基于msp430的便攜式無線脈搏血氧儀的設(shè)計

血液中的氧通過血液循環(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。通過連續(xù)或間斷地監(jiān)測血氧飽和度可以對人體攜帶氧的能力進行估計,同時,其又是判斷人體呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)是否出現(xiàn)障礙或者周圍環(huán)境是否缺氧的重要指標(biāo),在手術(shù)麻醉、監(jiān)護室急救病房、病人運動和睡眠研究、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。國外開展無創(chuàng)血氧飽和度檢測技術(shù)較早。從20世紀(jì)50年代Wood和Coworker描述了一種無創(chuàng)傷檢測血氧飽和度的方法,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,用紅外光譜法進行無創(chuàng)血氧飽和度測量已經(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等公司已開發(fā)出相對成熟的產(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,評價SpO2值的正確性和可靠性仍然是重要的研究課題。近年來SpO2檢測的研究主要集中在血氧探頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和信號萃取技術(shù)的創(chuàng)新性改進等方面,此外,在醫(yī)療保健社區(qū)化的趨勢下,便攜式的脈搏血氧儀越來越得到人們的重視。目前,國內(nèi)臨床上血氧飽和度的監(jiān)測都是通過生命體征參數(shù)監(jiān)測儀來完成的。這種監(jiān)測儀重量和體積稍大,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了很大的不便。筆者設(shè)計了一種可以捆綁在手腕上進行測量的便攜式無線脈搏血氧儀,相對于傳統(tǒng)的指端測量而言,它可以像手表一樣,在手腕上連續(xù)佩戴幾小時甚至幾天,隨時監(jiān)控人體的血氧指標(biāo)。該血氧儀可以對人體的心率和血氧值進行計算,并實時顯示脈搏波波形,測量的相關(guān)數(shù)據(jù)可以通過無線收發(fā)模塊發(fā)送到個人計算機進行存儲或在必要時通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到遠端的醫(yī)院工作站。無創(chuàng)脈搏血氧飽和度測量是以朗伯-比爾定律和血液中還原血紅蛋白(Hb)和氧合血紅蛋白(HbO2)對光的吸收特性不同為基礎(chǔ)的。通過兩種不同波長的紅光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。組織中的其他成分吸收光信號是恒定的,經(jīng)過光電接收器后得到直流分量DC,而動脈血中的HbO2和Hb對光信號的吸收是隨著脈搏搏動作周期性變化,經(jīng)過光電接收器后得到交流分量AC,由于HbO2和Hb對同一種光線的吸收率各不相同,通過測量紅光和紅外光的光吸收比率便可以計算出兩種血紅蛋白含量的百分比。血氧飽和度的計算公式如下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)實驗得到,R=VREDAC/VREDDCVIREDAC/VIREDDC(2)R=VREDAC/VREDDCVΙREDAC/VΙREDDC(2)為兩個波長的光吸收比率,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)計中選用940nm紅外光和660nm紅光,在該波長處,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單片機為處理核心,它是一款超低功耗的混合信號處理器。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)過電流放大的驅(qū)動電路驅(qū)動,交替點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送到單片機內(nèi)部的OA放大器進行放大,放大后的信號進入內(nèi)部A/D進行采樣。DAC12根據(jù)A/D采樣信號的大小調(diào)節(jié)光源驅(qū)動的強度,從而維持光源的穩(wěn)定,減少了由于光源不穩(wěn)定帶來的誤差。處理后的信號再經(jīng)去直流放大和數(shù)字濾波,得到的就是交流脈搏波成分,此時可以通過分析其周期和幅值對心率、血氧飽和度值進行計算。顯示模塊采用128像素×64像素的OLED液晶UG-2864GSWBG01,實時顯示血氧飽和度值、心率及脈搏波波形。同時,測量數(shù)據(jù)還可以通過無線通信模塊發(fā)送到PC機。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、無線模塊、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)出波長分別是660nm和940nm的紅光和紅外光。紅光和紅外光經(jīng)過人體的組織反射后被光電傳感器TSL250RD接收,其內(nèi)部集成了一個放大器,經(jīng)過傳感器輸出的信號實際上是經(jīng)過放大的脈搏調(diào)制信號。探頭驅(qū)動采用H橋電路,如圖2所示。其中的DacRed和DacInfrared分別來源于單片機的5和10腳,它們都是DAC12的輸出端,可以通過軟件控制不同時刻在不同引腳輸出脈沖來交替控制兩個LED間隔地發(fā)光,P2.2和P2.3輸出互補電路的控制信號。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,微處理器只需通過5根控制線與8根數(shù)據(jù)線進行控制讀寫,具體接口如圖3所示。