摘  要： 主要介紹了一種無創(chuàng)便攜式脈搏血氧飽和度測量儀的軟硬件設(shè)計(jì)。該測量儀以單片機(jī)為主控制核心，采用DS-100A作為血氧飽和度的檢測探頭，利用主控制芯片對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理，若實(shí)時檢測的人體數(shù)據(jù)信號與設(shè)定值相差較大，則觸發(fā)SIM900A模塊進(jìn)行短信報警。該系統(tǒng)在無創(chuàng)實(shí)時監(jiān)測的基礎(chǔ)上額外增加了短信報警功能，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)時的監(jiān)測，還麻煩。近幾年來，紅外光譜光電法在無創(chuàng)式測血氧飽和度的應(yīng)用方面已經(jīng)取得較大的成功，通過測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?。唬?）連續(xù)無創(chuàng)傷地監(jiān)測動脈血氧飽和度；（3）實(shí)時測量人體血氧飽和度，若測量的數(shù)據(jù)超過或低于正常值，系統(tǒng)將進(jìn)行短信報警。

1 脈搏血氧飽和度測量原理

　　脈搏血氧飽和度測量原理是通過光電檢測技術(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)對血氧飽和度的實(shí)時監(jiān)測，且進(jìn)行異常短信報警。由于人的手指是一個混合組織，當(dāng)紅光和紅外光透過手指時，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脈血會產(chǎn)生一個恒定的吸光系數(shù)A。由于心臟搏動，動脈血充盈會引起血管容積變化繼而形成脈動量的變化，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，運(yùn)用Lambert-Beer定律可推導(dǎo)出[2-3]：

　　其中，１、１是對應(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傳感器。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]。光敏管檢測到的信號經(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)生的信號送單片機(jī)A/D口進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。信號的測量過程如圖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個模塊：驅(qū)動采樣模塊、信號處理模塊、控制處理模塊和報警模塊。

　　2.1 驅(qū)動采樣模塊

　　圖3為血氧探頭傳感器與接頭的電氣連接圖。驅(qū)動采樣模塊分為驅(qū)動部分和采樣部分，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。人體的脈搏信號和血氧信號分別由紅光和紅外光來檢測，但在測量過程中存在許多變量，如人體的血氧信號是線性變量，而且人體在劇烈運(yùn)動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)動電路能提供一個滿足條件的采樣頻率，采樣出兩個完整的信號。

　　2.2 信號處理模塊

　　圖5為信號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[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)端的電阻來改變增益，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 信號分離電路

　　信號分離電路采用四雙向模擬開關(guān)CD4066，作模擬或數(shù)字信號的多路傳輸。CD4066中4個獨(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)控制端加低電平時開關(guān)截止，截止時呈高阻抗，視為開路。每個模擬開關(guān)的另外兩個輸入輸出端可互換。信號分離電路如圖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。第一級放大濾波部分由兩級RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運(yùn)放電路組成，第一級濾波電路的通帶增益為，R4=      1 k，R3=5 k；第二級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，將其與A/D轉(zhuǎn)換電路相連，由于信號已經(jīng)被控制在0~5 V之間，所以可將模擬信號轉(zhuǎn)換為便于單片機(jī)處理的數(shù)字信號。

　　AT89C52單片機(jī)需要設(shè)置地址、數(shù)據(jù)及控制信號以便更好地與AD7888配套使用。用其中的一個I/O端口產(chǎn)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的串行時鐘，一個I/O端口寫入控制字，一個I/O端口控制片選信號，一個I/O口接收數(shù)字信號數(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)型號是AT89C52，它是一個低電壓、高性能COMS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8 KB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器。圖10為同步時序控制電路時序信號圖，通過單片機(jī)編寫程序定時觸發(fā)脈沖信號到H橋電路使紅光和紅外光交替發(fā)射。

　　2.4 GSM報警模塊

　　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)信號的處理等功能，處理采集的信號，若此血氧飽和度不在正常范圍內(nèi)，則將此信息發(fā)送到測量者手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程報警，并能第一時間采取醫(yī)療措施。

　　當(dāng)采集卡上電復(fù)位后，驅(qū)動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)請求命令接口。當(dāng)然外部也有時鐘電路定時每分鐘觸發(fā)中斷信號，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。血氧檢測模塊軟件包括A/D轉(zhuǎn)換、自動增益調(diào)節(jié)、血氧飽和度計(jì)算。定時器每隔10 ms產(chǎn)生一次中斷來控制發(fā)光二極管分時發(fā)光，對信號處理后的光信號進(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)控報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)成本低、電路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定簡單、系統(tǒng)維護(hù)方便、測量精確，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。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[3] 陳丹，王晶，陳揚(yáng)美，等.基于GSM便攜式人體生理信號監(jiān)控報警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件，2013，36（1）：132-137.

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