劉俊微，龐春穎，徐伯鸞

(長春理工大學生命科學技術(shù)學院，吉林長春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的基本模式，為后期無創(chuàng)脈搏血氧儀的設計打下了理論基礎，在此后的15年里，脈搏血氧儀取得了更大的發(fā)展。1980年Minolta使用精密光學發(fā)展了OXIMET的同時以手指作為探測點，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)進行實時測量，從起初的作為手術(shù)和麻醉時的生命體征監(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、預防提供了強有力的依據(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，但是其數(shù)據(jù)采集與處理過程必然要受到體積大小上的制約，從而導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，但是其昂貴的價格又讓很多普通用戶望而生畏。

本文設計一種基于STM32芯片的光電式脈搏血氧儀，該儀器結(jié)構(gòu)分為信號采集、模擬信號處理以及系統(tǒng)核心三大部分構(gòu)成，該系統(tǒng)可實現(xiàn)與上位機之間進行無線數(shù)據(jù)發(fā)送、報警功能，方便了醫(yī)護人員監(jiān)護的同時給患者提供了更廣闊的活動空間。

2 系統(tǒng)總體設計方案

整個系統(tǒng)包括三個部分，即光電傳感器部分、模擬信號處理部分、系統(tǒng)核心部分 (數(shù)字信號處理)，其原理框圖如圖1所示。首先，光電血氧探頭完成對信號采集的功能并將采集到的信號傳輸至模擬信號處理電路;其次，模擬信號處理單元對接收到的信號進行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(紅光交流信號、紅光直流信號、紅外交流信號、紅外直流信號)傳輸至系統(tǒng)核心處理單元STM32芯片;最后，STM32芯片將四路信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行存儲、分析、顯示、報警判斷、無線傳輸?shù)裙δ堋?/p>

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

3 系統(tǒng)各模塊的設計與實現(xiàn)

3.1 光電傳感器

本設計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、信號傳輸完整性高等特點。探頭內(nèi)含一個雙向驅(qū)動的雙波長LED作為發(fā)光元件，和一個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個引腳用以控制信號采的采集、發(fā)送，各個引腳功能如表1所示。

表1 傳感器引腳定義Tab.1 Sensor pin definition

探頭采用兩個波長的光信號共用同一個光電二極管，這就要求對光電二極管采用分時復用的工作方式，周期性點亮兩個LED，來實現(xiàn)同時對兩路光信號進行檢測［5－6］在同一條傳輸線路上存在兩種信號。為了得到兩路獨立的信號，就需要采用由與LED驅(qū)動脈沖同步的控制信號控制的采樣保持(S/H)電路來實現(xiàn)信號的分離，分別得到紅外和紅光兩路信號。上述的LED驅(qū)動脈沖和S/H電路控制信號由STM32芯片提供。各信號的時序圖如圖3所示。

圖3 時序控制圖Fig.3 Timing control chart

四組驅(qū)動脈沖從上至下分別標號為1，2，3，4。其中，1號脈沖為紅光LED驅(qū)動脈沖，2號脈沖為紅光采樣控制脈沖，3號脈沖為紅外LED驅(qū)動脈沖，4號為紅外光采樣控制脈沖，驅(qū)動脈沖高電平持續(xù)時間為5 μs，采樣控制脈沖高電平持續(xù)時間為 3 μs，周期均為1 ms。

3.2 模擬信號處理單元

本部分主要完成的功能是對前端光電血氧傳感器采集的信號進行處理，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為電流信號，需要變換為電壓信號才能被后續(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算放大器TL062芯片。

電流－電壓變換電路輸出的是兩種光分時復用的信號，要將兩種光的信號分離，就要在該部分電路中實現(xiàn)。該部分電路由兩片LF398組成的兩套采樣保持電路，由STM32提供控制信號進行控制。該控制信號與LED驅(qū)動脈沖同步，當相應的LED點亮時，該控制信號控制其中一個采樣保持器進行采樣。其余時間，采樣保持器都處于保持狀態(tài)。

