基于msp430的便攜式無(wú)線脈搏血氧儀的設(shè)計(jì)

基于msp430的便攜式無(wú)線脈搏血氧儀的設(shè)計(jì)

血液中的氧通過(guò)血液循環(huán)系統(tǒng)排出，血氧飽和度（spocal）是反映血液中氧含量的重要因素。通過(guò)連續(xù)或間斷地監(jiān)測(cè)血氧飽和度可以對(duì)人體攜帶氧的能力進(jìn)行估計(jì),同時(shí),其又是判斷人體呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)是否出現(xiàn)障礙或者周?chē)h(huán)境是否缺氧的重要指標(biāo),在手術(shù)麻醉、監(jiān)護(hù)室急救病房、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)控上都有著重要的作用。國(guó)外開(kāi)展無(wú)創(chuàng)血氧飽和度檢測(cè)技術(shù)較早。從20世紀(jì)50年代Wood和Coworker描述了一種無(wú)創(chuàng)傷檢測(cè)血氧飽和度的方法,到20世紀(jì)80年代Nellor研制出一種應(yīng)用于臨床的脈搏血氧飽和度儀N-100,用紅外光譜法進(jìn)行無(wú)創(chuàng)血氧飽和度測(cè)量已經(jīng)取得較大的成功,脈搏血氧儀正處于大范圍普及和應(yīng)用階段,如Nellor、Masimo、Philips等公司已開(kāi)發(fā)出相對(duì)成熟的產(chǎn)品并應(yīng)用于臨床。但是,由于工程學(xué)和生理學(xué)存在一定的局限性,評(píng)價(jià)SpO2值的正確性和可靠性仍然是重要的研究課題。近年來(lái)SpO2檢測(cè)的研究主要集中在血氧探頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和信號(hào)萃取技術(shù)的創(chuàng)新性改進(jìn)等方面,此外,在醫(yī)療保健社區(qū)化的趨勢(shì)下,便攜式的脈搏血氧儀越來(lái)越得到人們的重視。目前,國(guó)內(nèi)臨床上血氧飽和度的監(jiān)測(cè)都是通過(guò)生命體征參數(shù)監(jiān)測(cè)儀來(lái)完成的。這種監(jiān)測(cè)儀重量和體積稍大,不便攜帶,而且多為有線數(shù)據(jù)傳輸,給醫(yī)生和患者的使用帶來(lái)了很大的不便。筆者設(shè)計(jì)了一種可以捆綁在手腕上進(jìn)行測(cè)量的便攜式無(wú)線脈搏血氧儀,相對(duì)于傳統(tǒng)的指端測(cè)量而言,它可以像手表一樣,在手腕上連續(xù)佩戴幾小時(shí)甚至幾天,隨時(shí)監(jiān)控人體的血氧指標(biāo)。該血氧儀可以對(duì)人體的心率和血氧值進(jìn)行計(jì)算,并實(shí)時(shí)顯示脈搏波波形,測(cè)量的相關(guān)數(shù)據(jù)可以通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送到個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)或在必要時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)端的醫(yī)院工作站。無(wú)創(chuàng)脈搏血氧飽和度測(cè)量是以朗伯-比爾定律和血液中還原血紅蛋白(Hb)和氧合血紅蛋白(HbO2)對(duì)光的吸收特性不同為基礎(chǔ)的。通過(guò)兩種不同波長(zhǎng)的紅光600~700nm和紅外光800~1000nm分別照射組織經(jīng)反射后再由光電接收器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。組織中的其他成分吸收光信號(hào)是恒定的,經(jīng)過(guò)光電接收器后得到直流分量DC,而動(dòng)脈血中的HbO2和Hb對(duì)光信號(hào)的吸收是隨著脈搏搏動(dòng)作周期性變化,經(jīng)過(guò)光電接收器后得到交流分量AC,由于HbO2和Hb對(duì)同一種光線的吸收率各不相同,通過(guò)測(cè)量紅光和紅外光的光吸收比率便可以計(jì)算出兩種血紅蛋白含量的百分比。