基于双光束透射法的无创检测技术

基于双光束透射法的无创检测技术

0wban通信近年来，随着无线网络技术、电子集成技术和传感器技术的快速发展，可选健康诊断系统（wban健康诊断系统）成为国际研究的热点。图1显示，wban是由人体内、衣服、或身体上的多个节点和个人终端组成的通信网络。所有节点都必须具有数据采集、处理和无线通信的功能。每个用户都可以创建一个wban，并通过顶部节点与随身携带的个人终端（pda、手机等）之间的无线通信和数据同步，从而了解自己的健康状况。所有用户还可以通过无线网络或其他手段连接到pc和其他医疗设备，并通过internet共享信息。以便医生和家人在第一时间获得监控对象的数据和信息，从而真正实现远程医疗监控。WBAN的基础是前端节点的传感器模块能够高质量、高效率的收集数据.针对体温、脉搏和血氧饱和度三项体征参数进行检测,在结构简单、功耗低的前提下实现连续、快速和准确的信号采集与处理.实验结果表明,该设计具有较高的稳定性和可靠性,为成功搭建WBAN提供了强有力的保证.1节点电源管理设计的节点以小型化、低功耗为特点,具有信号采集处理能力和无线通信能力,基本结构如图2.其中传感器模块负责采集信号并进行相应的处理和计算.由于蓝牙技术工作稳定、功率低、设备简单和对人体危害小等特点,选择它作为节点与终端设备之间的通信手段.节点中的蓝牙模块主要负责将传感器模块处理得到的结果通过无线方式传输给PDA等终端设备,并随时准备接收来自终端设备的指令,使节点按照用户的设置进行工作.为满足低功耗的要求,节点使用电池作为外部电源.电源模块负责将电源电压转换成传感器模块和蓝牙模块所需的工作电压.这两个模块的工作电压皆被设计为3.3V,选用台湾HOLTEK公司生产的HT7533-1作为电源管理芯片,其采用CMOS工艺,具有低电压降和低静态电流等特点,输出电压3.3V,输出电流100mA.电源模块的电路示意图如图3所示.2传感器模块的设计方案2.1ds18b20性能特点在设计体温传感器模块时,选择美国DALLAS公司生产的数字温度传感器DS18B20作为探头,选择美国TI公司生产的单片机MSP430F149作为微控制器.与传统的热敏电阻温度传感器不同,DS18B20能够直接读出被测温度,并且可以根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读取方式;其转换速度最慢为750ms,测温范围-55～125℃,测量精度可达0.0625℃,且性能稳定.DS18B20采用单总线协议,无需外围电路,只要数据输入/输出管脚DQ与单片机的一个一般I/O相连即可实现双向通信.MSP430系列单片机的最大特点是超低功耗,其电源电压采用1.8～3.6V低电压(典型值3.3V),RAM数据保持方式下耗电仅为0.1μA,活动模式耗电250μA/MIPS,I/O口的漏电流最大50nA,具有多种低功耗模式可选,使得整个模块的功耗降至极低的水平,大大提高了电池的使用寿命.使用MSP430F149,通过编程设置,使其按照单总线协议所定义的工作时序对DS18B20进行初始化和完成相应的读、写操作,并将得到的温度值即时存储在片内RAM中,方便后续无线传输.体温测量电路如图4所示,其中VCC接3.3V,GND接地,DQ与单片机的P1.0口相连,并通过4.7kΩ的电阻拉高,以保证总线在没有数据传输时始终保持高电平.另外为减小干扰,在VCC与GND之间增加一个0.1μF的滤波电容.2.2msp治疗理片输出信号的设计使用单片机MSP430FG437作为控制和处理芯片,其内部集成了1个12位A/D转换模块、2个12位D/A转换模块和3个可配置运算放大器OA,因此传感器模块的大部分的工作都由单片机来完成.