【導(dǎo)讀】脈搏血氧儀是一種可連續(xù)、無創(chuàng)、方便地檢測動脈血氧飽和度的儀器。需要探討和完善的地方。本課題提出了基于動態(tài)光譜的脈搏血氧測量原理，并且在該原。理的指導(dǎo)下，設(shè)計了一套數(shù)字化脈搏血氧檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)穩(wěn)定性和重復(fù)性。系統(tǒng)采用數(shù)字濾波和數(shù)字解調(diào)的方法，用軟件提取光電脈搏波信。并在動態(tài)光譜原理基礎(chǔ)上，根據(jù)推導(dǎo)出的算法，獲得了高精度的脈搏血氧飽和度測。消除由于測量條件及個體差異等多方面因素對測量精度的影響。理器、集成電路技術(shù)，設(shè)計了脈搏波信號的檢測、采集及處理系統(tǒng)。和可重復(fù)性，降低了由于模擬電路不穩(wěn)定所造成的系統(tǒng)測量誤差。長頻分法和過采樣技術(shù)，在提高分辨率和信噪比的同時，大大簡化了硬件電路。研究了容積脈搏波的軟件提。取和檢出，并在通過傅立葉變換得到光電脈搏波的基波分量，用于血氧飽和度計算。

　　

【正文】 到廣泛應(yīng)用。影響脈搏血氧儀性能的主要原因除了傳統(tǒng)測量原理對測量精度的影響外，還在于其實現(xiàn)方法上存在的缺陷，即測量儀器的系統(tǒng)設(shè)計及其相應(yīng)的信號處理方法本身尚存在不足和需完善之處。傳統(tǒng)的脈搏血氧飽和度檢測系統(tǒng)多是通過模擬技術(shù)完成信號處理、檢測等一系列工作的。圖 31給出了較為典型的檢測電路結(jié)構(gòu)框圖 [11]。 系統(tǒng)主要分為驅(qū)動和檢測兩大部分。驅(qū)動部 分主要通過單片機控制發(fā)光管工作狀態(tài)以產(chǎn)生紅外光、紅光雙光束脈沖調(diào)制信號，另外完成光增益自動調(diào)節(jié)功能，光增益自動調(diào)節(jié)的目的是為了滿足不同患者脈搏強弱、皮膚厚薄、皮膚光潔度以及皮膚顏色等存在巨大差異的要求。調(diào)控的方法一般是利用 D/A 等硬件設(shè)備通過調(diào)節(jié)發(fā)光管驅(qū)動電流的大小分別將雙光束直流透射信號調(diào)節(jié)在一個固定的電壓或某個電壓范圍內(nèi)。 圖 31 脈搏血氧飽和度檢測典型電路結(jié)構(gòu)框圖 檢測部分主要通過一系列信號處理和檢測環(huán)節(jié)消除各種干擾以及提取特征值。前級光電檢測電路將光電流信號轉(zhuǎn)換為光電壓信號，后經(jīng)放大和解調(diào)等環(huán)節(jié) 將通過調(diào)制的數(shù)字信號重新恢復(fù)成模擬信號，然后通過雙光束分離電路將雙脈沖序列分離為紅光信號和紅外光信號兩部分，再經(jīng)交直流分離電路分別將紅外光信號，紅光信號中的脈動成分與 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 18 頁 直流分量分開，形成 4路信號，其中直流分量直接送 A/D 采樣，交流量再通過低通濾波和交流放大后送 A/D 采樣， 4路信號采樣后的結(jié)果送單片機。另外，在對紅外光交流信號經(jīng)過濾波放大后，還要送一路給脈搏波檢出電路進(jìn)行特征值提取，然后送單片機。最后由單片機完成脈率，血氧飽和度計算。 由此可見，傳統(tǒng)的脈搏血氧檢測系統(tǒng)設(shè)計主要是利用模擬技術(shù)來完成諸如發(fā)光管驅(qū)動 、增益調(diào)節(jié)、雙光束分離、交直流分離、濾波放大、檢出等一系列工作的。這種復(fù)雜的硬件電路使得系統(tǒng)穩(wěn)定性和可重復(fù)性差，也為信號檢測帶來了不可避免的系統(tǒng)誤差和測量隨機誤差。本文針對這些問題設(shè)計出了簡化的脈搏波信號檢測與采集系統(tǒng)，下面將作具體介紹。 