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基于CC2530和NJL5501R的一種新型反射式血氧模塊的設(shè)計(jì)*

孔德友①馬繼鵬①*石常遠(yuǎn)①

目的：基于新型傳感器開(kāi)發(fā)一種反射式可無(wú)線傳輸?shù)难醣O(jiān)測(cè)模塊，作為可穿戴設(shè)備的終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。方法：利用朗伯比爾定律對(duì)血氧算法進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，在硬件上設(shè)計(jì)終端的原理圖，并對(duì)傳感器NJL5501R驅(qū)動(dòng)電路、跨阻放大器以及濾波電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì)；在軟件上描述軟件流程和算法實(shí)現(xiàn)，以福祿克INDEX2XLF模擬血氧飽和度確定Q值，產(chǎn)生Q值和血氧的對(duì)應(yīng)圖。結(jié)果：血氧監(jiān)測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)了血氧數(shù)據(jù)的采集和無(wú)線傳輸，實(shí)測(cè)血氧數(shù)值與使用邁瑞iPM10型患者監(jiān)護(hù)儀測(cè)量當(dāng)前血氧值進(jìn)行對(duì)比分析，其誤差＜2%。結(jié)論：反射式血氧監(jiān)測(cè)模塊可實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，但在抗運(yùn)動(dòng)干擾、小型化設(shè)計(jì)以及低功耗上仍有提升空間，尚需進(jìn)一步研究。

反射式；血氧模塊；無(wú)線傳輸

[First-author’s address] Department of Medical Equipment, The Affiliated Hospital of Jining Medical University, Jining 272000, China.

透射式血氧飽和度儀目前已在臨床上廣泛應(yīng)用，但透射式傳感器需夾在患者的手指上，且舒適度低、有線接口容易損壞，不便于中心監(jiān)控[1]?；诖耍狙芯吭O(shè)計(jì)研制一款基于反射式傳感器NJL5501R和CC2530的血氧模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)血氧飽和度的準(zhǔn)確測(cè)量和對(duì)數(shù)據(jù)的集中采集。該模塊具有體積小、功耗低以及貼在人體表面使用的特點(diǎn)，模塊作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行木W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)打包數(shù)據(jù)后上傳至中心監(jiān)護(hù)平臺(tái)[2]。

1 新型反射式血氧模塊設(shè)計(jì)原理

1.1朗伯比爾定律

單色光照射到介質(zhì)表面，通過(guò)一定厚度的介質(zhì)后，介質(zhì)吸收一部分光能，透射光的強(qiáng)度減弱。光強(qiáng)度的減弱程度與介質(zhì)濃度和厚度成正比，反射光同樣遵循朗伯比爾定律，而人體組織是一復(fù)雜的光學(xué)介質(zhì)，可分為三部分：①靜態(tài)的介質(zhì)，如人體的組織，靜脈血等；②含氧血紅蛋白；③脫氧血紅蛋白。而含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白是動(dòng)態(tài)的，故也可分為兩部分，即靜態(tài)吸光度和動(dòng)態(tài)吸光度。如在均勻介質(zhì)中，當(dāng)動(dòng)脈血管波動(dòng)時(shí)，根據(jù)吸光度的加合性，總的吸光度為公式1[3]：

式中I0為入射光強(qiáng)度，I為透射光強(qiáng)度；d為固定的光程；Δd為血管收縮擴(kuò)張時(shí)的變化光程；ξs為靜態(tài)組織的光吸收系數(shù)；Cs為靜態(tài)組織的濃度；ξHbO2，CHbO2為含氧血紅蛋白的光吸收系數(shù)和含氧血紅蛋白的濃度；ξHb和CHb分別為脫氧血紅蛋白的光吸收系數(shù)和脫氧血紅蛋白的濃度[2]。

脈動(dòng)吸光率為公式2：

紅光波長(zhǎng)=660 nm，紅外光波長(zhǎng)=990 nm。對(duì)紅光，紅外光的吸光率變化的計(jì)算為公式3：

血氧值為人體動(dòng)脈血內(nèi)含氧血紅蛋白濃度與總血紅蛋白濃度的比值，帶入公式(3)可得到公式4：

血液中脫氧血紅蛋白和含氧血紅蛋白在紅光、紅外光(600～1000 nm)有獨(dú)特的吸收光譜，在紅外光照射時(shí)，兩者的吸光系數(shù)基本相等，故上式仍可繼續(xù)簡(jiǎn)化，但在實(shí)際應(yīng)用中人體是一個(gè)復(fù)雜的光學(xué)介質(zhì)，血氧值并不一定與Q值成線性比列關(guān)系和二次函數(shù)關(guān)系，一般要根據(jù)實(shí)驗(yàn)制定Q值和血氧值的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表，取得Q值后再通過(guò)查表法獲取血氧值[4]。

