劉俊微，龐春穎，徐伯鸞

(長(zhǎng)春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022)

1 引言

1972年Aoyagi構(gòu)想了脈搏分光光度儀的原理，闡明了近代脈搏血氧計(jì)的基本模式，為后期無(wú)創(chuàng)脈搏血氧儀的設(shè)計(jì)打下了理論基礎(chǔ)，在此后的15年里，脈搏血氧儀取得了更大的發(fā)展。1980年Minolta使用精密光學(xué)發(fā)展了OXIMET的同時(shí)以手指作為探測(cè)點(diǎn)，證明了脈搏血氧飽和度儀原理的正確性。1983年Nellcor發(fā)展了N－100，使用光發(fā)散二極管、光電二極管和微電腦，研制成便捷的脈搏血氧飽和度儀，拉開(kāi)了現(xiàn)代血氧飽和度儀的發(fā)展序幕［1］。

光電血氧飽和度儀能夠?qū)颊呱韰?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，從起初的作為手術(shù)和麻醉時(shí)的生命體征監(jiān)視器到如今的家用型血氧儀，脈搏血氧儀為人們疾病監(jiān)測(cè)、預(yù)防提供了強(qiáng)有力的依據(jù)［2］。目前血氧儀的技術(shù)發(fā)展比較成熟，其總體趨向于微型化，即采集、處理與顯示于一體，這種產(chǎn)品盡管在體積方面有了很大的優(yōu)勢(shì)，但是其數(shù)據(jù)采集與處理過(guò)程必然要受到體積大小上的制約，從而導(dǎo)致在一些程度上影響儀器的精確度［3－4］。盡管很多公司推出高精度、高穩(wěn)定性產(chǎn)品，但是其昂貴的價(jià)格又讓很多普通用戶望而生畏。

本文設(shè)計(jì)一種基于STM32芯片的光電式脈搏血氧儀，該儀器結(jié)構(gòu)分為信號(hào)采集、模擬信號(hào)處理以及系統(tǒng)核心三大部分構(gòu)成，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送、報(bào)警功能，方便了醫(yī)護(hù)人員監(jiān)護(hù)的同時(shí)給患者提供了更廣闊的活動(dòng)空間。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)包括三個(gè)部分，即光電傳感器部分、模擬信號(hào)處理部分、系統(tǒng)核心部分 (數(shù)字信號(hào)處理)，其原理框圖如圖1所示。首先，光電血氧探頭完成對(duì)信號(hào)采集的功能并將采集到的信號(hào)傳輸至模擬信號(hào)處理電路;其次，模擬信號(hào)處理單元對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換、采樣、放大、濾波、電平抬升，并將處理后的四路信號(hào)(紅光交流信號(hào)、紅光直流信號(hào)、紅外交流信號(hào)、紅外直流信號(hào))傳輸至系統(tǒng)核心處理單元STM32芯片;最后，STM32芯片將四路信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、顯示、報(bào)警判斷、無(wú)線傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 System functional block diagram

3 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 光電傳感器

本設(shè)計(jì)中的傳感器采用的是深圳邁瑞公司研制的成人指夾式光電血氧探頭，該探頭具有精度高、抗干擾性強(qiáng)、信號(hào)傳輸完整性高等特點(diǎn)。探頭內(nèi)含一個(gè)雙向驅(qū)動(dòng)的雙波長(zhǎng)LED作為發(fā)光元件，和一個(gè)光電二極管作為感光器件。其外觀如圖2(a)所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。

