基于msp430的便携式无线脉搏血氧仪的设计

基于msp430的便携式无线脉搏血氧仪的设计

血液中的氧通过血液循环系统排出，血氧饱和度（spocal）是反映血液中氧含量的重要因素。通过连续或间断地监测血氧饱和度可以对人体携带氧的能力进行估计,同时,其又是判断人体呼吸系统、循环系统是否出现障碍或者周围环境是否缺氧的重要指标,在手术麻醉、监护室急救病房、病人运动和睡眠研究、以及慢性呼吸循环系统疾病患者的监控上都有着重要的作用。国外开展无创血氧饱和度检测技术较早。从20世纪50年代Wood和Coworker描述了一种无创伤检测血氧饱和度的方法,到20世纪80年代Nellor研制出一种应用于临床的脉搏血氧饱和度仪N-100,用红外光谱法进行无创血氧饱和度测量已经取得较大的成功,脉搏血氧仪正处于大范围普及和应用阶段,如Nellor、Masimo、Philips等公司已开发出相对成熟的产品并应用于临床。但是,由于工程学和生理学存在一定的局限性,评价SpO2值的正确性和可靠性仍然是重要的研究课题。近年来SpO2检测的研究主要集中在血氧探头结构的优化设计和信号萃取技术的创新性改进等方面,此外,在医疗保健社区化的趋势下,便携式的脉搏血氧仪越来越得到人们的重视。目前,国内临床上血氧饱和度的监测都是通过生命体征参数监测仪来完成的。这种监测仪重量和体积稍大,不便携带,而且多为有线数据传输,给医生和患者的使用带来了很大的不便。笔者设计了一种可以捆绑在手腕上进行测量的便携式无线脉搏血氧仪,相对于传统的指端测量而言,它可以像手表一样,在手腕上连续佩戴几小时甚至几天,随时监控人体的血氧指标。该血氧仪可以对人体的心率和血氧值进行计算,并实时显示脉搏波波形,测量的相关数据可以通过无线收发模块发送到个人计算机进行存储或在必要时通过互联网发送到远端的医院工作站。无创脉搏血氧饱和度测量是以朗伯-比尔定律和血液中还原血红蛋白(Hb)和氧合血红蛋白(HbO2)对光的吸收特性不同为基础的。通过两种不同波长的红光600~700nm和红外光800~1000nm分别照射组织经反射后再由光电接收器转换成电信号。组织中的其他成分吸收光信号是恒定的,经过光电接收器后得到直流分量DC,而动脉血中的HbO2和Hb对光信号的吸收是随着脉搏搏动作周期性变化,经过光电接收器后得到交流分量AC,由于HbO2和Hb对同一种光线的吸收率各不相同,通过测量红光和红外光的光吸收比率便可以计算出两种血红蛋白含量的百分比。血氧饱和度的计算公式如下SpO2=A−BR+CR2(1)SpΟ2=A-BR+CR2(1)式中,A、B、C为定标常数,可以由定标实验得到,R=VREDAC/VREDDCVIREDAC/VIREDDC(2)R=VREDAC/VREDDCVΙREDAC/VΙREDDC(2)为两个波长的光吸收比率,其中,VREDAC为红光的交流分量;VREDDC为红光的直流分量;VIREDAC为红外光的交流分量;VIREDDC为红外光的直流分量。设计中选用940nm红外光和660nm红光,在该波长处,氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收差别较大。1血氧系统显示模块a/d系统的硬件结构框图如图1所示。系统选用TI公司的MSP430FG4619单片机为处理核心,它是一款超低功耗的混合信号处理器。MSP430FG4619内部的DAC12周期性地输出2路100Hz占空比1∶4的脉冲,经过电流放大的驱动电路驱动,交替点亮血氧探头中的红光和红外光LED。探头中光电接收器将接收信号送到单片机内部的OA放大器进行放大,放大后的信号进入内部A/D进行采样。DAC12根据A/D采样信号的大小调节光源驱动的强度,从而维持光源的稳定,减少了由于光源不稳定带来的误差。处理后的信号再经去直流放大和数字滤波,得到的就是交流脉搏波成分,此时可以通过分析其周期和幅值对心率、血氧饱和度值进行计算。显示模块采用128像素×64像素的OLED液晶UG-2864GSWBG01,实时显示血氧饱和度值、心率及脉搏波波形。同时,测量数据还可以通过无线通信模块发送到PC机。系统的电源模块采用TPS62007DGS芯片,它可以在输入电压为2~5.5V的情况下将输出电压稳定在3.3V,用于给单片机、无线模块、探头模块、OLED等电路供电。1.1memsl200rd系统血氧饱和度探头中采用了双色的发光二极管PDI-E833,它能发出波长分别是660nm和940nm的红光和红外光。红光和红外光经过人体的组织反射后被光电传感器TSL250RD接收,其内部集成了一个放大器,经过传感器输出的信号实际上是经过放大的脉搏调制信号。探头驱动采用H桥电路,如图2所示。其中的DacRed和DacInfrared分别来源于单片机的5和10脚,它们都是DAC12的输出端,可以通过软件控制不同时刻在不同引脚输出脉冲来交替控制两个LED间隔地发光,P2.2和P2.3输出互补电路的控制信号。