基于 DS 的脈搏血氧測量系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件組成 總體設(shè)計思想與系統(tǒng)構(gòu)成 由上文可以看出，傳統(tǒng)脈搏血氧飽和度檢測系統(tǒng)采用了復(fù)雜的模擬電路來完成諸如調(diào)制解調(diào)、雙光束分離、交直流分離、濾波放大、脈搏波檢出和交直流分量獲取等一系列工作。這些環(huán)節(jié)增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定 性和測量隨機誤差。本系統(tǒng)針對傳統(tǒng)脈搏血氧檢測系統(tǒng)的缺陷，提出了數(shù)字化設(shè)計的思想，采用現(xiàn)代微處理器和集成電路技術(shù)來簡化硬件電路。 微 處 理 器（ 1 ）帶 外 部 中 斷 的 I / O 口液 晶 驅(qū) 動 器串 行 接 口液 晶 顯 示 器（ 6 ）光 頻 率 轉(zhuǎn) 換 器 （ 5 ）人 體 組 織 （ 7 ）紅 光（ 3 ）紅 外 光（ 4 ）發(fā) 光 驅(qū) 動 器（ 2 ）數(shù) 據(jù) 輸 入 輸 出 圖 32 系統(tǒng)總體設(shè)計示意圖 該系統(tǒng)包括包括：紅光發(fā)光管（ 3）；紅外發(fā)光管（ 4）；發(fā)光驅(qū)動器（ 2）；光頻率轉(zhuǎn)換元件（ 5）；微處理器（ 1）；液晶顯示屏（ 6）。所述紅光發(fā)光管（ 3）、紅外發(fā)光管（ 4） 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 19 頁 分別與發(fā)光驅(qū)動器（ 2）的兩路輸出電連接，發(fā)光驅(qū)動器（ 2）的輸入與微處理器（ 1）信號連接，該微處理器（ 1）含有帶外部中斷功能的 I/O 口、通用串行接口。微處理器（ 1）的帶外部中斷功能的 I/O 口連接光頻率轉(zhuǎn)換器（ 5），微處理器（ 1）的其他 I/O 口連接液晶顯示器的輸入口，微處理器（ 1）的通用串行接口可連接中央處理系統(tǒng)或無線發(fā)射單元，在測量時，人體組織（ 7）置于紅光發(fā)光管（ 3）、紅外發(fā)光管（ 4）和光頻率轉(zhuǎn)換器（ 5）之間。 微處理器（ 1）可以是任何一種具有外部中斷功能的 I/O 口、通用串行接口，可計時的微處理器，應(yīng)盡可能選用較高的系統(tǒng)時鐘頻率。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)時鐘為 8MHz，計時分辨率為 125ns。微處理器（ 1）周期性地按時序輸出兩路脈沖信號，通過驅(qū)動器（ 2）依次驅(qū)動紅外發(fā)光管（ 4）、紅光發(fā)光 管（ 3），發(fā)出的光脈沖經(jīng)人體組織（ 7）衰減和調(diào)制后為光頻率轉(zhuǎn)換器（ 5）所接收，并轉(zhuǎn)換成頻率和脈沖光強成線性比例關(guān)系的脈沖串傳送至微處理器（ 1） I/O 口。微處理器（ 1）利用內(nèi)部時鐘和計時器對光頻率轉(zhuǎn)換器（ 5）輸出的脈沖串同時進(jìn)行累積計數(shù)和計時， 計數(shù)相應(yīng)光 頻率轉(zhuǎn)換器（ 5）脈沖串?dāng)?shù) IR_CNT 和 RD_CNT，同時將所用時間 IR_T 和 RD_T 與 計時窗口 T0比較，當(dāng) IR_T 或 RD_T 大于計時窗口 T0時，停止相應(yīng)發(fā)光管的驅(qū)動，并保存 時間 IR_T 和 RD_T。微處理器（ 1）根據(jù)所檢測到的每路光脈沖周期及其 波動量計算出相應(yīng)的直流分量和交流分量，從而按通常的脈搏血氧儀求得容積脈搏波數(shù)據(jù)，脈搏血氧飽和度及心率值。所得結(jié)果一方面可通過液晶顯示器（ 6）顯示，另一方面可通過通用串行接口將數(shù)據(jù)傳送給中央處理系統(tǒng)或無線發(fā)射單元，實現(xiàn)遙測功能。發(fā)光管驅(qū)動器（ 2）采用固定的脈沖電壓和電流驅(qū)動紅外發(fā)光管（ 4）、紅光發(fā)光管（ 3）發(fā)光，這種固定脈沖電流驅(qū)動的方法可以簡化硬件設(shè)計，節(jié)約體積和成本。 