血氧飽和度的計(jì)算公式如下SpO2=A?BR+CR2(1)SpΟ2=A-BR+CR2(1)式中,A、B、C為定標(biāo)常數(shù),可以由定標(biāo)實(shí)驗(yàn)得到,R=VREDAC/VREDDCVIREDAC/VIREDDC(2)R=VREDAC/VREDDCVΙREDAC/VΙREDDC(2)為兩個(gè)波長(zhǎng)的光吸收比率,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。設(shè)計(jì)中選用940nm紅外光和660nm紅光,在該波長(zhǎng)處,氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的吸收差別較大。1血氧系統(tǒng)顯示模塊a/d系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)選用TI公司的MSP430FG4619單片機(jī)為處理核心,它是一款超低功耗的混合信號(hào)處理器。MSP430FG4619內(nèi)部的DAC12周期性地輸出2路100Hz占空比1∶4的脈沖,經(jīng)過(guò)電流放大的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng),交替點(diǎn)亮血氧探頭中的紅光和紅外光LED。探頭中光電接收器將接收信號(hào)送到單片機(jī)內(nèi)部的OA放大器進(jìn)行放大,放大后的信號(hào)進(jìn)入內(nèi)部A/D進(jìn)行采樣。DAC12根據(jù)A/D采樣信號(hào)的大小調(diào)節(jié)光源驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)度,從而維持光源的穩(wěn)定,減少了由于光源不穩(wěn)定帶來(lái)的誤差。處理后的信號(hào)再經(jīng)去直流放大和數(shù)字濾波,得到的就是交流脈搏波成分,此時(shí)可以通過(guò)分析其周期和幅值對(duì)心率、血氧飽和度值進(jìn)行計(jì)算。顯示模塊采用128像素×64像素的OLED液晶UG-2864GSWBG01,實(shí)時(shí)顯示血氧飽和度值、心率及脈搏波波形。同時(shí),測(cè)量數(shù)據(jù)還可以通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送到PC機(jī)。系統(tǒng)的電源模塊采用TPS62007DGS芯片,它可以在輸入電壓為2~5.5V的情況下將輸出電壓穩(wěn)定在3.3V,用于給單片機(jī)、無(wú)線模塊、探頭模塊、OLED等電路供電。1.1memsl200rd系統(tǒng)血氧飽和度探頭中采用了雙色的發(fā)光二極管PDI-E833,它能發(fā)出波長(zhǎng)分別是660nm和940nm的紅光和紅外光。紅光和紅外光經(jīng)過(guò)人體的組織反射后被光電傳感器TSL250RD接收,其內(nèi)部集成了一個(gè)放大器,經(jīng)過(guò)傳感器輸出的信號(hào)實(shí)際上是經(jīng)過(guò)放大的脈搏調(diào)制信號(hào)。探頭驅(qū)動(dòng)采用H橋電路,如圖2所示。其中的DacRed和DacInfrared分別來(lái)源于單片機(jī)的5和10腳,它們都是DAC12的輸出端,可以通過(guò)軟件控制不同時(shí)刻在不同引腳輸出脈沖來(lái)交替控制兩個(gè)LED間隔地發(fā)光,P2.2和P2.3輸出互補(bǔ)電路的控制信號(hào)。1.2海水淡化模塊系統(tǒng)顯示電路采用128像素×64像素的OLED液晶UG-2864GSWBG01,模塊上集成了OLED及其驅(qū)動(dòng),微處理器只需通過(guò)5根控制線與8根數(shù)據(jù)線進(jìn)行控制讀寫(xiě),具體接口如圖3所示。1.3無(wú)線接收電路無(wú)線傳輸電路包括無(wú)線發(fā)射和無(wú)線接收兩個(gè)部分。系統(tǒng)無(wú)線發(fā)射電路采用了Chipcon公司的CC2500射頻收發(fā)器,它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)4線制SPI接口與微控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,MCU可以訪問(wèn)和控制CC2500的基本寄存器,發(fā)送各種工作指令,寫(xiě)入發(fā)送數(shù)據(jù),讀出接收數(shù)據(jù)。