由于分離出來的交流信號很微弱，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。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，用來濾除直流分量，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是雙極性信號，為了無損失地用單極性A/D轉(zhuǎn)換器進信號采集，就必須將交流信號加一直流偏置，保證信號在A/D轉(zhuǎn)換器量程之內(nèi)。

為實現(xiàn)無線傳輸功能，系統(tǒng)采用 TI公司的CC1101低功耗無線傳輸芯片 (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200m，為患者在醫(yī)院內(nèi)提供了足夠的活動空間。

圖6 無線數(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

本設計從對血氧飽和度進行實時、連續(xù)檢測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)，采用了意法半導體公司研發(fā)的STM32增強型芯片作為系統(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，2個12位的μs級A/D轉(zhuǎn)化器(16通道)，4個16位定時器，每個定時器有4個IC/OC/PWM或者脈沖計數(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、對數(shù)據(jù)進行存儲、分析、結(jié)果顯示、報警判斷、無線傳輸?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ADC模塊通過內(nèi)部的模擬多路開關(guān)，可切換到不同的輸入通道并進行轉(zhuǎn)換，完成對四路輸入信號的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。在光傳導的途徑上，除動脈血血紅蛋白吸收光外，其他組織(如皮膚、軟組織、靜脈血和毛細血管血液)也可吸收光。但入射光經(jīng)過手指或耳垂時，光可被搏動性血液和其他組織同時吸收，但兩者吸收的光強度是不同的，搏動性動脈血吸收的光強度(AC)隨著動脈壓力波的變化而改變。而其他組織吸收的光強度(DC)不隨搏動和時間而改變，由此，就可計算出在兩個波長中的光吸收比率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計算血氧的含量［10］。

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

其中，ε0為吸光系數(shù);c0為光吸收物質(zhì)濃度;L為光路徑長度。當動脈搏動時光路會增加相應的透射光強變?yōu)?

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

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

則公式(5)可寫成:

測量過程中，首先要測出兩路交流分量的幅值(AC1、AC2)，然后將幅值除以相應的直流分量(DC1、DC2)。得到的兩個結(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，應該通過用標準儀器進行定標后得到。

當系統(tǒng)檢測到測試者血氧飽和度的值超過所設定的正常范圍時候，就會通過無線傳輸方式向上位機發(fā)出告警信號，軟件中設定報警信號為連續(xù)發(fā)送3個16進制數(shù)值AA(防止發(fā)生誤告警現(xiàn)象)。

4 實驗結(jié)果及分析

本設計通過使用Fluke公司生產(chǎn)的Index2型血氧模擬儀進行多次試驗，數(shù)據(jù)結(jié)果如表2和表3所示。

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

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

從表中數(shù)據(jù)可以得知，當血氧飽和度處于60% ～80%時誤差為3%，80% ～99%時誤差為2%，脈率檢測誤差為±1bpm，達到了測量精度的要求。但是設計中仍然存在一些誤差，其主要來自于兩方面:

(1)模擬電路誤差

主要體現(xiàn)在信號放大濾波電路。放大電路中會將少量干擾信號以有用信號的形式放大，直接導致增加部分干擾。盡管本設計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被濾除，導致了有用信號的衰減丟失。

(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72 MHz，能將模擬信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號，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。本設計顯示結(jié)果如圖10所示。

圖10 設計結(jié)果顯示Fig.10 Results of design

5 結(jié)論

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

當然，系統(tǒng)仍有一些可升級、優(yōu)化之處。本設計在硬件電路設計中對器件的選擇采取的是性價比兼得的方法，這樣必然會對儀器的精度產(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，另外在無線傳輸方面，可采用更高級的芯片以降低誤碼率。

本設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作方便、用途廣泛。多次測試的結(jié)果表明，血氧飽和度測量范圍可從60% ～100%進行精確測量，誤差一般小于1%，脈率檢測誤差小于1%，其精度達到了國家標準要求，使得本設計具有較好的使用價值。

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