1.2海水淡化模块系统显示电路采用128像素×64像素的OLED液晶UG-2864GSWBG01,模块上集成了OLED及其驱动,微处理器只需通过5根控制线与8根数据线进行控制读写,具体接口如图3所示。1.3无线接收电路无线传输电路包括无线发射和无线接收两个部分。系统无线发射电路采用了Chipcon公司的CC2500射频收发器,它通过标准4线制SPI接口与微控制器实现数据通信,MCU可以访问和控制CC2500的基本寄存器,发送各种工作指令,写入发送数据,读出接收数据。无线接收电路采用TI公司的射频片上系统eZ430-RF2500作为PC机的接收模块。它通过USB接口与PC机通信,无需外接电源,具有体积小、功耗低和成本低等优点。eZ430-RF2500目标板集成了MSP430F2274MCU与CC2500RF收发器,并提供了编程必需的软硬件功能,进一步简化了低功耗无线系统的开发工作。2信号调制模块的实现系统的软件在结构上分为主控程序、信号调制模块、信号处理模块、显示模块和无线通信模块。系统上电后,主控程序读取启动参数,完成各个模块的初始化。当扫描到有按键动作时,调用信号调制模块分别对两个LED进行光调制,使传感器模块输出的信号稳定在一定阈值(DC:1V,AC:10mV),然后对信号进行直流跟踪和交流放大,再通过数字滤波器将环境噪声滤除,得到交流脉搏波,分析其周期和幅值并对心率和血氧饱和度进行计算,最后对计算结果进行显示和发送。系统软件流程如图4所示。2.1血氧饱和度值的输出信号光电传感器输出的信号中分别包括红光和红外光的交流分量和直流分量,其中95%左右是直流分量。如果将红光和红外光的输出信号都调到一个预设范围,便可以认为两路信号中的直流分量相同,在计算血氧饱和度值时,只需将两路信号的交流分量进行处理即可。由于个体的差异,有时会出现输出信号特别弱的情况,即使发射光强达到最大,信号也不能达到初始设定的阈值,这时就需要将阈值进行降低。光调制的流程如图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。探头模块输出的信号大部分为直流分量,交流分量很小,而交流分量又反映了人体脉搏搏动的信息,所以需要将交流分量从信号中提取出来放大,作后续处理。具体操作流程为:先设定抑制直流及放大后交流信号的阈值范围,对欲抑制直流分量设定一个初始值;将原始信号输入到单片机内置运放OA的一端,将预设的直流分量值D/A转换后送到运放的另一端进行差分放大;通过对运放输出端的信号进行采样,并对比设定的阈值来动态调整直流分量的大小。2.3低通滤波器设计数字滤波的目的是将交流脉搏波信号中的噪声去除。信号中的噪声主要来源于工频干扰以及血管振动和身体运动引起的伪差干扰,频率为50Hz以上,而需要得到的脉搏波的频率仅为2Hz左右,故采用了FIR低通滤波器。具体设计中使用Matlab中的FDAtool进行FIR低通滤波器设计,相关滤波器参数为:通带频率为4Hz,通带内起伏3dB;止带频率为12Hz,止带衰减80dB;采样频率100Hz;阶数为满足设计要求的最小阶,具有线性相位。设计完成后得到滤波器的系数输出,由于Matlab输出的系数都是浮点数,而单片机中浮点数运算的速率明显低于整型数,所以在单片机编程时将这些浮点数首先转换成整型数,即将所有系数同时扩大相同的倍数应用于滤波,最后将滤波的结果同时缩小相同的倍数。得到滤波系数后,通过卷积操作对原始波形进行滤波,数字滤波之后信号表现为比较规则的脉搏波信号。2.4血压及心率检测心率计算的依据是当采样频率为100Hz时,通过检测3个搏动周期内的采样点数就可以计算出心率值HR,即HR=100×60(samples/3)ΗR=100×60(samples/3)。具体操作中先设定两个检测阈值Z1和Z2,在计算心率时先找Z1上升沿的点,找到这个点并等待一定的采样点后再找Z2下降沿的点,找到后如果再找到处于上升沿的Z1值,说明检测到一个脉搏波周期。继续寻找下降沿Z2,上升沿Z1,如此反复。当找到3个脉搏波周期,就将这3个周期内的采样点数N及3个周期内的所有采样点存储。根据存取的采样点数就可以计算出心率,计算后对心率值进行判断,正常心率值的范围为40~120,若心率值超过这个范围,则说明这些采样点是无效的,不将心率值进行显示,同时也不计算血氧饱和度值。血氧饱和度取决于式(2)中R值的计算。利用心率值正常情况下存储的采样点,分别对红光和红外光信号的3个周期内所有采样点进行平方累加后开方,然后将两路信号开方后的值相除得到R值。再根据式(1)求出血氧饱和度。3系统测量的精度和稳定性系统软硬件联调完成之后,选择10个人参与实验测量。系统实物如图6所示。系统测试中观察到:由于针对于不同的使用者需要进行不同的调光处理,系统运行的反应时间不同。如果使用者的信号不出现饱和的现象,那么这段时间大约为6s左右。但是倘若使用者的信号很强,导致出现饱和的情况,那么系统反应时间就会比较长,需要大约30s左右。系统测量的精度和稳定性对使用者有一定的要求,在这要求之内稳定性和精度是令人满意的。它要求测试时,使用者应处于比较静止的状态,不能有明显的动作,并且情绪比较平