無(wú)線接收電路采用TI公司的射頻片上系統(tǒng)eZ430-RF2500作為PC機(jī)的接收模塊。它通過(guò)USB接口與PC機(jī)通信,無(wú)需外接電源,具有體積小、功耗低和成本低等優(yōu)點(diǎn)。eZ430-RF2500目標(biāo)板集成了MSP430F2274MCU與CC2500RF收發(fā)器,并提供了編程必需的軟硬件功能,進(jìn)一步簡(jiǎn)化了低功耗無(wú)線系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。2信號(hào)調(diào)制模塊的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件在結(jié)構(gòu)上分為主控程序、信號(hào)調(diào)制模塊、信號(hào)處理模塊、顯示模塊和無(wú)線通信模塊。系統(tǒng)上電后,主控程序讀取啟動(dòng)參數(shù),完成各個(gè)模塊的初始化。當(dāng)掃描到有按鍵動(dòng)作時(shí),調(diào)用信號(hào)調(diào)制模塊分別對(duì)兩個(gè)LED進(jìn)行光調(diào)制,使傳感器模塊輸出的信號(hào)穩(wěn)定在一定閾值(DC:1V,AC:10mV),然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行直流跟蹤和交流放大,再通過(guò)數(shù)字濾波器將環(huán)境噪聲濾除,得到交流脈搏波,分析其周期和幅值并對(duì)心率和血氧飽和度進(jìn)行計(jì)算,最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯示和發(fā)送。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。2.1血氧飽和度值的輸出信號(hào)光電傳感器輸出的信號(hào)中分別包括紅光和紅外光的交流分量和直流分量,其中95%左右是直流分量。如果將紅光和紅外光的輸出信號(hào)都調(diào)到一個(gè)預(yù)設(shè)范圍,便可以認(rèn)為兩路信號(hào)中的直流分量相同,在計(jì)算血氧飽和度值時(shí),只需將兩路信號(hào)的交流分量進(jìn)行處理即可。由于個(gè)體的差異,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)輸出信號(hào)特別弱的情況,即使發(fā)射光強(qiáng)達(dá)到最大,信號(hào)也不能達(dá)到初始設(shè)定的閾值,這時(shí)就需要將閾值進(jìn)行降低。光調(diào)制的流程如圖5所示。2.2交流分量的提取直流抑制,即利用共模抑制去直流操作。探頭模塊輸出的信號(hào)大部分為直流分量,交流分量很小,而交流分量又反映了人體脈搏搏動(dòng)的信息,所以需要將交流分量從信號(hào)中提取出來(lái)放大,作后續(xù)處理。具體操作流程為:先設(shè)定抑制直流及放大后交流信號(hào)的閾值范圍,對(duì)欲抑制直流分量設(shè)定一個(gè)初始值;將原始信號(hào)輸入到單片機(jī)內(nèi)置運(yùn)放OA的一端,將預(yù)設(shè)的直流分量值D/A轉(zhuǎn)換后送到運(yùn)放的另一端進(jìn)行差分放大;通過(guò)對(duì)運(yùn)放輸出端的信號(hào)進(jìn)行采樣,并對(duì)比設(shè)定的閾值來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整直流分量的大小。2.3低通濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波的目的是將交流脈搏波信號(hào)中的噪聲去除。信號(hào)中的噪聲主要來(lái)源于工頻干擾以及血管振動(dòng)和身體運(yùn)動(dòng)引起的偽差干擾,頻率為50Hz以上,而需要得到的脈搏波的頻率僅為2Hz左右,故采用了FIR低通濾波器。