摘  要： 主要介紹了一種無創(chuàng)便攜式脈搏血氧飽和度測(cè)量儀的軟硬件設(shè)計(jì),。該測(cè)量儀以單片機(jī)為主控制核心,，采用DS-100A作為血氧飽和度的檢測(cè)探頭,，利用主控制芯片對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,，若實(shí)時(shí)檢測(cè)的人體數(shù)據(jù)信號(hào)與設(shè)定值相差較大,，則觸發(fā)SIM900A模塊進(jìn)行短信報(bào)警,。該系統(tǒng)在無創(chuàng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上額外增加了短信報(bào)警功能,，更為人性化。

　　關(guān)鍵詞： 血氧飽和度,；無創(chuàng)便攜,；短信報(bào)警

0 引言

　　血氧飽和度是判斷人體呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)是否出現(xiàn)障礙,、周圍環(huán)境是否缺氧的重要指標(biāo),。傳統(tǒng)的測(cè)量血氧飽和的方法是先進(jìn)行人體采血，通過血?dú)夥治鰞x進(jìn)行電化學(xué)分析來測(cè)出血氧分壓PO2后計(jì)算出血氧飽和度,。該方法既不能進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),，還麻煩。近幾年來,，紅外光譜光電法在無創(chuàng)式測(cè)血氧飽和度的應(yīng)用方面已經(jīng)取得較大的成功,，通過測(cè)定透過組織床的光傳導(dǎo)強(qiáng)度，來計(jì)算血氧飽和度,。

　　與現(xiàn)有的血氧飽和度測(cè)量方法相比較,，本文方法有以下特點(diǎn)[1]：（1）便攜式設(shè)計(jì)，體積??；（2）連續(xù)無創(chuàng)傷地監(jiān)測(cè)動(dòng)脈血氧飽和度；（3）實(shí)時(shí)測(cè)量人體血氧飽和度,，若測(cè)量的數(shù)據(jù)超過或低于正常值,，系統(tǒng)將進(jìn)行短信報(bào)警。

1 脈搏血氧飽和度測(cè)量原理

　　脈搏血氧飽和度測(cè)量原理是通過光電檢測(cè)技術(shù)將線性變化的血氧濃度和非線性變化的脈搏這兩者的物理量進(jìn)行數(shù)字化,，然后進(jìn)一步處理實(shí)現(xiàn)對(duì)血氧飽和度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),，且進(jìn)行異常短信報(bào)警。由于人的手指是一個(gè)混合組織,，當(dāng)紅光和紅外光透過手指時(shí),，身體上的很多部位諸如皮膚、肌肉,、骨骼,、毛細(xì)血管、靜脈血管和心臟舒張期的動(dòng)脈血會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恒定的吸光系數(shù)A,。由于心臟搏動(dòng),，動(dòng)脈血充盈會(huì)引起血管容積變化繼而形成脈動(dòng)量的變化，由此產(chǎn)生變化的?駐A,。當(dāng)用兩種特定波長的恒定光λ1,、λ2照射手指時(shí)，運(yùn)用Lambert-Beer定律可推導(dǎo)出[2-3]：

　　其中,，１,、１是對(duì)應(yīng)于λ1波長的Hbo2,、Hb的吸光系數(shù)，A１是λ1的吸光度變化量,。2,、2是對(duì)應(yīng)于λ2波長的Hbo2、Hb的吸光系數(shù),，A2是λ2的吸光度變化量,。一定波長的光和一定的透射物的吸光系數(shù)是個(gè)確定的量，即１,、１,、2,、2為常量,。要使式（1）中的Sao2和Hbo2之間呈近似線性關(guān)系，需適當(dāng)選擇,，其表示為：

