一種便攜式的脈搏血氧儀設計

摘 要：隨著可穿戴便攜式健康醫(yī)療設備的普及，本文介紹一種便攜式脈搏血氧儀設計。

關鍵詞：脈搏血氧儀

中圖分類號：TH776 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 10-0000-01

脈搏血氧儀以非介入方式測量血液中的含氧量，該設備普遍運用在醫(yī)院等醫(yī)療機構監(jiān)控病人的體征情況。隨著科技的發(fā)展，越來越多的健康醫(yī)療設備出現(xiàn)在民用消費領域，脈搏血氧儀就是其中一種。本文根據(jù)目前現(xiàn)況，介紹一種便攜式脈搏血氧儀設計

一、脈搏血氧儀的基本原理

血液看上去是紅色的液體，是因為在血漿中懸浮著無數(shù)紅色細胞（紅血球），肉眼看才會呈現(xiàn)出紅色。紅血球的這種紅色其實是紅血球中稱為血紅蛋白的色素顏色，血紅蛋白與氧氣結合后會變成鮮艷的紅色。脈搏血氧儀通過觀察動脈血的紅色程度，測出氧飽和度（與氧氣結合的血紅蛋白比例）。

圖1是吸光度曲線，表示在與氧氣結合的血紅蛋白（HbO2）和釋放氧氣的血紅蛋白（Hb）中，能大量吸收哪種光。橫軸表示光的波長。圖1顯示對于紅光，HbO2明顯比Hb不容易吸收，而對于紅外光，HbO2和Hb吸收相似。

與氧氣結合的血紅蛋白（HbO2）呈紅色，這是因為只是紅光不太被吸收而通過的緣故。即，HbO2對紅光的吸光度低。另一方面，釋放氧氣后的血紅蛋白（Hb）變?yōu)樯钌＿@是因為大量吸收光的緣故。紅光（R）照射到血液后，如果血紅蛋白和氧氣更多結合，相應的大量紅光線穿過手指，于是傳感器所接收的紅光量增多。不管血紅蛋白與氧氣結合與否，紅外光（IR）均會穿過血液，沒有太大改變。

脈搏血氧儀前端采集原理就是，是紅光和紅外光同時向手指發(fā)光，另一側的光傳感器接受并記錄光的強度。如果HbO2增加而Hb減少，傳感器所接收的紅光（R）將會增多，而紅外光（IR）則沒有太大變化。與此相反，則紅光（R）減少，紅外光（IR）仍然沒有太大變化。當知道傳感器所接收的R/IR的比率，便可明確HbO2與Hb的比率，即氧飽和度。根據(jù)血液流動的脈沖特性，還能在測量周期中確定脈搏速率和強度。

二、系統(tǒng)設計

如圖2所示，本系統(tǒng)以MSP430F5529為MCU（Micro Control Unit）主控方案，光電傳感器把檢測到的信號通過前置放大器傳輸給MCU。MCU通過內部運算得到血氧飽和度，脈搏速率和強度等體征數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)能直接在LCD上顯示，并且能通過藍牙發(fā)送到其他終端。

（一）主控MCU的選型

TI公司的MSP430F5529是16位超低功耗的微處理器，主頻高達25MHz，并具有128KB FLASH和8KB RAM，能輕松處理采集的數(shù)據(jù)并且保持超低功耗。由于系統(tǒng)運行時打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0～LPM4）。在等待方式下，耗電為0.7uA，在節(jié)電方式下，最低可達0.1uA。這對采用紐扣電池或者低容量小電池的可穿戴設備有極為重要的意義，這樣能延長整個設備的工作和待機時間。該芯片還有SPI，I2C和USB等豐富的外圍接口，方便數(shù)據(jù)輸出和顯示。

（二）數(shù)據(jù)集模塊設計

光源和光電傳感器可以采用OSI公司的脈搏血氧專用雙LED-匹配光敏二極管對管（Dual Emitter/Matching Photodetector Series）DLED-660/905-LLS-3和PIN-4.0-LLS。這樣可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

TI公司的AFE4490集成前置放大器和LED驅動，這是一款專門為脈搏血氧儀設計的芯片，包含一個具有22位模數(shù)轉換器（ADC）的低噪音接收器通道，一個LED傳輸部件和針對傳感器以及LED故障檢測的診斷功能，只要一個SPI接口就可以同MSP430F5529通信，TI公司還提供脈搏血氧的相關算法和數(shù)據(jù)包，提升系效率同時也提高系統(tǒng)的集成度。低功耗的100μA+平均LED電流，能確保系統(tǒng)的低功耗。

（三）數(shù)據(jù)輸出模塊設計

由于MSP430F5529有豐富的外圍接口，可以根據(jù)實際的項目采用不同LCD模塊。藍牙芯片使用TI公司的CC2564，是因為其支持藍牙4.0雙模式（BR/EDR/LE）協(xié)議，并且內置了高級電源管理，可以延長電池壽命。免專利費的藍牙協(xié)議棧及各種配置文件預集成在MSP430內部，降低的藍牙開發(fā)的難度。

三、結束語

隨著電子技術的快速發(fā)展，脈搏血氧儀正受益于從昂貴的分立元件解決方案轉向更高集成度的設計。讀者可以基于以上設計，根據(jù)自己項目的實際需求，增減系統(tǒng)的模塊。

參考文獻：

[1]Dr.Neil Townsend，Medical Electronics.Michaelmas Term，2001.

[2]MSP430F4xx Family User's Guide.

[作者簡介]談海云（1984-），男，本科，現(xiàn)就職于惠州三星電子有限公司，從事便攜式數(shù)碼產品的研發(fā)工作。