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1、5.1脉搏血氧测量的意义,血氧饱和度就是指血液中氧合血红蛋白的容量占全部可结合血红蛋白的百分比，即血液中血氧的浓度。 现在大多采用血氧饱和度（blood oxygen saturation，）来估计血红蛋白的携氧能力。,第五章 脉搏血氧仪设计,血氧饱和度的检测手段分为有创测量和无创测量两种。 脉搏血氧仪提供了以无创方式测量血氧饱和度或动脉血红蛋白饱和度的方法,5.2 脉搏血氧法基本测量原理,脉搏血氧测量法是基于朗伯-比尔定律（Lambert-Beer law），通过无创伤血氧饱和度测量的模型和光学脉搏容积描记法建立动脉组织的模型实现血氧饱和度的测量方法。,测量原理,要想测量血液中多种物质的含量
2、，所使用的光波长种类数必须至少等于物质的种类数。由于血氧饱和度主要由血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白的含量决定，使用两种光线便可以测量血氧饱和度。,测量原理,图5-1 氧合血红蛋白（HbO2）和血红蛋白（Hb）的光吸收曲线,测量原理,计算血氧饱和度公式：,测量原理,图5-2 光电检测器获得的信号的成分,脉搏波传感器接收的信号中包含着两种成分，分别以直流（DC）和交流（AC）的形式存在，可用电路的方法加以区分，以获得动脉波动的血液信号和参考直流信号。,测量原理,测量原理,考虑到透射光中交流成分占直流成分的百分比远小于1的数值，使用级数展开公式，则有：,测量原理,测量原理,由于不同个体和不同部位的
3、光吸收不同，一般使用标准化后的比值进行计算，即先求两种波长形成的脉动分量与直流分量的比值（AC/DC），直至标准化，再求红光RD和红外光IR吸收系数交流分量的比值。R和SO2之间呈线性关系，可以用线性回归方法求出待定系数A和B。,仪器结构,脉搏血氧仪所用的探头使用时是套在手指上的，如图所示。,5.3 脉搏血氧仪的硬件结构,5.3.1 总体设计方案与系统构成 血氧仪测量过程设计为全自动测量，开机后测量自动进行，因此脉搏血氧仪的输入设备包括一个电源按键，同时也是启动测量按键，输出部分包括一个数据显示装置。电源关闭采用软件关断方式。,系统主要分为驱动和检测两大部分。,总体设计方案,图2-4 脉搏血氧
4、仪的组成模块,传统仪器结构,总体设计方案,图2-5脉搏血氧饱和度检测典型电路结构框图,总体设计方案,采用现代微处理器和集成电路技术来简化硬件电路结构如图,图5-6 光频转换测量系统总体结构图,5.3.2 光源及其驱动电路的设计,图5-7 使用逻辑门实现软开关,5.3.2 光源及其驱动电路的设计,光电元件选择的首要问题是波长，发光管和接收管的选择都需要对所选波长有好的频率响应。 对于发光管来说，需要注意的发光强度、所需的驱动电流和管压降，其中驱动电流是设计驱动电路的首要因素。发光管的带宽很窄，选择时要注意应尽量使峰值波长与所需波长一致，否则会因为频率响应的迅速下降降低光电转换效率，从而引起较大功
5、耗。,光电接收管都有一个较宽的平坦的频率响应曲线，因此光电转换效率和接收管的噪声水平是较重要的考虑因素，光电管的等效噪声功率是光电测量精度的重要影响因素，噪声越低，测量能达到的精度越高。 为了消除环境光干扰必须在系统设计中采用光调制技术，,综合系统的电路设计和价格等因素，在光源设计中选定波长为660nm和940nm的发光二极管LED，其性能足以满足本系统的需要。 双波长发光二极管（红光和红外光 LED）的驱动电路如图,图5-8 发光二极管驱动电路的设计,5.3.3 数据采集电路,通过放大电路和低通滤波电路即可实现脉搏信号的提取，如图,图5-9 交直流分量分离电路,5.3.4 显示器模块及其驱动
6、电路设计,在血氧仪中选择RSG13238096FH003彩色的OLED屏，点阵大小为128*96，最高支持262K色，支持8位、16位、18位数据输入。内含128*96*18 bit静态存储器。我们采用8位数据输入，其接法为典型接法。,图5-10 单片机与OLED管脚连接图,图5-11 OLED驱动电路设计,5.3.5 外接存储设备设计,图5-13 外接存储器设计,5.4 基于MSP430的主控系统设计,5.4.1 MSP430的特点 MSP430 系列单片机是一个16 位的单片机，采用了精简指令集（ RISC ）结构，具有丰富的寻址方式、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存
7、器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns，这些特点保证了可编制出高效率的源程序。,MSP430单片机型号,MSP430单片机家族型号繁多，TI公司用3或4位数字表示型号，其中第一位数字表示大系列。目前有4个大系列：带有液晶驱动器的MSP430F4系列单片机、不带液晶驱动器的MSP430F1系列单片机、16MIPS高速MSP430F2系列单片机、一次性写入（OPT）型低价MSP430C系列单片机。,MSP430单片机型号,在每个大系列中，又分若干子系列，单片机型号中的第二位数字表示子系列号，一般子系列号越大，
8、所包含的功能模块越多。最后1或2位数字表示存储容量，数字越大表示RAM或ROM容量越大。,MSP430单片机型号,MSP430家族还有针对热门应用而设计的一系列专用单片机，这些单片机都是在同型号的通用单片机上增加专用模块而构成，如MSP430FG4系列医疗仪器专用单片机在F4系列上增加了可编程差动放大器。,MSP430FG437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。,5.4.2 单片机需要完成的任务
9、和设计过程,图5-14 MSP430F437与外围设备连接图,图5-15 红光、近红外光光源调制时序图,5.4.3 系统软件设计,1 主程序 （1）探头脱落检测的方法 （2）考虑到实时性的要求，对运动伪差干扰的处理采用阈值判别法。 （3）容积脉搏波检出采用5点差分来识别脉搏波上升支。 （4）采用近似法中的峰值法来计算氧饱和度 ，然后查定标曲线确定氧饱和度。,图5-16 主程序流程图,2 定时中断服务程序,图5-17 中断服务程序流程图,5.5 低功耗电源设计,5.5.1 电源芯片技术现状 不同的电源管理方式可以通过相应的电源芯片，结合极少的外围元件，就能够实现。可见，使用电源管理芯片是提高整机性能的必不可少的手段。,5.5.2 锂电池充电管理设计,图5-18电源管理模块框图,图5-19电池充电管理电路设计,5.6 血氧仪校正方法,5.6.1 血氧仪标定方法 使用这种传统方法获取脉搏血氧仪经验定标曲线存在以下两个问题。 第一，低血氧饱和度段定标曲线合理性。 第二，志愿受试者的健康损害。,5.6.2 脉搏血氧仪的噪声分析 （1） 环境光对脉搏传感器测量的影响 （2） 电磁干扰对脉搏传感器的影响 （3） 测量过程中运动噪声,