　　其中,，Q為兩種波長（Hbo2、Hb）的吸光度變化之比,；a,、b為儀器常數(shù)，與傳感器結(jié)構(gòu)以及測(cè)量條件有關(guān),，通過定標(biāo)方法得出a,、b常數(shù)。光源采用了兩種不同波長的紅光和紅外光,，其管芯經(jīng)特殊的封裝和PIN型光敏管組成了透射式夾指?jìng)鞲衅?。發(fā)光管的峰值分別為λ1=660 nm（紅光），λ2=940 nm（紅外）,，由單片機(jī)控制雙脈沖發(fā)送使兩發(fā)光管按順序交替工作[1],。光敏管檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)調(diào)制放大，解調(diào)分離電路分別檢出由紅光和紅外光產(chǎn)生的信號(hào)送單片機(jī)A/D口進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理,。信號(hào)的測(cè)量過程如圖1所示,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　血氧飽和度是本系統(tǒng)最重要的探測(cè)參數(shù)。光電傳感器接收交替發(fā)出的紅光和紅外光,，所得數(shù)據(jù)在經(jīng)過電路轉(zhuǎn)化以及算法運(yùn)算最終得到被測(cè)者的血氧飽和度,。

　　圖2所示是本系統(tǒng)的硬件流程圖，該系統(tǒng)主要包括4個(gè)模塊：驅(qū)動(dòng)采樣模塊,、信號(hào)處理模塊,、控制處理模塊和報(bào)警模塊。

　　2.1 驅(qū)動(dòng)采樣模塊

　　圖3為血氧探頭傳感器與接頭的電氣連接圖,。驅(qū)動(dòng)采樣模塊分為驅(qū)動(dòng)部分和采樣部分,，本系統(tǒng)采用目前使用最廣泛的一種探頭DS-100A,。RID為特征電阻，R為紅色發(fā)光二極管,，IR為紅外發(fā)光二極管,，PD為光敏二極管。PD的兩個(gè)接口連接AD623放大芯片[4],。

　　圖4所示為H橋型電路,，使紅光和紅外光交替以得到所要的數(shù)據(jù)，H橋型驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)了紅光發(fā)光二極管和紅外發(fā)光二極管的交替閃爍,。人體的脈搏信號(hào)和血氧信號(hào)分別由紅光和紅外光來檢測(cè),，但在測(cè)量過程中存在許多變量，如人體的血氧信號(hào)是線性變量,，而且人體在劇烈運(yùn)動(dòng)后的脈搏頻率與平靜狀況下也是不同的,，大約在4 Hz。H橋型驅(qū)動(dòng)電路能提供一個(gè)滿足條件的采樣頻率,，采樣出兩個(gè)完整的信號(hào),。

　　2.2 信號(hào)處理模塊

　　圖5為信號(hào)處理模塊的流程原理圖，前后分別經(jīng)過前置放大電路,、信號(hào)分離電路,、低通濾波電路、高通濾波電路,、A/D轉(zhuǎn)換電路最終得到需要的數(shù)字信號(hào)[5],。

　　2.2.1 前置放大電路

　　AD623的交流共模抑制比隨增益的增大而增大，因而能保持最小誤差,。通過改變正負(fù)端的電阻來改變?cè)鲆?，R2=510 ，R3=510 ,，R1=1 k,，R4=5 k，增益為20倍,。AD623能最大限度地實(shí)現(xiàn)低失調(diào),、高輸入阻抗的功能。圖6為前置放大電路的具體原理圖,。

　　2.2.2 信號(hào)分離電路

　　信號(hào)分離電路采用四雙向模擬開關(guān)CD4066,，作模擬或數(shù)字信號(hào)的多路傳輸。CD4066中4個(gè)獨(dú)立模擬開關(guān)的控制端由單片機(jī)的接口控制,，控制端加高電平時(shí)開關(guān)導(dǎo)通,，其導(dǎo)通電阻為幾十歐姆；當(dāng)控制端加低電平時(shí)開關(guān)截止，截止時(shí)呈高阻抗,，視為開路,。每個(gè)模擬開關(guān)的另外兩個(gè)輸入輸出端可互換。信號(hào)分離電路如圖7所示,。

　　2.2.3 低通濾波電路

　　圖8為典型的四階有源低通濾波器,。第一級(jí)放大濾波部分由兩級(jí)RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運(yùn)放電路組成，第一級(jí)濾波電路的通帶增益為,，R4=      1 k,，R3=5 k；第二級(jí)放大電路即為同相比例運(yùn)算電路,，通帶增益為,，R6=4.7 k，R5=1 k,。兩級(jí)放大總的增益為Au=Au1*Au2=6,。截止頻率，C1=C2=0.1 F,，即截止頻率為20 Hz,。