基于 MSP430 系統(tǒng)平臺的外圍電路設(shè)計 光源及其驅(qū)動電路的設(shè)計 1． 光源的選擇 基礎(chǔ)理論己經(jīng)表明氧合血紅蛋白和 非氧合血紅蛋白吸收光譜明顯不同，如圖 23所示。為減少組織對測量精度的影響，選擇光波波長時，要求氧合血紅蛋白 (HbO2)和非氧合血紅蛋白 (Hb)對它的吸光系數(shù)要大于非血液組織對它的吸光系數(shù)，但不要太大使透過部分難于檢測。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 20 頁 由 于氧合血紅蛋白和非氧合血紅蛋白對 600nm以下波長光吸光系數(shù)過大，不適宜血氧飽和度測量。原理推導(dǎo)中要求其中一波長對氧合血紅蛋白 (HbO2)和非氧合血紅蛋白(Hb)的吸光系數(shù)相等，該光波波長應(yīng)該選在 805nm左右，而該點的吸光系數(shù)隨波長變化梯度較大，這樣當(dāng)發(fā)光管存在個體差異時，不利于調(diào)試替換。而在 900nm 附近的波長段，兩曲線變化較緩且接近重合，所以一般將交點選在該波長段。另一光波長選在 660nm波長附近，檢測光附近還原血紅蛋白（ Hb）表現(xiàn)出強烈的吸收特性，該波長處光對氧合血紅蛋白 (HbO2 )和非氧合血紅蛋白 (Hb)吸收系數(shù)之差近似最大。綜合系統(tǒng)的電路設(shè)計和價格等因素，在光源設(shè)計中我們選定波長為 660nm 和 900nm的發(fā)光二極管 LED，其性能足以滿足本系統(tǒng)的需要。 2． 驅(qū)動電路 脈搏血氧飽和度檢測以光電檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，因此，周圍雜散光、暗電流等各種干擾對系統(tǒng)影響比較大。為了克服這一問題必須在系統(tǒng)設(shè)計中采用光的調(diào)制技術(shù)。調(diào)制就是使光的強度、振幅、頻率或相位等某一個 (或幾個 )參數(shù)按一定規(guī)律變化。調(diào)制的任務(wù)就是要把所傳輸?shù)男畔⒁孕盘?變化為形式載到光波上去。從信息攜帶與檢出要求看，采用調(diào)制光攜帶信息可使光信號自身具有與背景輻射不同的特征，有利于和背景輻射區(qū)分開，除了抑制背景光干擾外，調(diào)制對抑制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的固有噪聲和外部電磁場干擾也有一定作用。 本系統(tǒng)采用脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)，光調(diào)制在單片機控制下，按照不同頻率發(fā)放兩個發(fā)光管的驅(qū)動脈沖信號。脈沖調(diào)制不是傳送調(diào)制信號的每一個瞬時值，而只是傳送其采樣值，只要采樣頻率足夠高（按奈奎斯特采樣定理，只要采樣頻率 fs 等于或大于信號最高頻率的兩倍），則可由采樣脈沖來恢復(fù)原信號，而不會導(dǎo)致失真。在 脈沖調(diào)制方式中，載波是周期性脈沖序列，脈沖調(diào)制首先必須將調(diào)制信號采樣，然后用各采樣值去控制脈沖幅度，脈沖振幅調(diào)制可看成是用一個有一定寬度的脈沖對調(diào)制信號的采樣過程，也可看成是載波為脈沖序列的斬波調(diào)幅。脈沖信號的頻率選定為工頻整數(shù)倍以降低工頻干擾，本系統(tǒng)的驅(qū)動頻率分別選用 400Hz 和 800Hz。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 21 頁 V+1NO12COM13IN14NC15GND6NC27IN28COM29NO210U4SGM3005XMSRDDRVIRDRVCDR1VDD302RD+IR+RRD120RRRD220RFUR 500mAIN NC NO1 0FF ON0 ON OFF 圖 33 發(fā)光二極管驅(qū)動電路的設(shè)計 SGM3005XMS 是一個供電電源在 、帶有矢量端的雙刀雙擲開關(guān)，其接通時間為 ONT =16ns，關(guān)斷時間 OFFT =15ns，等效阻抗為 ? 