【作 者】高 超，王彬之，馮濤濤，李 宏

寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江，寧波，315211

目前嵌入式系統(tǒng)發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，設(shè)備的智能化、自動(dòng)化水平也在不斷提高。在醫(yī)療設(shè)備中采用嵌入式系統(tǒng)，不僅可實(shí)現(xiàn)儀器的自動(dòng)化和智能化，還可實(shí)時(shí)地完成復(fù)雜的信號(hào)處理和分析。

HGB（Hemoglobin，血紅蛋白）是人體血液中紅細(xì)胞內(nèi)的主要成分，它具有易與氧和二氧化碳結(jié)合的特性，是呼吸系統(tǒng)的載體。HGB低于正常值時(shí)，就是常說的貧血。HGB測(cè)量儀主要應(yīng)用在手術(shù)室、血液科、急診室、新生兒監(jiān)護(hù)和運(yùn)動(dòng)員體檢等場(chǎng)所，是很多疾病重要的診斷手段，因此準(zhǔn)確快速的測(cè)量HGB濃度在醫(yī)療上尤為重要。目前， HGB測(cè)量儀價(jià)格昂貴，國產(chǎn)血紅蛋白儀體積龐大，操作復(fù)雜，測(cè)量結(jié)果易受外界影響，且稀釋和溶血需要較長時(shí)間。

本文報(bào)告開發(fā)了一種基于嵌入式的便攜式HGB測(cè)量系統(tǒng)，它利用雙波長法實(shí)現(xiàn)HGB濃度的測(cè)量。該系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確地測(cè)量HGB濃度，降低HGB測(cè)量儀的造價(jià)，可應(yīng)用于各種相關(guān)場(chǎng)所。

1 HGB濃度測(cè)量原理

1.1 雙波法測(cè)量原理

目前，測(cè)量液體濃度的方法主要有化學(xué)中的滲透法[1]，測(cè)量糖溶液濃度的旋光儀法和光纖濃度測(cè)量技術(shù)等。本設(shè)計(jì)采用雙波長法測(cè)量血紅蛋白。較以上諸法更為便捷，高效。

假設(shè)波長為λ1和λ2的兩種光分別通過血紅蛋白溶液，如圖1所示：

圖1 雙波長法測(cè)量原理Fig.1 Principle of dual-wavelength measurement

由比爾-朗伯定律得：

其中，Lin1為輸入樣本的光強(qiáng)，Lout1為輸出樣本的光強(qiáng)，[C]為樣品濃度，K為吸收系數(shù)(特定的每種分子)，L為容器皿的厚度，As1為外界環(huán)境對(duì)光的吸收度。同理，可得波長為λ2的關(guān)系式。將兩式相減可得：

因外界環(huán)境相同，即有As1=As2。根據(jù)光電發(fā)光管的光敏感性S(λ)=isc/L，其中isc為發(fā)光管的短路電流，L為光強(qiáng)，將短路電流轉(zhuǎn)換為電壓，再經(jīng)V—F轉(zhuǎn)換，則有：

1.2 波長的選擇

波長選擇原則：波長λ1和λ2處，干擾組分應(yīng)具有相同吸光度，這樣才能保證AS1= AS2，提高測(cè)量的精度；在選定的兩個(gè)波長λ1和λ2處待測(cè)組分的吸光度應(yīng)具有足夠大的差值，否則lg[Iout(λ1)/Iout(λ2)]的值很小，會(huì)給測(cè)量帶來很大的誤差；波長λ1和λ2處光電接收器要有足夠的相對(duì)感度，這樣才能提高系統(tǒng)的靈敏性。根據(jù)表1可以看出，紅色物質(zhì)對(duì)藍(lán)光和綠光的吸收最高，藍(lán)光的波長為470-480 nm，綠光的波長為530-540 nm。