模块的硬件结构如图5所示.采用双光束无创检测法,使用时将探头夹在指尖上.探头上壁固定了两个并列放置的发光二极管,发光波长分别为660(红光)和940nm(红外光),下壁固定了一个光敏二极管,它将透射过手指的红光和红外光信号转换成电信号.MSP430FG437的功能是产生一定的时序分时驱动两路发光二极管,使其按照一定的频率和占空比分别发光,并对接收到的电信号进行放大、滤波等预处理,最后由写入单片机的数据采集程序完成对信号的提取和计算,得到脉搏和血氧饱和度的值.光源驱动电路:探头中两个发光二极管是首尾对接,使用H-桥电路来驱动光源,如图6所示.其中P2.2和P2.3负责驱动互补电路;DAC0模块负责调节通过两个发光管的电流大小,即控制红光和红外光的发光强度.在MSP430FG437中,通过对相应的寄存器进行设置可使内置DAC0模块分别与单片机的管脚5或管脚10相连,暂时没有被选择为DAC0输出信号的管脚可以设置成高阻态或者输出低电平.设置MSP430FG437定时器A的时钟源为ACLK即32.768kHz,工作方式为增计数模式,输出为PWM置位/复位模式,将捕获/比较寄存器CCR0的值设为31,并开启中断,这样1s定时器A产生的中断次数为:32768/(31+1)=1024.通过编程,使得每次中断程序的调用只点亮上次中断程序响应时熄灭的二极管,这样可以保证红光和红外光分别以512Hz的频率交替点亮.信号的预处理:利用MSP430FG437内置的运算放大器OA和A/D、D/A等模块,采用数字信号处理技术完成对接收信号的滤波、放大等工作,省去了大量的外围电路,保证了传感器模块的小型化和低功耗.如图7所示,首先将光敏二极管产生的微弱电信号送入OA0进行放大,得到的输出信号中包含一个较大的直流分量(约1V)和一个较小的交流分量(峰-峰值约30mV).其中交流分量是由于动脉血的充盈导致透过手指的光强发生变化而产生的交流信号虽然小,却正是需要提取并放大的有用部分.接着使用IIR直流跟踪滤波器将OAO输出信号中的直流成分提取出来,接至OA1的一个输入端;而OA1的另一个输入端接OA0的输出信号(包含交流和直流成分).通过对单片机的相应寄存器进行正确设置,可使OA1工作在差分放大模式下,即OA1只放大两输入端信号之差,因此最终只有交流分量被放大,而直流分量被有效地滤除掉了.OA1的输出信号中依然存在残留的直流成分,为此继续使用IIR滤波器进行直流跟踪,然后从OA1的输出信号中减去提取出的直流分量,这样就得到了较为纯净的交流数字信号.针对环境光及工频噪声的干扰,使用FIR低通滤波器进行滤除,设定其截止频率为6Hz.50Hz以上频率的衰减系数为一50dB,得到了很好的效果.整个过程如图8所示.脉搏血氧饱和度值的计算:血液的氧含量一般用血液中氧合血红蛋白占总血红蛋白的百分比数来表示,即:式中,SaO2为血氧饱和度,HbO2为氧合血红蛋白,Hb为还原血红蛋白.当光透过手指时,由皮肤、肌肉、骨骼、静脉血等产生的吸光度A是恒定的.由心脏搏动、动脉血充盈等产生的吸光度是与此相应变化的吸光度ΔA.根据Lambert-Beer定律,并利用近红外光谱吸光度测定原理,选取适当波长的入射光,可以得到等式:其中,a、b为仪器常数,与传感器结构、测量条件有关,可以通过实验定标确定.ΔA1和ΔA2分别对应于两入射光的吸光度变化量,即采集到的原始信号经处理后得到的交流分量的峰-峰值.因此,通过编写程序使单片机完成相应的计算,即可得到血氧饱和度的值.关于脉搏值的计算只需要关注红外光信号,通过记录一段时间内A/D转换的采样值,可以大致勾勒出脉搏波的基本形状.统计脉搏每搏动3下所经历的采样点数,便能得到脉搏值的计算公式:脉搏值=(512×60×3)/采样点数3测量量误