圖2 光電傳感器Fig.2 Photoelectric sensor

從圖2(b)可知，該血氧探頭共有6個(gè)引腳用以控制信號(hào)采的采集、發(fā)送，各個(gè)引腳功能如表1所示。

表1 傳感器引腳定義Tab.1 Sensor pin definition

探頭采用兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)共用同一個(gè)光電二極管，這就要求對(duì)光電二極管采用分時(shí)復(fù)用的工作方式，周期性點(diǎn)亮兩個(gè)LED，來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)兩路光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)［5－6］在同一條傳輸線路上存在兩種信號(hào)。為了得到兩路獨(dú)立的信號(hào)，就需要采用由與LED驅(qū)動(dòng)脈沖同步的控制信號(hào)控制的采樣保持(S/H)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分離，分別得到紅外和紅光兩路信號(hào)。上述的LED驅(qū)動(dòng)脈沖和S/H電路控制信號(hào)由STM32芯片提供。各信號(hào)的時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 時(shí)序控制圖Fig.3 Timing control chart

四組驅(qū)動(dòng)脈沖從上至下分別標(biāo)號(hào)為1，2，3，4。其中，1號(hào)脈沖為紅光LED驅(qū)動(dòng)脈沖，2號(hào)脈沖為紅光采樣控制脈沖，3號(hào)脈沖為紅外LED驅(qū)動(dòng)脈沖，4號(hào)為紅外光采樣控制脈沖，驅(qū)動(dòng)脈沖高電平持續(xù)時(shí)間為5 μs，采樣控制脈沖高電平持續(xù)時(shí)間為 3 μs，周期均為1 ms。

3.2 模擬信號(hào)處理單元

本部分主要完成的功能是對(duì)前端光電血氧傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)送至主控芯片，具體硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模擬信號(hào)處理結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Analog signal processing structure diagram

由于光電二極管輸出的信號(hào)為電流信號(hào)，需要變換為電壓信號(hào)才能被后續(xù)電路處理。光電二極管工作在反向偏置狀態(tài)，其結(jié)電阻較大，輸出電流較小。所以選用了輸入阻抗較高的運(yùn)算放大器TL062芯片。

電流－電壓變換電路輸出的是兩種光分時(shí)復(fù)用的信號(hào)，要將兩種光的信號(hào)分離，就要在該部分電路中實(shí)現(xiàn)。該部分電路由兩片LF398組成的兩套采樣保持電路，由STM32提供控制信號(hào)進(jìn)行控制。該控制信號(hào)與LED驅(qū)動(dòng)脈沖同步，當(dāng)相應(yīng)的LED點(diǎn)亮?xí)r，該控制信號(hào)控制其中一個(gè)采樣保持器進(jìn)行采樣。其余時(shí)間，采樣保持器都處于保持狀態(tài)。

由于分離出來(lái)的交流信號(hào)很微弱，為了濾除直流分量和高頻干擾，電路中采用兩套相同的帶通濾波器分別處理紅光和紅外信號(hào)。帶通濾波器有高通和低通兩部分組成，其中高通部分采用RC濾波網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)濾除直流分量，其截止頻率為0.23 Hz。低通部分采用二階低通濾波電路，其截止頻率為0.48 Hz。低通濾波器頻響特性如圖5所示。

圖5 低通濾波頻響圖Fig.5 Filter frequency response characteristics

從前面電路中獲得的交流信號(hào)是雙極性信號(hào)，為了無(wú)損失地用單極性A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)信號(hào)采集，就必須將交流信號(hào)加一直流偏置，保證信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換器量程之內(nèi)。

為實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸功能，系統(tǒng)采用 TI公司的CC1101低功耗無(wú)線傳輸芯片 (如圖6所示)，其發(fā)射功率可調(diào)，工作于433MHz頻段免許可證使用，擁有著高抗干擾能力和低誤碼率，1200bps傳輸距離最大可達(dá)200m，為患者在醫(yī)院內(nèi)提供了足夠的活動(dòng)空間。

圖6 無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)單元Fig.6 Wireless data transceiver unit

