具有無線傳輸功能的腕戴式血氧采集系統設計

王建林， 孫 佳， 姜子庠

(1. 上海東海職業技術學院 數字傳媒系， 上海 200241；2. 上海交通大學 電子信息與電氣工程學院， 上海 200240； 3. 上海電力科技園股份有限公司， 上海 200082)

具有無線傳輸功能的腕戴式血氧采集系統設計

王建林1， 孫 佳2， 姜子庠3

(1. 上海東海職業技術學院 數字傳媒系， 上海 200241；2. 上海交通大學 電子信息與電氣工程學院， 上海 200240； 3. 上海電力科技園股份有限公司， 上海 200082)

介紹了基于MSP430FG439的脈搏血氧儀設計與實現。通過對系統需求的分析，完成了血氧儀所需的信號采集、信號處理部分硬件設計，搭建了以MSP430為核心的具有多功能血氧檢測模塊。該血氧儀的特點：采用一個外圍探頭結合MSP430 MCU進行信號采集和處理；具有良好的人機界面，可在OLED屏上實時顯示心跳脈動波形和人體血氧含量；具有檢測手指是否夾入和根據心率和血氧進行報警；集成基于文件系統的SDHC存儲卡，可以將運行參數實時記錄存儲。經過該血氧儀的設計流程，可以進行有關電力電子以及嵌入式開發等一系列的實驗設計。

脈動式血氧儀; SD卡驅動; 文件系統; MSP430FG439

0 引 言

血氧飽和度作為人體第五大重要的生理健康指標，能反映人體呼吸功能以及含氧量，對于新生兒、孕婦以及老人的健康監護有著重要的作用。而隨著近年來空氣質量的下降，該指標變得越來越受到重視。通常情況下，人體血氧量的監控是通過血氧儀來實現的。通過測量氧氣水平和心率，血氧儀可以在低于預設水平時發出警報聲。血氧儀可以用于對運動健康提供科學參考和心臟病、高血壓等患者的健康監護儀器。但是，目前的血氧儀都不便于隨身攜帶，而且功能較為單一，并不能切實地做到實時監控人的健康狀態。

本文設計了基于MSP430FG439，低成本、便攜式的血氧儀。實現了方便攜帶、快速測量，安全報警，運動檢測以及便攜存儲等一系列功能。

1 系統方案

1.1 理論基礎

SaO2為血氧含量，定義為氧合血紅蛋白水平和總的血紅蛋白水平(包含含氧和貧氧血紅蛋白)的比例，即：

身體組織對光吸收總量的不同，依賴于身體組織的氧含量，所以，身體的含氧量可以通過先測量兩種頻率的光分別通過身體后的強度，再計算這2個強度間的比率得到[1-4]，通過采樣技術提高測量精度[5-7]。

本設計采用的兩種頻率的光分別為波長660 nm的可見紅光和波長940 nm的紅外光，通過2個發光二極管交替閃爍，2種光分別通過電路達到測量的效果，測得數據后，計算公式如下：

其中：λ1和λ2分別代表使用的兩種光的波長;Iac為對應波長的交流電流值;R為中間參數，血氧飽和度SaO2正比于R。

在測量中有一個直流分量和一個交流分量。直流分量被看作是身體組織和靜脈吸收的結果;交流分量是動脈吸收的結果。

1.2 設計實現

圖1描繪了系統設計的結構圖[8]。主控制器使用MSP430[9-10]，探頭Probe中的2個LED燈以500次/s的速度時分復用，MCU通過GPIO和DAC0連接一個H橋，從而分別控制其內部LED燈的開關和光強。

圖1 系統設計的模塊圖

PIN二極管被不同的LED等交替激勵，輸出的信號交流分量被運算放大器OA0和OA1放大，直流分量被有效濾除。

2 系統硬件設計

2.1 信號采集與放大電路

設計中，信號采集部分主要參考了TI(美國德州儀器公司)的如下參考設計，如圖2所示。

圖2 信號采集與放大電路

2.2 OLED顯示與蜂鳴器

設計中，選用分辨率為128×64的OLED顯示屏進行本地顯示。同時配合一個有源蜂鳴器進行報警提示。

2.3 SDHC卡

設計中，采用了大容量高速度的SDHC卡，同時集成了文件系統，可以方便地讀取和存儲數據。同時，為了兼容其他存儲設備，將SPI接口進行引出。

3 系統軟件設計

3.1 系統的初始化

系統的初始化流程如圖3所示。

圖3 系統的初始化流程圖

3.2 系統中斷服務函數

系統中斷服務函數負責血氧儀模式下的血氧含量測量，其執行流程見圖4。

3.3 血氧飽和度計算方法

系統通過分時復用分別控制波長660 nm的可見紅光和波長940 nm的紅外光發光二極管閃爍[11-16]，再通過耳機方法電路對原始信號進行放大。同時在放大過程中分別濾除其直流分量，再通過數字濾波器進一步濾除直流信號。

