基于MSP430單片機(jī)的脈搏血氧測(cè)量?jī)x的研究

文/陳茁

1 引言

隨著醫(yī)學(xué)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，以及人們對(duì)健康要求逐漸增高，血氧飽和度這一名詞逐漸走入我們的視野中，成為人們對(duì)健康衡量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。顧名思義，血氧飽和度就是血液在運(yùn)輸過程中能夠攜帶氧氣的能力，人體在進(jìn)行新陳代謝時(shí)，是生物進(jìn)行氧化的一個(gè)重要過程，也就是把有用的氧氣帶入體內(nèi)，因此攜帶氧氣多少的能力就會(huì)對(duì)人們的身體健康造成一個(gè)重要的影響。在臨床實(shí)驗(yàn)中，一些疾病會(huì)使得體內(nèi)缺少氧氣的供給，這就會(huì)使得人體內(nèi)無法進(jìn)行正常的新陳代謝，影響人體機(jī)能，造成嚴(yán)重的后果，因此能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)出血氧的飽和度對(duì)于人體的生命健康有著至關(guān)重要的作用，同時(shí)對(duì)于醫(yī)學(xué)救護(hù)也有著里程碑似的重要意義，由此，對(duì)測(cè)量血氧的儀器也是有一定的要求，這就需要人們?nèi)パ芯?，下面針?duì)這一問題展開了分析與討論，最終得到一個(gè)既精確，又經(jīng)濟(jì)的測(cè)量?jī)x器。

2 血氧測(cè)量的相關(guān)原理

在血氧飽和度的測(cè)量過程中，脈搏血氧測(cè)量?jī)x的工作原理主要分為兩種，其主要根據(jù)光電傳感器接受到的光的類型，即透射光和反射光，即光線射到介質(zhì)上，然后分別進(jìn)行反射和透射，傳播信號(hào)，通過光電原理采集信號(hào)，又對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，最終反饋出結(jié)果。圖1兩種電路原理圖，反映了這兩種方式的采集原理。

透射式和反射式兩種信號(hào)采集方式在結(jié)果的準(zhǔn)確度和抗干擾性等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，表1 對(duì)兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)做了簡(jiǎn)單的對(duì)比。

圖1：透射式與反射式的信號(hào)采集方式

圖2：透射式

圖3：反射式

脈搏血氧儀主要是通過光電晶體管進(jìn)行接收和發(fā)出信號(hào)，圖2、圖3是這兩種血氧儀的結(jié)構(gòu)組成圖。

透射式與反射式的不同在于在于采集光線的方向不同，透射式是從光線射入的另一側(cè)采集射入的信號(hào)，而反射式是從光線射入的同側(cè)采集反射出來的信號(hào)；因此，基于這兩種不同的采集信號(hào)的方式，為方便測(cè)量，保障測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，透射式的測(cè)量部位應(yīng)選擇在較薄的部位，通常指尖是人們選擇的比較多的一個(gè)部位，測(cè)量的結(jié)果也相對(duì)而言較穩(wěn)定；而反射式根據(jù)其測(cè)量方式的反射，可選擇的身體部位較多，在測(cè)量位置上有絕對(duì)性的優(yōu)勢(shì)，基于這個(gè)優(yōu)勢(shì)，可以在電路設(shè)計(jì)上提高集成化程度，在健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。透射式和反射式測(cè)量方法原理基本相同，但是基于測(cè)量原理所導(dǎo)致的測(cè)量部位和測(cè)量的難易程度卻不盡相同，因此為了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，優(yōu)先選取透射式測(cè)量方法，下面將針對(duì)透射式的測(cè)量方法對(duì)脈搏血氧儀進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用 TI 公司的 MSP430FG4619 單片機(jī)為處理核心，它是一款超低功耗的混合信號(hào)處理器 。MSP430FG4619 內(nèi)部的 DAC12 周期性地輸出 2 路 100 Hz 占空比 1：4 的脈沖 ，被點(diǎn)亮的信號(hào)，由光電接收器將其傳遞到單片機(jī)內(nèi)部的OA 放大器進(jìn)行放大，緊接著進(jìn)入A/D 進(jìn)行采樣。DAC12 根據(jù) A/D 采樣信號(hào)的大小調(diào)節(jié)光源驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)度 ；整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)通過電源模塊TPS62007DGS 進(jìn)行能量供應(yīng)，單片機(jī)輸出的信息一方面通過OLED 顯示模塊顯示，另一方面通過無線通信模塊CC2500 傳遞信息到PC 端。另外還選取了外部接口串口調(diào)試和TAG 下載接口進(jìn)行信息輸出。該設(shè)計(jì)降低了光源的不穩(wěn)定性，增加精度及可靠性。由此可以開始進(jìn)行周期及幅值的分析進(jìn)而計(jì)算出血氧飽和度。

這一應(yīng)用解決了電壓及供電等問題，如圖4所示系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

表1

圖4：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖5：系統(tǒng)軟件流程圖

圖6：光調(diào)制流程圖

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)共分為五個(gè)模塊，分別是主控程序模塊，無線通信模塊，信號(hào)調(diào)制模塊，信號(hào)處理模塊及顯示模塊，各個(gè)模塊間相互傳遞，各自控制，主控程序啟動(dòng)后，完成初始化功能，通過光調(diào)制、直流跟蹤與交流放大，數(shù)字濾波、計(jì)算血氧飽和度與心率，OLED 顯示及無線發(fā)送等過程，具體的系統(tǒng)流程如圖5所示。

光電傳感器的輸出信號(hào)是由兩部分組成的，分別是紅光和紅外光，也是交流分量和直流分量，其中直流分量占據(jù)的比例較大，交流分量也只占據(jù)了很小的一部分比例，只有5%左右。為了簡(jiǎn)便計(jì)算，需認(rèn)為兩路信號(hào)中的直流分量相同，這時(shí)就需要將其調(diào)到一個(gè)預(yù)設(shè)范圍，但是由于個(gè)體的不同，會(huì)出現(xiàn)一些差異，如信號(hào)微弱，此時(shí)就需要加強(qiáng)信號(hào)，即使如此信號(hào)也不會(huì)達(dá)到初始設(shè)定的閾值 ，既然不能達(dá)到初始設(shè)定的闕值，那就只能降低該值，這樣就能滿足要求，因此需要采用光調(diào)制這一方法，光調(diào)制的流程如圖6所示。

5 結(jié)束語

隨著人們對(duì)醫(yī)療的需求越來越高，脈搏血氧飽和儀的適用性也越來越受到人們的重視，因此儀器的精確性和便攜性顯得尤為重要。本文通過對(duì)比反射式和透射式兩種電路原理的血氧飽和測(cè)量?jī)x，得出了透射式的測(cè)量?jī)x的精確性更高，充分利用AVR 單片機(jī)豐富的內(nèi)部資源對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，具有良好的市場(chǎng)前景。