電路調(diào)試板如圖7所示。

3.3 系統(tǒng)核心處理單元

本設(shè)計(jì)從對(duì)血氧飽和度進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)檢測(cè)以及脈搏血氧儀的成本、靈敏度、系統(tǒng)穩(wěn)定性角度出發(fā)，采用了意法半導(dǎo)體公司研發(fā)的STM32增強(qiáng)型芯片作為系統(tǒng)的核心處理單元。STM32基于ARM Cortex－M3處理內(nèi)核，最高工作頻率 72 MHz，1.25DMIPS/MHz，內(nèi)部256KB的Flash存儲(chǔ)，2個(gè)12位的μs級(jí)A/D轉(zhuǎn)化器(16通道)，4個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)IC/OC/PWM或者脈沖計(jì)數(shù)器，低功耗。芯片如圖8所示。STM32主要以軟件方式完成A/D轉(zhuǎn)換、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、結(jié)果顯示、報(bào)警判斷、無(wú)線傳輸?shù)裙δ?。軟件流程如圖9所示。

圖9 軟件流程圖Fig.9 Software flow pattern

在A/D轉(zhuǎn)換方面，STM32的每個(gè)ADC模塊通過(guò)內(nèi)部的模擬多路開(kāi)關(guān)，可切換到不同的輸入通道并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成對(duì)四路輸入信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換工作，其中轉(zhuǎn)換精度為3.3/212≈0.8 mV。

在數(shù)據(jù)處理方面，血液在波長(zhǎng)660 nm附近和900 nm附近反射之比(ρ660/900)最敏感地反映出血氧飽和度的變化，臨床一般血氧飽和度儀(如泰嘉電子Taijia飽和度儀、脈搏血氧儀)也采用該比值作為變量。在光傳導(dǎo)的途徑上，除動(dòng)脈血血紅蛋白吸收光外，其他組織(如皮膚、軟組織、靜脈血和毛細(xì)血管血液)也可吸收光。但入射光經(jīng)過(guò)手指或耳垂時(shí)，光可被搏動(dòng)性血液和其他組織同時(shí)吸收，但兩者吸收的光強(qiáng)度是不同的，搏動(dòng)性動(dòng)脈血吸收的光強(qiáng)度(AC)隨著動(dòng)脈壓力波的變化而改變。而其他組織吸收的光強(qiáng)度(DC)不隨搏動(dòng)和時(shí)間而改變，由此，就可計(jì)算出在兩個(gè)波長(zhǎng)中的光吸收比率R［7－9］。

血氧飽和度的表示方法有兩種，即功能飽和度(公式1)和自然飽和度 (公式2)，臨床一般采用功能飽和度來(lái)計(jì)算血氧的含量［10］。

根據(jù)朗伯－比爾(Lambert-Beer)定律透射光強(qiáng)度I的計(jì)算方法如下:

其中，ε0為吸光系數(shù);c0為光吸收物質(zhì)濃度;L為光路徑長(zhǎng)度。當(dāng)動(dòng)脈搏動(dòng)時(shí)光路會(huì)增加相應(yīng)的透射光強(qiáng)變?yōu)?

IΔ=IDC－IAC，由于交流量 AC遠(yuǎn)小于之流量DC，那么對(duì)IΔ取對(duì)數(shù)后變形得到:

其中，λ1和 λ2分別為兩束光波長(zhǎng)就是上面所提到的R值。將公式(3)、公式(4)帶入公式(1)，經(jīng)過(guò)近似變形可以得到計(jì)算血氧的經(jīng)驗(yàn)公式(5)。

則公式(5)可寫成:

測(cè)量過(guò)程中，首先要測(cè)出兩路交流分量的幅值(AC1、AC2)，然后將幅值除以相應(yīng)的直流分量(DC1、DC2)。得到的兩個(gè)結(jié)果做比得到R，式中的A、B系數(shù)和儀器的相關(guān)性較大，應(yīng)該通過(guò)用標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行定標(biāo)后得到。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到測(cè)試者血氧飽和度的值超過(guò)所設(shè)定的正常范圍時(shí)候，就會(huì)通過(guò)無(wú)線傳輸方式向上位機(jī)發(fā)出告警信號(hào)，軟件中設(shè)定報(bào)警信號(hào)為連續(xù)發(fā)送3個(gè)16進(jìn)制數(shù)值A(chǔ)A(防止發(fā)生誤告警現(xiàn)象)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本設(shè)計(jì)通過(guò)使用Fluke公司生產(chǎn)的Index2型血氧模擬儀進(jìn)行多次試驗(yàn)，數(shù)據(jù)結(jié)果如表2和表3所示。