1.3無線接收電路無線傳輸電路包括無線發(fā)射和無線接收兩個部分。系統(tǒng)無線發(fā)射電路采用了Chipcon公司的CC2500射頻收發(fā)器,它通過標(biāo)準(zhǔn)4線制SPI接口與微控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,MCU可以訪問和控制CC2500的基本寄存器,發(fā)送各種工作指令,寫入發(fā)送數(shù)據(jù),讀出接收數(shù)據(jù)。無線接收電路采用TI公司的射頻片上系統(tǒng)eZ430-RF2500作為PC機的接收模塊。它通過USB接口與PC機通信,無需外接電源,具有體積小、功耗低和成本低等優(yōu)點。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,進一步簡化了低功耗無線系統(tǒng)的開發(fā)工作。2信號調(diào)制模塊的實現(xiàn)系統(tǒng)的軟件在結(jié)構(gòu)上分為主控程序、信號調(diào)制模塊、信號處理模塊、顯示模塊和無線通信模塊。系統(tǒng)上電后,主控程序讀取啟動參數(shù),完成各個模塊的初始化。當(dāng)掃描到有按鍵動作時,調(diào)用信號調(diào)制模塊分別對兩個LED進行光調(diào)制,使傳感器模塊輸出的信號穩(wěn)定在一定閾值(DC:1V,AC:10mV),然后對信號進行直流跟蹤和交流放大,再通過數(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心率和血氧飽和度進行計算,最后對計算結(jié)果進行顯示和發(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光電傳感器輸出的信號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都調(diào)到一個預(yù)設(shè)范圍,便可以認(rèn)為兩路信號中的直流分量相同,在計算血氧飽和度值時,只需將兩路信號的交流分量進行處理即可。由于個體的差異,有時會出現(xiàn)輸出信號特別弱的情況,即使發(fā)射光強達到最大,信號也不能達到初始設(shè)定的閾值,這時就需要將閾值進行降低。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的信息,所以需要將交流分量從信號中提取出來放大,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的閾值范圍,對欲抑制直流分量設(shè)定一個初始值;將原始信號輸入到單片機內(nèi)置運放OA的一端,將預(yù)設(shè)的直流分量值D/A轉(zhuǎn)換后送到運放的另一端進行差分放大;通過對運放輸出端的信號進行采樣,并對比設(shè)定的閾值來動態(tài)調(diào)整直流分量的大小。2.3低通濾波器設(shè)計數(shù)字濾波的目的是將交流脈搏波信號中的噪聲去除。信號中的噪聲主要來源于工頻干擾以及血管振動和身體運動引起的偽差干擾,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)計中使用Matlab中的FDAtool進行FIR低通濾波器設(shè)計,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)計要求的最小階,具有線性相位。設(shè)計完成后得到濾波器的系數(shù)輸出,由于Matlab輸出的系數(shù)都是浮點數(shù),而單片機中浮點數(shù)運算的速率明顯低于整型數(shù),所以在單片機編程時將這些浮點數(shù)首先轉(zhuǎn)換成整型數(shù),即將所有系數(shù)同時擴大相同的倍數(shù)應(yīng)用于濾波,最后將濾波的結(jié)果同時縮小相同的倍數(shù)。得到濾波系數(shù)后,通過卷積操作對原始波形進行濾波,數(shù)字濾波之后信號表現(xiàn)為比較規(guī)則的脈搏波信號。2.4血壓及心率檢測心率計算的依據(jù)是當(dāng)采樣頻率為100Hz時,通過檢測3個搏動周期內(nèi)的采樣點數(shù)就可以計算出心率值HR,即HR=100×60(samples/3)ΗR=100×60(samples/3)。具體操作中先設(shè)定兩個檢測閾值Z1和Z2,在計算心率時先找Z1上升沿的點,找到這個點并等待一定的采樣點后再找Z2下降沿的點,找到后如果再找到處于上升沿的Z1值,說明檢測到一個脈搏波周期。繼續(xù)尋找下降沿Z2,上升沿Z1,如此反復(fù)。當(dāng)找到3個脈搏波周期,就將這3個周期內(nèi)的采樣點數(shù)N及3個周期內(nèi)的所有采樣點存儲。根據(jù)存取的采樣點數(shù)就可以計算出心率,計算后對心率值進行判斷,正常心率值的范圍為40~120,若心率值超過這個范圍,則說明這些采樣點是無效的,不將心率值進行顯示,同時也不計算血氧飽和度值。血氧飽和度取決于式(2)中R值的計算。利用心率值正常情況下存儲的采樣點,分別對紅光和紅外光信號的3個周期內(nèi)所有采樣點進行平方累加后開方,然后將兩路信號開方后的值相除得到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個人參與實驗測量。系統(tǒng)實物如圖6所示。系統(tǒng)測試中觀察到:由于針對于不同的使用者需要進行不同的調(diào)光處理,系統(tǒng)運行的反應(yīng)時間不同。如果使用者的信號不出現(xiàn)飽和的現(xiàn)象,那么這段時間大約為6s左右。但是倘若使用者的信號很強,導(dǎo)致出現(xiàn)飽和的情況,那么系統(tǒng)反應(yīng)時間就會比較長,需要大約30s左右。系統(tǒng)測量的精度和穩(wěn)定性對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。它要求測試時,使用者應(yīng)處于比較靜止的狀態(tài),不能有明顯的動作,并且情緒比較平