。原理圖如下 ： 圖 34 SGM3005的原理圖 當(dāng) RDDRV為高電平時， COM1接 NO1接電源為高電平，及 RD+為高電平，驅(qū)動后面的紅光二極管發(fā)光 。 當(dāng) RDDRV為低電平時， COM1接 NC1接地為低電平，及 RD+為低電平，后面的紅光二極管不發(fā)光 。 同理可得 紅外光的發(fā)光原理。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 22 頁 電路板及各芯片的電源設(shè)計 當(dāng)系統(tǒng)開機時，長按下開關(guān) S1時 GSM3005的 IN1接高電平，即 COM1與 NO1相連，NO1接電源，所以 COM1接電源， COM2也接電源，開始為系統(tǒng)供電。開關(guān)斷開后 COM1接 NC1懸空，但 COM2仍接電源繼續(xù)為系統(tǒng)供電。 系統(tǒng)關(guān)機時，單片機給 KEY_HOLD 一低電平， COM2與電源斷開，停止為系統(tǒng)供電。 VBATTERY+12BATTERY652833/500mA FU1500mAR1100KDO1FHD41481122S1DTSGL61NVT/RR2100KPOWER_KEYV+1NO12COM13IN14NC15GND6NC27IN28COM29NO210U1SGM3005XMSDO21N5819HWFU2500mAVBATTVRTCText保險絲隔離Text 圖 35 電路板供電設(shè)計圖 Vin1G2SHDW3NC4Vout5V1 NCP511SN30T1GC1E1220uF/10VVDD301 單片機供電Vin1G2SHDW3NC4Vout5V2 NCP511SN30T1GC2E222uF/10VVDD302VBATTE1122uF/10VE1222uF/10VVin1G2SHDW3NC4Vout5V3 NCP511SN30T1GC3E322uF/10VVDD303 光敏管供電C4E422uF/10VVDD334VBATT123V4 MCP1702T3302E/CBE1322uF/10VE1422uF/10V 圖 36 芯片的供電設(shè)計圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 23 頁 NCP511系列是 一個帶有使能端的穩(wěn)壓器，其引腳定義如下： Vin 電壓輸入端 Vout 電壓輸出端 WDHS 是穩(wěn)壓使能端 NC 閑置端 G 接地 MCP1702為一常見的三端穩(wěn)壓器。 由于考慮到帶負(fù)載的原因，經(jīng)試驗得到光敏感、發(fā)光管驅(qū)動電路、單片機的應(yīng)該采用獨立供電是系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性，得出的脈搏波形更趨于穩(wěn)定，故本系統(tǒng)采用獨立供電的方式。 串口設(shè)計及外 USB 座的設(shè)計 DCD1R12GND3D+4D5VDD6REGIN7VBUS8RST9NC10SUSPEND11SUSPEND12NC13NC14NC15NC16NC17NC18NC19NC20NC21NC22CTS23RTS24RXD25TXD26DSR27DTR28U5CP2102GMCCP1D+DCP2102RXCP2102TXCP2102VCCVCC5V有線傳輸237_OUTIR+RD+12345678910USB10PIN miniUSBAVCC3VVCC5VD+DRF100k237_OUT 圖 37 串口通信及 USB 設(shè)計圖 CP2102是一個高集成的 USBUART 的轉(zhuǎn)換控制器。這個 CP2102包括 函數(shù)控制器、通用串口總線收發(fā)器、振蕩器、 EEPR