表1 物質(zhì)顏色與吸收色的關(guān)系Tab.1 Relation between material color and wavelengths

從圖2可知，氰化高鐵血紅蛋白溶液對(duì)藍(lán)光和綠光的吸光度都比較高，都能滿足設(shè)計(jì)的要求。但從圖3可知，藍(lán)光的相對(duì)敏感度很低，而綠光的相對(duì)敏感度大約為藍(lán)光的2倍，因此本系統(tǒng)選用綠光作為測(cè)量光源。

2 系統(tǒng)硬件

本系統(tǒng)包括S3C44B0X微處理器[2]為核心的ARM控制與數(shù)據(jù)處理單元，HGB測(cè)量光源控制模塊，光電轉(zhuǎn)換模塊，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，鍵盤以及LCD。具體系統(tǒng)構(gòu)架如下圖4所示。以下介紹系統(tǒng)主要功能模塊。

2.1 HGB光源產(chǎn)生電路

HGB測(cè)量儀光源主要由SPX1117（5 V）穩(wěn)壓源，紅、綠發(fā)光二極管，兩個(gè)用于控制的三極管構(gòu)成，如圖5所示。ARM控制單元通過改變兩個(gè)三極管截止或者飽和的工作狀態(tài)，以控制兩個(gè)LED發(fā)光二極管一個(gè)工作一個(gè)不工作，使其發(fā)出紅光或者綠光。因流過發(fā)光二極管的電流為恒定值，所以LED能發(fā)出光強(qiáng)穩(wěn)定的紅光和綠光。

2.2 光電轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)換電路是銜接光源產(chǎn)生電路和后續(xù)電路的部分。它把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送至AD采樣，為后續(xù)的信號(hào)處理電路提供數(shù)據(jù)。它的穩(wěn)定性決定了光信號(hào)處理部分能否正常工作。當(dāng)有光照射到接收管時(shí)，光接收管產(chǎn)生電流，電流流過運(yùn)放的跨阻，在運(yùn)放輸出端產(chǎn)生負(fù)電壓U0。根據(jù)光電二極管對(duì)波長為 λ 的光波的敏感性S(λ)=isc/I(λ)，及運(yùn)放輸出U0=isc×R，可得接收光強(qiáng)I(λ)和U0成正比，從而通過測(cè)量運(yùn)放輸出電壓即可測(cè)量光電二極管所接收的光強(qiáng) I(λ)。

光電轉(zhuǎn)換電路可采用零偏結(jié)構(gòu)和反偏結(jié)構(gòu)。反偏結(jié)構(gòu)接收管的陽極加一負(fù)電壓VEE，與零偏結(jié)構(gòu)電路相比，適合高速應(yīng)用并能大大降低接收管的極間電容C。極間電容的降低對(duì)光電轉(zhuǎn)換電路噪聲的降低將有重大的意義，因此本設(shè)計(jì)中采用反偏結(jié)構(gòu)。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換器分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器[4]。其中間接的A/D轉(zhuǎn)換器又主要分為電壓-時(shí)間轉(zhuǎn)換型（VTC）和電壓-頻率變換型（VFC）兩類。電壓-頻率變換型轉(zhuǎn)換器，工作穩(wěn)定，線性好，精度高，電路簡(jiǎn)單且其抗干擾能力強(qiáng)。因此本設(shè)計(jì)采用VFC轉(zhuǎn)換方式。

本設(shè)計(jì)選用AD654芯片來實(shí)現(xiàn)，其原理如圖6所示。將光電轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓U0經(jīng)VFC變換，線性地轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖式的頻率。由S3C44B0X讀入其內(nèi)的計(jì)數(shù)器在一個(gè)固定的時(shí)間間隔里對(duì)得到的頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，所得到的計(jì)數(shù)結(jié)果即為正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量。其工作原理如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件部分主要功能是協(xié)調(diào)各模塊的工作以及數(shù)據(jù)的分析處理。系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖8所示，主要涉及S3C44B0X芯片的定時(shí)器，中斷控制器和LCD控制功能。