圖4 系統中斷流程圖

最終，可以分別得到波長660 nm的可見紅光和波長940 nm的紅外光投射過人體后的交流分量，對該分量進行對比后即可得到人體血氧飽和度。流程如下：① 獲取可見紅光交流分量對數值；② 獲取紅外光交流分量對數值；③ 計算以上對數值的商，該商對應一個可以反映血氧含量的中間變量；④ 通過與標準血氧儀對比校準，確定③中獲取的中間變量對應的準確血氧儀，制定查詢表；⑤ 完成校準后，通過使用③中中間變量查表方式即可獲取血氧含量。

系統實物展示如圖5所示。

圖5 系統實物總體展示

4 結 語

基于MSP430FG439的便攜式血氧儀，可以方便攜帶和進行快速測量，當血氧值或心率低于預定安全范圍后將進行報警。另外，SD卡作為大容量的便攜存儲設備，可以應用于該系統。例如，可以記錄大量數據信息用于醫生對長期病情的監控掌握。

該血氧采集系統具有測試精度高、實時監測、便于攜帶、人機界面交互友好等特點。該系統實用性強，對人體的健康起到有力的保證作用，具有廣闊的前景。

[1] 劉俊微, 龐春穎, 徐伯鸞. 光電脈搏血氧儀的設計與實現[J]. 激光與紅外, 2014, 44(1): 50-55.

[2] 蒲莉娜, 潘頌欣, 林宛華, 等. 脈搏血氧飽和度測量精度的影響因素分析[J]. 中國醫療器械信息, 2010, 16(6): 11-15.

[3] 郭 萍, 于寶萍. 脈搏血氧儀定標曲線的研究[J]. 西安醫科大學學報, 2000, 21(2): 169-171.

[4] 孫衛新, 金 捷. 脈搏血氧儀的定標與校驗[J]. 國外醫學(生物醫學工程分冊), 1997, 20(2): 69-72.

[5] 李 國. 基于過采樣技術提高 ADC 分辨率的研究與實現[J]. 計算機工程, 2005, 31(7): 244-245.

[6] 張麗君. 過采樣技術及其在生物醫學信號檢測中的應用 [J]. 天津大學學報, 2008, 5(1). 212-231.

[7] 李 剛, 張麗君, 林 凌, 等. 基于過采樣技術的生物電信號檢測[J]. 電子學報, 2008, 36(7): 1465-1467.

[8] 邱云平, 伍寶玉. MPU-6050 模塊角度算法處理及在嵌入式中的應用[J]. 江西科技學院學報, 2014, 9(2): 26-29.

[9] Nisarga B. Revised pulsoximeter design using the MSP430[R]. Texas Instruments Application Report, 2010.

[10] Evelyn K A, Malloy H T. Microdetermination of oxyhemoglobin, methemoglobin, and sulfhemoglobin in a single sample of blood[J]. Journal of Biological Chemistry,1938,126(2): 655-662.

[11] Zijlstra W G, Buursma A, Meeuwsen-Van der Roest W P. Absorption spectra of human fetal and adult oxyhemoglobin, de-oxyhemoglobin, carboxyhemoglobin, and methemoglobin[J]. Clinical Chemistry, 1991, 37(9): 1633-1638.

[12] 戴君偉, 王博亮.光電脈搏傳感器的研制和噪聲分析[J]. 現代電子技術學,2001,22(1):94-95.

[13] 徐國棟, 駱清銘. 運動時的血乳酸與血紅蛋白飽和度關系的研宄——一種新型血紅蛋白含量測定法[J].武漢體育學院學報,2001, 35(3): 40-42.

[14] 李志艷, 楊 英, 徐學海.睡眠呼吸暫停指數與夜間血氧飽和度的相關關系[J].青海醫學院學報,2009, 30(1): 36-39.

[15] 于 巍,古 慶,李信政,等.無創傷脈搏血氧飽和度測量技術及進展[J].醫療設備信息,2007, 22(9): 49-52.

Design of Wrist-wearing Oxygen Acquisition System with Wireless Transmission Function

WANGJianlin1,SUNJia2,JIANGZiyang3

(1. Digital Media Department, Shanghai Donghai Vocational & Technical College, Shanghai 200241, China; 2. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 3. Shanghai Electric Power of Science Park Co., Ltd., Shanghai 200082, China)

This paper introduces the design and implementation of pulse oximetry based on MSP430FG439. Based on the analysis of the system requirements, the signal acquisition and signal processing hardware design of the oximeter are completed. The multi-functional blood oxygen detection module with MSP430 as the core is set up. The oximeter has features: a peripheral probe combined with MSP430 MCU is used to signal acquisition and processing; has a good man-machine interface, real-timely displays the OLED screen pulse waveform and human blood oxygen heart rate; and detects of finger clip. And according to heart rate and blood oxygen alarm which are integrated by file system-based SDHC memory card, one can run the real-time recording and storage parameters. The design of the oxygen meter can be carried out on the power electronics and embedded experiment design.

pulsoximeter; SDHC card; file system; MSP430FG439

2016-05-10

王建林(1957-)，男，上海人，講師，主要研究方向:軟件工程、遺傳算法。Tel.:021-64391764; E-mail:906857244@qq.com

TP 212.1

A

1006-7167(2017)02-0091-03