光电脉搏血氧仪的设计与实现

刘俊微，庞春颖，徐伯鸾

(长春理工大学生命科学技术学院，吉林长春130022)

1 引言

1972年Aoyagi构想了脉搏分光光度仪的原理，阐明了近代脉搏血氧计的基本模式，为后期无创脉搏血氧仪的设计打下了理论基础，在此后的15年里，脉搏血氧仪取得了更大的发展。1980年Minolta使用精密光学发展了OXIMET的同时以手指作为探测点，证明了脉搏血氧饱和度仪原理的正确性。1983年Nellcor发展了N－100，使用光发散二极管、光电二极管和微电脑，研制成便捷的脉搏血氧饱和度仪，拉开了现代血氧饱和度仪的发展序幕［1］。

光电血氧饱和度仪能够对患者生理参数进行实时测量，从起初的作为手术和麻醉时的生命体征监视器到如今的家用型血氧仪，脉搏血氧仪为人们疾病监测、预防提供了强有力的依据［2］。目前血氧仪的技术发展比较成熟，其总体趋向于微型化，即采集、处理与显示于一体，这种产品尽管在体积方面有了很大的优势，但是其数据采集与处理过程必然要受到体积大小上的制约，从而导致在一些程度上影响仪器的精确度［3－4］。尽管很多公司推出高精度、高稳定性产品，但是其昂贵的价格又让很多普通用户望而生畏。

本文设计一种基于STM32芯片的光电式脉搏血氧仪，该仪器结构分为信号采集、模拟信号处理以及系统核心三大部分构成，该系统可实现与上位机之间进行无线数据发送、报警功能，方便了医护人员监护的同时给患者提供了更广阔的活动空间。

2 系统总体设计方案

整个系统包括三个部分，即光电传感器部分、模拟信号处理部分、系统核心部分 (数字信号处理)，其原理框图如图1所示。首先，光电血氧探头完成对信号采集的功能并将采集到的信号传输至模拟信号处理电路;其次，模拟信号处理单元对接收到的信号进行I/V转换、采样、放大、滤波、电平抬升，并将处理后的四路信号(红光交流信号、红光直流信号、红外交流信号、红外直流信号)传输至系统核心处理单元STM32芯片;最后，STM32芯片将四路信号进行A/D转换，并实现对数据进行存储、分析、显示、报警判断、无线传输等功能。

图1 系统原理框图Fig.1 System functional block diagram

3 系统各模块的设计与实现

3.1 光电传感器

本设计中的传感器采用的是深圳迈瑞公司研制的成人指夹式光电血氧探头，该探头具有精度高、抗干扰性强、信号传输完整性高等特点。探头内含一个双向驱动的双波长LED作为发光元件，和一个光电二极管作为感光器件。其外观如图2(a)所示，内部结构如图2(b)所示。

图2 光电传感器Fig.2 Photoelectric sensor

从图2(b)可知，该血氧探头共有6个引脚用以控制信号采的采集、发送，各个引脚功能如表1所示。

表1 传感器引脚定义Tab.1 Sensor pin definition

探头采用两个波长的光信号共用同一个光电二极管，这就要求对光电二极管采用分时复用的工作方式，周期性点亮两个LED，来实现同时对两路光信号进行检测［5－6］在同一条传输线路上存在两种信号。为了得到两路独立的信号，就需要采用由与LED驱动脉冲同步的控制信号控制的采样保持(S/H)电路来实现信号的分离，分别得到红外和红光两路信号。上述的LED驱动脉冲和S/H电路控制信号由STM32芯片提供。各信号的时序图如图3所示。

图3 时序控制图Fig.3 Timing control chart

四组驱动脉冲从上至下分别标号为1，2，3，4。其中，1号脉冲为红光LED驱动脉冲，2号脉冲为红光采样控制脉冲，3号脉冲为红外LED驱动脉冲，4号为红外光采样控制脉冲，驱动脉冲高电平持续时间为5 μs，采样控制脉冲高电平持续时间为 3 μs，周期均为1 ms。

3.2 模拟信号处理单元

本部分主要完成的功能是对前端光电血氧传感器采集的信号进行处理，然后将处理后的数据结果发送至主控芯片，具体硬件结构如图4所示。

图4 模拟信号处理结构框图Fig.4 Analog signal processing structure diagram

由于光电二极管输出的信号为电流信号，需要变换为电压信号才能被后续电路处理。光电二极管工作在反向偏置状态，其结电阻较大，输出电流较小。所以选用了输入阻抗较高的运算放大器TL062芯片。

电流－电压变换电路输出的是两种光分时复用的信号，要将两种光的信号分离，就要在该部分电路中实现。该部分电路由两片LF398组成的两套采样保持电路，由STM32提供控制信号进行控制。该控制信号与LED驱动脉冲同步，当相应的LED点亮时，该控制信号控制其中一个采样保持器进行采样。其余时间，采样保持器都处于保持状态。

