收稿日期: 2010- 06- 10
基金项目: 安徽省高等学校省级优秀青年人才基金资助项目
( 2010SQRL055)
作者简介: 张亚 ( 1978� ), 男, 安徽淮南人, 硕士, 讲师,主要研
究方向为信号检测与处理、嵌入式系统; 万遂人 ( 1953� ), 男,
教授, 博士生导师。
一种单片便携式脉搏血氧饱和度测量仪的研制
张 � 亚 1, 赵兴群2, 万遂人 2
( 1. 安徽理工大学 电气与信息
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
学院,安徽 淮南 � 232001; 2. 东南大学 生物科学与医学工程学院, 江苏 南京 � 210096)
摘要:根据红外光谱法血氧饱和度测量原理, 以 MSP430为开发平台,设计了一种便携式无线脉搏血氧
仪。设计中采用了一种新型的腕式血氧探头, 使用户佩戴和测量更加方便; 硬件设计上充分利用了单片
机内部的功能模块,使外围元件个数减到最少,功耗降到最低;软件设计上实现了信号调制、信号处理、
信息显示和无线通信等功能。实验样机的初步测量结果表明, 在安静的状态下血氧饱和度测量误差在
1%之内。
关键词:血氧饱和度; 便携式;红外光谱法; M SP430
中图分类号: R318. 6� � 文献标识码: A � � 文章编号: 1000- 8829( 2011) 06- 0001- 04
A Single�Chip Portable Pulsoxim eter Design
ZHANG Ya1, ZHAO X ing�qun2, WAN Su i�ren2
( 1. Schoo l of E lectrical and Inform ation Eng ineer ing, AnhuiUn ive rs ity o f Science and Techno logy, H ua inan 232001, Ch ina;
2. Schoo l o f B io log ica l Sc ience andM ed ica l Eng ineering, SoutheastUn iv ers ity, Nan jing 210096, Ch ina)
Abstract: Based on the infrared spectrum method in blood oxygen saturationm easuremen,t the imp lemen tation
of a po rtablew ireless pu lsox imeter using theM SP430 is demonstrated. A new periphera l probe wh ich is placed
on thew rist o f the body is adopted in design in order to fac ilitate them easuremen.t TheMCU interna lmodules
are fully used in hardw are design in order to keep the ex terna l components and the pow er consumption to a
m inimum. The functions such as signa lmodu la tion, signa l processing, informa tion display and w ireless commu�
n icat ion are realized in so ftw are design. The experim enta l resu lt ind icates that the blood oxygen saturation
measurement error is w ith in 1% in the qu iet env ironmen.t
Key words: b lood oxygen saturation; portab le; in frared spectrum m ethod; M SP430
� � 人体组织细胞维持正常新陈代谢的氧是通过血液
循环系统输送的, 血氧饱和度 [ 1] ( SpO2, b lood oxygen
saturation)是反映血液中氧含量的主要参数。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 [ 2]。
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 Cow orker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 N ellor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 N el�
lo r、Masimo、Ph ilips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 SpO 2检测的研究主要集中在血氧
探头结构的优化设计 [ 3]和信号萃取技术的创新性改
进 [ 4]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
�1�一种单片便携式脉搏血氧饱和度测量仪的研制
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 [ 5]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~ 700 nm和红外光 800~ 1000 nm
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
SpO 2 = A - BR + CR
2 ( 1)
式中, A、B、C为定标常数,可以由定标实验得到,
R =
VREDAC /VREDDC
V IREDAC /VIREDDC
( 2)
为两个波长的光吸收比率 [ 6- 7 ] , 其中, VREDAC为红光的
交流分量; VREDDC为红光的直流分量; V IREDAC为红外光
的交流分量; V IREDDC为红外光的直流分量。设计中选
用 940 nm红外光和 660 nm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� 系统的硬件设计
系统的硬件结构框图如图 1所示。系统选用 T I
公司的 MSP430FG4619单片机 [ 8]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 100 Hz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. 5 V的情况下将输出电
压稳定在 3. 3 V,用于给单片机、无线模块、探头模块、
OLED等电路供电。
图 1� 系统硬件结构图
1. 1� 探头及驱动电路
血氧饱和度探头中采用了双色的发光二极管
PD I�E833,它能发出波长分别是 660 nm和 940 nm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
DacR ed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。
图 2� 探头驱动电路
1. 2� OLED显示电路
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� 无线传输电路
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 [ 9] ,它通过
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
4线制 SPI接口与
微控制器实现数据通信, M CU 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。
�2� �测控技术 �2011年第 30卷第 6期
图 3� 显示模块与微处理器的接口
无线接收电路采用 T I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 CC2500 RF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� 系统的软件设计
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: 1 V, 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。
图 4� 系统软件流程图
2. 1� 光调制
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。
图 5� 光调制流程图
2. 2� 直流抑制与交流放大
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� 数字滤波
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 50 H z以上,而需
要得到的脉搏波的频率仅为 2 H z左右, 故采用了 FIR
低通滤波器。
具体设计中使用 M atlab中的 FDA too l进行 FIR低
通滤波器设计,相关滤波器参数为: 通带频率为 4H z,
通带内起伏 3 dB;止带频率为 12H z,止带衰减 80 dB;
采样频率 100 H z; 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。
�3�一种单片便携式脉搏血氧饱和度测量仪的研制
2. 4� 心率和血氧饱和度的计算
心率计算的依据是当采样频率为 100H z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
( samp les /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 Z 2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� 系统测试及实验结果
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。
图 6� 系统测量结果
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 6 s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 30 s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,并且情绪比较平和稳定。在这种情况下, 将
10个人的测量数据与定标样机进行了对比, 结果如表
1所示。
表 1� 测量数据与标准数据对比
测试人员 定标样机 SpO 2 /% 实验样机 SpO2 /%
1 98 97
2 99 99
3 98 97
4 98 98
5 97 96
6 99 98
7 97 96
8 97 96
9 96 95
10 98 98
4� 结束语
随着人们对医疗保健和疾病预防的重视, 便携式
医疗仪器渐渐成为家庭中必不可少的设备。设计以面
向家庭的无创脉搏血氧饱和度监测为导向,在血氧探
头的设计、系统的软硬件结构、脉搏波信号处理的方法
以及系统的便携性和可靠性等方面进行了研究, 完成
了脉搏血氧饱和度测量仪样机的研制,同时,实验的初
步结果表明了系统具备一定的测量精度和稳定性。
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