　　2.2.4 高通濾波電路

　　圖9為有源高通濾波的具體原理圖。它由一級(jí)RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運(yùn)算電路組成,，電容C1接至輸入端，引入正反饋改善幅頻特性,。濾波電路的通帶增益為,，電阻WRX為調(diào)零電阻，截止頻率,，R1=1 M,，C1=C2=1 F，即截止頻率取0.01 Hz,。

　　2.2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路

　　在A/D轉(zhuǎn)換電路中,，采用高速串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7888。經(jīng)放大電路輸出后的信號(hào),，將其與A/D轉(zhuǎn)換電路相連,，由于信號(hào)已經(jīng)被控制在0~5 V之間，所以可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào),。

　　AT89C52單片機(jī)需要設(shè)置地址,、數(shù)據(jù)及控制信號(hào)以便更好地與AD7888配套使用。用其中的一個(gè)I/O端口產(chǎn)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的串行時(shí)鐘,，一個(gè)I/O端口寫入控制字,，一個(gè)I/O端口控制片選信號(hào)，一個(gè)I/O口接收數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)。

　　2.3 控制處理模塊

　　控制處理模塊為單片機(jī)最小系統(tǒng),。本系統(tǒng)采用的單片機(jī)型號(hào)是AT89C52,，它是一個(gè)低電壓、高性能COMS8位單片機(jī),，片內(nèi)含8 KB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,。圖10為同步時(shí)序控制電路時(shí)序信號(hào)圖，通過單片機(jī)編寫程序定時(shí)觸發(fā)脈沖信號(hào)到H橋電路使紅光和紅外光交替發(fā)射,。

　　2.4 GSM報(bào)警模塊

　　本系統(tǒng)使用SIM900A模塊[6],，雙頻GSM/GPRS模塊，其無線收發(fā)模塊的類型采用完全SMT封裝,。本文設(shè)計(jì)的GSM的短信傳輸模式,，其數(shù)據(jù)采集硬件部分通過AT89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理等功能，處理采集的信號(hào),，若此血氧飽和度不在正常范圍內(nèi),，則將此信息發(fā)送到測(cè)量者手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程報(bào)警,，并能第一時(shí)間采取醫(yī)療措施,。

　　當(dāng)采集卡上電復(fù)位后，驅(qū)動(dòng)軟件初始化主控芯片的端口,、串口波特率,、EEPROM中的固定參數(shù)、GSM通道設(shè)置以及模塊串口設(shè)置,。初始化后的主控芯片每隔一段時(shí)間判斷是否有來自遠(yuǎn)程終端或手機(jī)短信預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令接口,。當(dāng)然外部也有時(shí)鐘電路定時(shí)每分鐘觸發(fā)中斷信號(hào)，然后由此開始采集傳感器中已獲取的數(shù)據(jù)值,。當(dāng)有命令傳來,，無線發(fā)送模塊就將組建好的信息報(bào)文通過串口傳送出去。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　圖11為系統(tǒng)軟件流程圖,。血氧檢測(cè)模塊軟件包括A/D轉(zhuǎn)換,、自動(dòng)增益調(diào)節(jié)、血氧飽和度計(jì)算,。定時(shí)器每隔10 ms產(chǎn)生一次中斷來控制發(fā)光二極管分時(shí)發(fā)光,，對(duì)信號(hào)處理后的光信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，這樣就能根據(jù)光電信號(hào)的交直流成份之比,，計(jì)算出血氧飽和度,。

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

　　系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖12所示。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的是一種基于GSM無創(chuàng)便攜式血氧飽和度監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng),。該系統(tǒng)成本低,、電路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定簡(jiǎn)單、系統(tǒng)維護(hù)方便、測(cè)量精確,，這樣的醫(yī)療保健設(shè)備適用于中老年群體,。在老齡化日益嚴(yán)重的今天，本系統(tǒng)有著非常廣泛的應(yīng)用前景和廣闊的市場(chǎng),。

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