由于分离出来的交流信号很微弱，为了滤除直流分量和高频干扰，电路中采用两套相同的带通滤波器分别处理红光和红外信号。带通滤波器有高通和低通两部分组成，其中高通部分采用RC滤波网络，用来滤除直流分量，其截止频率为0.23 Hz。低通部分采用二阶低通滤波电路，其截止频率为0.48 Hz。低通滤波器频响特性如图5所示。

图5 低通滤波频响图Fig.5 Filter frequency response characteristics

从前面电路中获得的交流信号是双极性信号，为了无损失地用单极性A/D转换器进信号采集，就必须将交流信号加一直流偏置，保证信号在A/D转换器量程之内。

为实现无线传输功能，系统采用 TI公司的CC1101低功耗无线传输芯片 (如图6所示)，其发射功率可调，工作于433MHz频段免许可证使用，拥有着高抗干扰能力和低误码率，1200bps传输距离最大可达200m，为患者在医院内提供了足够的活动空间。

图6 无线数据收发单元Fig.6 Wireless data transceiver unit

电路调试板如图7所示。

3.3 系统核心处理单元

本设计从对血氧饱和度进行实时、连续检测以及脉搏血氧仪的成本、灵敏度、系统稳定性角度出发，采用了意法半导体公司研发的STM32增强型芯片作为系统的核心处理单元。STM32基于ARM Cortex－M3处理内核，最高工作频率 72 MHz，1.25DMIPS/MHz，内部256KB的Flash存储，2个12位的μs级A/D转化器(16通道)，4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器，低功耗。芯片如图8所示。STM32主要以软件方式完成A/D转换、对数据进行存储、分析、结果显示、报警判断、无线传输等功能。软件流程如图9所示。

图9 软件流程图Fig.9 Software flow pattern

在A/D转换方面，STM32的每个ADC模块通过内部的模拟多路开关，可切换到不同的输入通道并进行转换，完成对四路输入信号的A/D转换工作，其中转换精度为3.3/212≈0.8 mV。

在数据处理方面，血液在波长660 nm附近和900 nm附近反射之比(ρ660/900)最敏感地反映出血氧饱和度的变化，临床一般血氧饱和度仪(如泰嘉电子Taijia饱和度仪、脉搏血氧仪)也采用该比值作为变量。在光传导的途径上，除动脉血血红蛋白吸收光外，其他组织(如皮肤、软组织、静脉血和毛细血管血液)也可吸收光。但入射光经过手指或耳垂时，光可被搏动性血液和其他组织同时吸收，但两者吸收的光强度是不同的，搏动性动脉血吸收的光强度(AC)随着动脉压力波的变化而改变。而其他组织吸收的光强度(DC)不随搏动和时间而改变，由此，就可计算出在两个波长中的光吸收比率R［7－9］。

血氧饱和度的表示方法有两种，即功能饱和度(公式1)和自然饱和度 (公式2)，临床一般采用功能饱和度来计算血氧的含量［10］。

根据朗伯－比尔(Lambert-Beer)定律透射光强度I的计算方法如下:

其中，ε0为吸光系数;c0为光吸收物质浓度;L为光路径长度。当动脉搏动时光路会增加相应的透射光强变为:

IΔ=IDC－IAC，由于交流量 AC远小于之流量DC，那么对IΔ取对数后变形得到:

其中，λ1和 λ2分别为两束光波长就是上面所提到的R值。将公式(3)、公式(4)带入公式(1)，经过近似变形可以得到计算血氧的经验公式(5)。

则公式(5)可写成:

测量过程中，首先要测出两路交流分量的幅值(AC1、AC2)，然后将幅值除以相应的直流分量(DC1、DC2)。得到的两个结果做比得到R，式中的A、B系数和仪器的相关性较大，应该通过用标准仪器进行定标后得到。

当系统检测到测试者血氧饱和度的值超过所设定的正常范围时候，就会通过无线传输方式向上位机发出告警信号，软件中设定报警信号为连续发送3个16进制数值AA(防止发生误告警现象)。

4 实验结果及分析

本设计通过使用Fluke公司生产的Index2型血氧模拟仪进行多次试验，数据结果如表2和表3所示。

表2 血氧饱和度测试数据Tab.2 Test data of Oxygen saturation

表3 脉搏测试数据Tab.3 Test data of Pulse

从表中数据可以得知，当血氧饱和度处于60% ～80%时误差为3%，80% ～99%时误差为2%，脉率检测误差为±1bpm，达到了测量精度的要求。但是设计中仍然存在一些误差，其主要来自于两方面:

(1)模拟电路误差

主要体现在信号放大滤波电路。放大电路中会将少量干扰信号以有用信号的形式放大，直接导致增加部分干扰。尽管本设计中采用了高精度的滤波电路，但是仍然有一小部分的有用信号被滤除，导致了有用信号的衰减丢失。