1.2 Zigbee技術(shù)

Zigbee技術(shù)是一種無(wú)線通信技術(shù)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗以及低傳輸速率，適合遠(yuǎn)程低速率數(shù)據(jù)的傳輸。如圖1所示，血氧模塊采集的數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸至中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)再通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸給電腦工作平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中采集[5-9]。

圖1 血氧模塊Zigbee網(wǎng)絡(luò)圖

2 新型反射式血氧模塊硬件設(shè)計(jì)

反射式光電傳感器NJL5501R為NEWJRC公司推出的專(zhuān)業(yè)采集血氧和心率信號(hào)的新型傳感器，內(nèi)部集成了紅光及紅外光液晶顯示器(LED)和高靈敏度的檢測(cè)器，與普通的光電傳感器相比，其靈敏度較高，負(fù)責(zé)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，其硬件設(shè)計(jì)如圖2所示[10]。

圖2 血氧模塊結(jié)構(gòu)圖

CC2530為內(nèi)嵌Zigbee協(xié)議的增強(qiáng)型8051內(nèi)核單片機(jī)，在系統(tǒng)中起控制和信號(hào)采集處理的作用[11]。內(nèi)嵌操作系統(tǒng)在協(xié)議棧的應(yīng)用層進(jìn)行開(kāi)發(fā)，芯片可編程輸出功率高達(dá)4.5 dBm，低功耗有5種模式，可在不同環(huán)境下選擇不同的低功耗模式，具有5通道DMA，8路ADC等外設(shè)功能[12]。

跨阻放大器用運(yùn)放AD8605，負(fù)責(zé)將微弱電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化[13]。前置放大器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大，采用AD8605型號(hào)的芯片，放大倍數(shù)通過(guò)數(shù)字變阻器AD5160實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)[14]。濾波器對(duì)高頻和低頻干擾信號(hào)進(jìn)行濾除，由低通濾波電路、50 Hz限波電路以及高通濾波電路組成[15]。

可調(diào)增益放大器采用數(shù)字可調(diào)電阻AD5160和AD8605組成具有64級(jí)放大可調(diào)。由于測(cè)試位置和測(cè)試個(gè)體的差異性，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)有很大變化，ADC2采集的信號(hào)強(qiáng)度通過(guò)控制DAC1反饋調(diào)節(jié)LED的亮度，放大器的倍數(shù)以及偏置電壓的幅度，使得采集的信號(hào)始終在ADC1的合理量程內(nèi)[16-18]。

驅(qū)動(dòng)橋電路負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)光電傳感器的紅光或紅外光LED[17]。鋰電池及充電電路中，鋰電池采用18650型號(hào)，具有限流保護(hù)功能。天線采用PCB天線，負(fù)責(zé)發(fā)射和接受無(wú)線信號(hào)。

2.1血氧傳感器及驅(qū)動(dòng)電路

NJL5501R交替發(fā)射紅光及紅外光到介質(zhì)處，其紅光峰值波長(zhǎng)為(660±3) nm，紅外光為(940±10) nm，由于光敏三極管的存在，典型紅光照射時(shí)電流輸出能達(dá)到1000～4300μA，典型紅外光照射時(shí)電流輸出為145～580μA，與光電二極管相比具有較高的靈敏度[10](如圖3所示)。

圖3 NJL5501R原理圖

LED_SWITCH_CONTROL為CC2530通過(guò)定時(shí)器輸出的方波控制信號(hào)，該控制信號(hào)頻率為1 kHz，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)芯片ADG779使得紅光及紅外光LED交替發(fā)光。OP281處于深度負(fù)反饋，通過(guò)DAC_LED_ DRIVER_CONTROL的電位，來(lái)精確控制流過(guò)2個(gè)發(fā)光二極管的電流[17](如圖4所示)。其計(jì)算為公式5：

圖4 傳感器驅(qū)動(dòng)電路圖

2.2跨阻放大器與濾波電路

跨阻放大器，采用運(yùn)放AD8605，輸入偏置電壓＜65 μV，輸入偏置電流＜1 pA，開(kāi)環(huán)增益高達(dá)1000 V/mV，是一款低噪聲、低功耗、高精度以及軌對(duì)軌單端供電運(yùn)算放大器，非常適合搭建跨阻放大電路[13]?？缱璺糯笃鲗⒘鬟^(guò)光敏三極管的電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化[5](如圖5所示)；其輸出電壓如公式6：

