化較緩慢，如果在暗光時(shí)采集信號(hào)的話，該信號(hào)必然能反映此時(shí)環(huán)境光、暗電流的情況。因此，我們在單片機(jī)的控制下，對(duì)紅光、紅外光發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r以及暗光時(shí)三個(gè)工作狀態(tài)分別進(jìn)行采樣，得到三個(gè)數(shù)字量這樣便可消除環(huán)境光、暗電流的影響。同時(shí)，對(duì)其他干擾也可起到一定的抑制作用。

數(shù)字濾波 數(shù)字濾波器是具有一定傳輸選擇特性的數(shù)字信號(hào)處理裝置，其輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào)，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)由有限精度算法實(shí)現(xiàn)的線性時(shí)不變離散時(shí)間系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用無限長單位沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器(IIR)。

數(shù)據(jù)比較與計(jì)算 分別找出紅光和紅外光狀態(tài)下采樣點(diǎn)中的最大值和最小值，找出兩波谷間的點(diǎn)數(shù)。根據(jù)計(jì)算公式，得出脈搏和血氧飽和度的診斷。

本軟件系統(tǒng)是在EVC編程環(huán)境下完成的，EVC是針對(duì)Windows CE操作系統(tǒng)的類似VC的編程環(huán)境。在這里可以方便的使用C++語言編寫濾波器等算法和顯示界面。

6 結(jié) 語

本文介紹了便攜式脈搏血氧測量儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件算法，并完成了樣機(jī)制作，通過本系統(tǒng)得到的脈搏波波形及數(shù)據(jù)處理的結(jié)果(如圖6所示)，證明本文系統(tǒng)已較好地克服了噪聲干擾等核心問題，測量及處理的結(jié)果數(shù)據(jù)具有較高的可信度。本系統(tǒng)具有便于攜帶、體積小、使用方便、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別是測量端和嵌入式端之間通過無線通信模塊連接，使得多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀在醫(yī)院、急救和家庭監(jiān)護(hù)等系統(tǒng)中具有更廣泛的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］唐偉，黃曉慶，楊常清.多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的發(fā)展與未來［J］.北京生物醫(yī)學(xué)工程，2003，22(1):72-73.

［2］Korhonen I，Parkka J，Van Gils M.Health Monitoring in the Home of the Future［J］.Engineering in Medicine and Biology Magazine，IEEE.2003，22(3):66-73.

［3］Jovanov E，O′Donnell，Lords A，et al.Stress Monitoring Using a Distributed Wireless Intelligent Sensor System［J］.Engineering in Medicine and Biology Magazine，IEEE.2003，22(3):49-55.

［4］高遵伯.基于DSP的脈搏血氧飽和度測量儀的研制［D］.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2002.

［5］王博亮，劉迎春，劉安之，等.醫(yī)用傳感器及其接口設(shè)計(jì)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1998.

［6］Douglas Boling.Windows CE 程序設(shè)計(jì)［M］.北京博彥科技發(fā)展有限公司，譯.北京：北京大學(xué)出版社，1999.

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作者簡介 羅 劍 男，1982年出生，江西樟樹人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人和智能控制。

雷 勇 男，1966年出生，四川內(nèi)江人，教授，博士。主要研究方向?yàn)橹悄軠y試與控制，機(jī)器人控制。

涂國強(qiáng) 男，1963年出生，四川三臺(tái)人，工程師。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。

侯海軍 男，1983年出生，湖南桂陽人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人和智能控制。