(2)系统处理器A/D转换的精度误差

系统采用STM32芯片作为主控芯片，其主频高达72 MHz，能将模拟信号转换成12位数字信号，同比ATmega32芯片，STM32在 模数转换方面提高了很大的精确度，但是误差仍然存在。本设计显示结果如图10所示。

图10 设计结果显示Fig.10 Results of design

5 结论

本设计在结合当前主流脉搏血氧仪特点的同时，又加入了自己的设计理念。在系统硬件方面采用了高精度、抗干扰能力强的光电血氧探头，主体设计上采用的是可拆分式思想，即产品既可以单独佩戴使用，又可以嵌入监护仪作为血氧模块进行使用，同时还可以将采集数据或者报警信号以无线传输方式发送至上位机(工作站)，以便医护人员能够及时地掌握患者情况，因此，本设计中的光电脉搏血氧仪可同时作为家用型和医用型使用:一方面仪器本身带有SD卡存储功能，方便医务人员对患者的历史记录进行查阅;另一方面，仪器的无线数据传输功能方便了医护人员监护的同时，也给患者提供了更广阔的活动空间。

当然，系统仍有一些可升级、优化之处。本设计在硬件电路设计中对器件的选择采取的是性价比兼得的方法，这样必然会对仪器的精度产生一定影响，因此，如需提高仪器性能可采用更高精度的器件，另外在无线传输方面，可采用更高级的芯片以降低误码率。

本设计系统结构简单、成本低、操作方便、用途广泛。多次测试的结果表明，血氧饱和度测量范围可从60% ～100%进行精确测量，误差一般小于1%，脉率检测误差小于1%，其精度达到了国家标准要求，使得本设计具有较好的使用价值。

［1］ Liao Guojie，Zhang Zhiqiang，Gao bo，et al.A study on the reflective method for measuring oxygen saturation［J］.Chinese Journal of Light Scattering，2009，21(3):275 －277.(in Chinese)廖国杰，张志强，高博，等.反射式血氧饱和度检测方法的研究［J］.光散射学报，2009，21(3):275 －277.

［2］ Gao Bo，Wei Wei，Gong Min，et al.Near-infrared spectral study on blood oxygen saturation in multilayer tissue［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2009，29(11):2923 －2924.(in Chinese)高博，魏蔚，龚敏，等.利用近红外光谱检测多层组织血氧饱和度的研究［J］.光谱学与光谱分析，2009，29(11):2923－2924.

［3］ Tavakoli M，Turicchia L，Sarpeshkar R.An ultra-low-power pulse oximeter implemented with an energy-efficient transimpedance amplifier［J］.IEEE transactions on biomedical circuits and systems，2010，4(1):27 －38.

［4］ Liu Guangda，Guo Wei，Zhu Ping，et al.Blood oxygen saturation measurement based on volume signal analysis［J］.Laser＆ Infrared，2009，39(2):170 －172.(in Chinese)刘光达，郭维，朱平，等.基于容积波分析的血氧饱和度测 量 系 统［J］.激 光 与 红 外，2009，39(2):170－172.

［5］ Zhou Hongjian，Cai Guiyan.A calculation method for three-wavelength blood oxygen saturation measurement and its application［J］.Chinese Journal of Biomedical Engineering，2007，26(5):681 －683.(in Chinese)周洪建，蔡桂艳.三波长无创血氧饱和度测量算法及应用［J］.中国生物医学工程学报，2007，26(5):681－683.

［6］ Yang Tao，Lin Wanhua.Design of digital pulse oximeter with high resolution based on optical-frequency converter［J］.Beijing Biomedical Engineering，2011，30(1):74 －77.(in Chinese)杨涛，林宛华.基于光－频率转换器的高精度数字脉搏血氧仪的设计［J］.北京生物医学工程，2011，30(1):74－77.

［7］ Berkeley，CA.Wireless propagation and coexistence of medical body sensor networks for ambulatory patient monitoring［J］.International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks，2009(6):41 －45.

［8］ Lin Ling，Chen Yaqin，Li Gang.Study on quantitative measurement of muscle oxygenation using NIRS-model experiments and simulations［J］.Chinese Journal of Biomedical Engineering，2004，23(5):420 － 425.(in Chinese)林凌，谌雅琴，李刚，等.近红外光谱肌肉组织血氧定量检测技术研究—模型试验与蒙特卡罗仿真研究［J］.中 国 生 物 医 学 工 程 学 报，2004，23(5):420－425.

［9］ Xie Zhengyang，Hu Danfeng，Wang Jiajun.Study on noninvasive and wireless monitoring system of oxygen saturation of blood［J］.China Instrumentation，2009，(4):65 －67.(in Chinese)谢正洋，胡丹峰，王加俊.无创血氧饱和度的测量及无线监测系统的研制［J］.中国仪器仪表，2009，(4):65－67.

［10］ Li k，Warren.Onboard tagging for real-time quality assessment of photoplethysmograms acquired by a wireless reflectance pulse oximeter［J］.IEEE transactions on biomedical circuits and systems，2012，6(1):54 －63.