表2 血氧飽和度測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of Oxygen saturation

表3 脈搏測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of Pulse

從表中數(shù)據(jù)可以得知，當(dāng)血氧飽和度處于60% ～80%時(shí)誤差為3%，80% ～99%時(shí)誤差為2%，脈率檢測(cè)誤差為±1bpm，達(dá)到了測(cè)量精度的要求。但是設(shè)計(jì)中仍然存在一些誤差，其主要來(lái)自于兩方面:

(1)模擬電路誤差

主要體現(xiàn)在信號(hào)放大濾波電路。放大電路中會(huì)將少量干擾信號(hào)以有用信號(hào)的形式放大，直接導(dǎo)致增加部分干擾。盡管本設(shè)計(jì)中采用了高精度的濾波電路，但是仍然有一小部分的有用信號(hào)被濾除，導(dǎo)致了有用信號(hào)的衰減丟失。

(2)系統(tǒng)處理器A/D轉(zhuǎn)換的精度誤差

系統(tǒng)采用STM32芯片作為主控芯片，其主頻高達(dá)72 MHz，能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號(hào)，同比ATmega32芯片，STM32在 模數(shù)轉(zhuǎn)換方面提高了很大的精確度，但是誤差仍然存在。本設(shè)計(jì)顯示結(jié)果如圖10所示。

圖10 設(shè)計(jì)結(jié)果顯示Fig.10 Results of design

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)在結(jié)合當(dāng)前主流脈搏血氧儀特點(diǎn)的同時(shí)，又加入了自己的設(shè)計(jì)理念。在系統(tǒng)硬件方面采用了高精度、抗干擾能力強(qiáng)的光電血氧探頭，主體設(shè)計(jì)上采用的是可拆分式思想，即產(chǎn)品既可以單獨(dú)佩戴使用，又可以嵌入監(jiān)護(hù)儀作為血氧模塊進(jìn)行使用，同時(shí)還可以將采集數(shù)據(jù)或者報(bào)警信號(hào)以無(wú)線傳輸方式發(fā)送至上位機(jī)(工作站)，以便醫(yī)護(hù)人員能夠及時(shí)地掌握患者情況，因此，本設(shè)計(jì)中的光電脈搏血氧儀可同時(shí)作為家用型和醫(yī)用型使用:一方面儀器本身帶有SD卡存儲(chǔ)功能，方便醫(yī)務(wù)人員對(duì)患者的歷史記錄進(jìn)行查閱;另一方面，儀器的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能方便了醫(yī)護(hù)人員監(jiān)護(hù)的同時(shí)，也給患者提供了更廣闊的活動(dòng)空間。

當(dāng)然，系統(tǒng)仍有一些可升級(jí)、優(yōu)化之處。本設(shè)計(jì)在硬件電路設(shè)計(jì)中對(duì)器件的選擇采取的是性價(jià)比兼得的方法，這樣必然會(huì)對(duì)儀器的精度產(chǎn)生一定影響，因此，如需提高儀器性能可采用更高精度的器件，另外在無(wú)線傳輸方面，可采用更高級(jí)的芯片以降低誤碼率。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作方便、用途廣泛。多次測(cè)試的結(jié)果表明，血氧飽和度測(cè)量范圍可從60% ～100%進(jìn)行精確測(cè)量，誤差一般小于1%，脈率檢測(cè)誤差小于1%，其精度達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，使得本設(shè)計(jì)具有較好的使用價(jià)值。

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