系統(tǒng)初始化后進(jìn)入主菜單，進(jìn)行功能選擇。按1鍵對(duì)18歲以下人群進(jìn)行測(cè)量，按2鍵對(duì)18～60歲人群進(jìn)行測(cè)量，按3鍵對(duì)60歲以上人群進(jìn)行測(cè)量，按4鍵對(duì)測(cè)量人群進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，按5鍵進(jìn)入系統(tǒng)校正模式，對(duì)系統(tǒng)精度進(jìn)行校準(zhǔn)。選擇1-3或者5后進(jìn)入測(cè)量功能，測(cè)量完成后將數(shù)據(jù)送入ARM進(jìn)行處理，然后將處理完的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，供輸出顯示。

3.1 測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

測(cè)量部分利用ARM芯片的外部中斷2對(duì)輸入的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，利用定時(shí)器3的計(jì)數(shù)中斷來確定計(jì)數(shù)的時(shí)間。系統(tǒng)初始化后開啟定時(shí)器3，當(dāng)產(chǎn)生第一個(gè)定時(shí)中斷時(shí)，LED發(fā)紅光；當(dāng)產(chǎn)生第二個(gè)定時(shí)中斷時(shí)，開啟外部中斷2，對(duì)紅光開始計(jì)數(shù)；當(dāng)產(chǎn)生第三個(gè)定時(shí)中斷時(shí)，關(guān)閉外部中斷，將計(jì)數(shù)值傳回ARM控制單元，點(diǎn)亮綠燈；當(dāng)產(chǎn)生第四個(gè)定時(shí)中斷時(shí)，開啟外部中斷2，對(duì)綠光頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)；當(dāng)產(chǎn)生第五個(gè)外部中斷時(shí)，關(guān)閉外部中斷2，將計(jì)數(shù)值傳回ARM控制單元，之后由ARM處理輸出。軟件工作流程如圖9所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)校準(zhǔn)

表 1 血紅蛋白溶液濃度和頻率比值的關(guān)系Tab.1 Relation between Hemoglobin concentration and Frequency ratio

4.2 系統(tǒng)測(cè)量穩(wěn)定分析

因?yàn)閘g( f2/f1)和溶液濃度成線性關(guān)系，所以我們可以通過測(cè)量lg( f2/f1)的穩(wěn)定性來確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。我們對(duì)同一樣本進(jìn)行14次測(cè)量，分別記錄lg( f2/f1)的數(shù)據(jù)如表2：從表2可以得出：lg( f2/f1)的平均值為A=0.6380 ，

表2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析Tab.2 System stability analysis

lg( f2/f1)的方差為0.455×10-6，測(cè)量值偏差很小，可見系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用了S3C44B0X微處理器作為核心控制和數(shù)據(jù)處理單元，以嵌入式技術(shù)和血紅蛋白濃度測(cè)量原理為基礎(chǔ)，利用雙波長法實(shí)現(xiàn)了血紅蛋白濃度的測(cè)量，具有較好的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)相較于現(xiàn)行市面上的HGB測(cè)量儀，測(cè)量周期短，體積較小，便于出診攜帶，儀器成本低，操作簡(jiǎn)單，具有友好的人機(jī)交互界面和多人測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，具有較好的應(yīng)用前景。

[1] Keiji Fujimoto, Principle of measurement in hematology analyzers manufactured by sysmex corporation[J]. Sysmex Journal International, 1999, 9（1）: 43-60.

[2] http://www. samsung.com/Products/Semiconductor/MobileSoC/ApplicationProcessor/ARM 7Series/S3C44B0/S3C44B0. htm,SUMSANG Co., Ltd., 2005

[3] 田澤. 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用教程[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社, 2005

[4] 孫肖子, 楊頌華. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M], 電子科技大學(xué)出版社，2000

[5] 劉廣. 介紹一種人工校準(zhǔn)血液分析儀的簡(jiǎn)單方法[J]. 陜西醫(yī)學(xué)檢驗(yàn), 1996，11（2）: 48.

[6] 周立功. ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社, 2005