圖5 跨阻放大器電路圖

濾波電路，分別由低通濾波電路、50 Hz限波電路以及高通濾波電路組成[15](如圖6所示)。

圖6 濾波電路圖

二階高通濾波電路截止頻率在685.25 mHz處，有源帶阻濾波器在50 Hz處的衰減為-45.846 dB，滿足對(duì)低頻血氧信號(hào)的濾波需求。通過(guò)Mulitisim軟件進(jìn)行仿真，其波特圖如圖7、圖8所示。

圖7 二階高通濾波電路波特圖

圖8 50 Hz陷波器波特圖

3 新型反射式血氧模塊軟件設(shè)計(jì)流程與算法

血氧模塊程序流程如圖9所示。終端初始化后，加入Zigbee網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后，進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，定時(shí)采集血氧值并發(fā)送[3]。其算法如圖10所示，打開(kāi)ADC采集通道，設(shè)定采樣率為512 Hz，采集1024個(gè)數(shù)據(jù)，在實(shí)際測(cè)量中的Q值為公式7：

圖9血氧模塊程序流程圖

圖10血氧算法流程圖

交流電壓值為3個(gè)周期信號(hào)中幅度信號(hào)的最大值和最小值之差。在模擬前端交流信號(hào)進(jìn)行了放大，公式中的交流信號(hào)為實(shí)測(cè)輸出幅度信號(hào)除以對(duì)交流信號(hào)的放大倍數(shù)，包括可調(diào)增益放大倍數(shù)和前端放大倍數(shù)；直流電壓值為3個(gè)周期信號(hào)所有數(shù)據(jù)的求和平均。

血氧值正比于Q值，但不一定與Q值成線性關(guān)系，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)制定經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格。以福祿克INDEX2XLF模擬血氧飽和度為85%～100%的數(shù)據(jù)供設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，得到實(shí)驗(yàn)機(jī)Q值對(duì)應(yīng)的血氧飽和度經(jīng)驗(yàn)曲線圖[13]，如圖11所示。sample_count為3個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，其心律的計(jì)算為公式8[14-15]：

HR=512×60÷3/sample_count (8)

圖11 Q值與血氧值對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

4 結(jié)論

本研究論述了一種基于CC2530和NJL5501R的新型反射式血氧模塊的軟硬件設(shè)計(jì)，并取得了較好的實(shí)驗(yàn)成果，與邁瑞IPM10機(jī)器進(jìn)行對(duì)比，誤差率為2%[16-18]。但是在實(shí)際應(yīng)用中，仍然存在著許多問(wèn)題：①模塊的抗運(yùn)動(dòng)干擾能力有待加強(qiáng)，算法過(guò)于簡(jiǎn)單；②Zigbee協(xié)議是2.4 G的無(wú)線波，穿透能力弱，難以在復(fù)雜環(huán)境中布網(wǎng)，只在空曠環(huán)境如監(jiān)護(hù)室的效果較好；③待機(jī)時(shí)間有待加長(zhǎng)，可進(jìn)一步加強(qiáng)低功耗設(shè)計(jì)，或選擇能力密度更高的電池。為此，在后續(xù)的研究工作中加強(qiáng)對(duì)上述問(wèn)題的研究，盡早解決工程問(wèn)題。

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A design of new reflection-type blood oxygen module based on CC2530 and NJL5501R/

KONG De-you, MA Ji-peng, SHI Chang-yuan//China Medical Equipment,2017,14(1):8-11.

Objective: To develop a reflection-type blood oxygen monitor module can transmit message by a new wireless sensor and be used as a terminal monitoring node in wearable devices. Methods: The blood oxygen algorithm is mathematically analyzed by Lambert Beer law; the terminal schematic diagram of hardware, drive circuit, transimpedance amplifier and filter circuit of sensor NJL5501R are analyzed and designed to use in the module; the software process and algorithm implementation is described by special software; the Fluke INDEX2XLF is used to simulate blood oxygen saturation and determine the Q value and then to establish relevant relationship between blood oxygen saturation and Q value. Results: The module can collect blood oxygen data and transmit them by wireless method. And detection result error was less than 2% when this module was compared with the MINDRAY IPM10. Conclusion: The module achieves the expected effect although it still need be improved in some aspects, such as anti movement interference, miniaturization design and low power consumption.

Reflection-type; Blood oxygen module; Wireless transmission

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.01.003

1672-8270(2017)01-0008-04

R197.324

A

2016-03-16

濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院科研苗圃項(xiàng)目(MP-2014-028)“基于GPRS和被動(dòng)RFID的醫(yī)療設(shè)備管理終端的研究與設(shè)計(jì)”

①濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備處 山東 濟(jì)寧 272000

*通訊作者：573908266@qq.com

孔德友,男,(1971- ),本科學(xué)歷，高級(jí)工程師。濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備處，從事設(shè)備論證、維修以及科研教學(xué)管理工作。