具體設(shè)計(jì)中使用Matlab中的FDAtool進(jìn)行FIR低通濾波器設(shè)計(jì),相關(guān)濾波器參數(shù)為:通帶頻率為4Hz,通帶內(nèi)起伏3dB;止帶頻率為12Hz,止帶衰減80dB;采樣頻率100Hz;階數(shù)為滿足設(shè)計(jì)要求的最小階,具有線性相位。設(shè)計(jì)完成后得到濾波器的系數(shù)輸出,由于Matlab輸出的系數(shù)都是浮點(diǎn)數(shù),而單片機(jī)中浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的速率明顯低于整型數(shù),所以在單片機(jī)編程時(shí)將這些浮點(diǎn)數(shù)首先轉(zhuǎn)換成整型數(shù),即將所有系數(shù)同時(shí)擴(kuò)大相同的倍數(shù)應(yīng)用于濾波,最后將濾波的結(jié)果同時(shí)縮小相同的倍數(shù)。得到濾波系數(shù)后,通過(guò)卷積操作對(duì)原始波形進(jìn)行濾波,數(shù)字濾波之后信號(hào)表現(xiàn)為比較規(guī)則的脈搏波信號(hào)。2.4血壓及心率檢測(cè)心率計(jì)算的依據(jù)是當(dāng)采樣頻率為100Hz時(shí),通過(guò)檢測(cè)3個(gè)搏動(dòng)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)就可以計(jì)算出心率值HR,即HR=100×60(samples/3)ΗR=100×60(samples/3)。具體操作中先設(shè)定兩個(gè)檢測(cè)閾值Z1和Z2,在計(jì)算心率時(shí)先找Z1上升沿的點(diǎn),找到這個(gè)點(diǎn)并等待一定的采樣點(diǎn)后再找Z2下降沿的點(diǎn),找到后如果再找到處于上升沿的Z1值,說(shuō)明檢測(cè)到一個(gè)脈搏波周期。繼續(xù)尋找下降沿Z2,上升沿Z1,如此反復(fù)。當(dāng)找到3個(gè)脈搏波周期,就將這3個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N及3個(gè)周期內(nèi)的所有采樣點(diǎn)存儲(chǔ)。根據(jù)存取的采樣點(diǎn)數(shù)就可以計(jì)算出心率,計(jì)算后對(duì)心率值進(jìn)行判斷,正常心率值的范圍為40~120,若心率值超過(guò)這個(gè)范圍,則說(shuō)明這些采樣點(diǎn)是無(wú)效的,不將心率值進(jìn)行顯示,同時(shí)也不計(jì)算血氧飽和度值。血氧飽和度取決于式(2)中R值的計(jì)算。利用心率值正常情況下存儲(chǔ)的采樣點(diǎn),分別對(duì)紅光和紅外光信號(hào)的3個(gè)周期內(nèi)所有采樣點(diǎn)進(jìn)行平方累加后開(kāi)方,然后將兩路信號(hào)開(kāi)方后的值相除得到R值。再根據(jù)式(1)求出血氧飽和度。3系統(tǒng)測(cè)量的精度和穩(wěn)定性系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調(diào)完成之后,選擇10個(gè)人參與實(shí)驗(yàn)測(cè)量。系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。系統(tǒng)測(cè)試中觀察到:由于針對(duì)于不同的使用者需要進(jìn)行不同的調(diào)光處理,系統(tǒng)運(yùn)行的反應(yīng)時(shí)間不同。如果使用者的信號(hào)不出現(xiàn)飽和的現(xiàn)象,那么這段時(shí)間大約為6s左右。但是倘若使用者的信號(hào)很強(qiáng),導(dǎo)致出現(xiàn)飽和的情況,那么系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間就會(huì)比較長(zhǎng),需要大約30s左右。系統(tǒng)測(cè)量的精度和穩(wěn)定性對(duì)使用者有一定的要求,在這要求之內(nèi)穩(wěn)定性和精度是令人滿意的。它要求測(cè)試時(shí),使用者應(yīng)處于比較靜止的狀態(tài),不能有明顯的動(dòng)作,并且情緒比較平