基于AFE4490的脉搏血氧仪的设计

杜武松

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714214

摘要：以AFE4490集成模拟前端为信号处理，以STM32F103单片机为核心，在液晶屏显示测量结果，通过GPRS模块将数据上传网络，医生和家人可随时通过网络了解测试者的血氧参数情况。

关键词：AFE4490；STM32；GPRS；脉搏血氧仪

一、概述

生命的基本过程就是机体细胞摄入氧排出二氧化碳产生能量的过程，当组织得不到充足的氧，组织的代谢、机能、甚至形态结构都可能发生异常。脉搏血氧仪是一种无创的，可连续监测人体内动脉血氧饱和度的测量仪器，随着人们对健康的日益关注，脉搏血氧仪产品逐步进入家庭。

二、脉搏血氧仪的测量原理

人体的血氧饱和度测量使用光电容积脉搏波描记法，是一种利用皮肤对光的反射或者透射来评价血液含氧量等有关信息的方法。人体脉搏血氧饱和度测量是以朗伯比尔定律和血液中氧合血红蛋白（HbO2）及非氧合血红蛋白（Hb）对红光和红外光吸收特性差异为基础，使用两种不同波长的红光和红外光照射到人体组织上，入射光由于受到皮肤肌肉和血液的吸收而衰减，出射光强度则会减弱，通过测量光线的变化来计算出脉搏血氧饱和度（SPO2）。

脉搏血氧饱和度的计算公式如下：

SPO2 =ABR+CR2，

式中，A、B、C为定标常数，可以由定标试验获得，R为两种波长的光吸收比率，R = Vredac/VreddcViredac/Vireddc，其中，Vredac为红光交流分量；Vreddc为红光的直流分量；Viredac为红光交流分量；Vireddc为红光的直流分量。设计中选用660nm红光和940nm红外光，因为在此波长组合处，氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收差别较大。

三、硬件设计

本文硬件电路使用血氧模拟前端AFE4490和单片机STM32F103搭建，通过测量人体血氧饱和度，来计算获得心率与血氧数据，在液晶屏上进行显示，并将数据上传至网络，数据便可远程查看。

多数设计对光电信号的调制和采集均使用分立元件来实现，此设计难度较大，并且测量过程中易受外界干扰，因此本设计选用AFE4490方案。该方案是TI公司设计的一款适用临床需求的动脉血氧饱和度测量的全集成模拟前端，能够很好的实现光电信号的调制及采集，大大降低了硬件和软件设计难度，并且缩小了系统体积，提高了系统的稳定性。AFE4490血氧模拟前端芯片包含一个具有22位模数转换器的低噪声接收通道、一个驱动LED灯发光部分和针对传感器以及LED故障检测的诊断功能。AFE4490通过SPI接口与单片机STM32F103进行通讯，能够快速、准确地接收指令和发送数据。STM32F103通过计算到心率和血氧数据后，定时的通过GPRS模块Air200进行数据的上传，上传的数据保存在网络服务器中，测试者的医生和家人即可通过智能终端，例如电脑，手机等即可获取到测试者的心率和血氧数据实时和历史数据，及时的了解测试者的血氧饱和度、脉率参数情况。

四、软件设计

在软件设计方面，基于C语言设计，首先需要完成各个功能模块的上电初始化，例如AFE4490初始化，SPI接口初始化，STM32定时器、SPI接口等等初始化，Air200初始化等等。完成以上各步初始化后，通过模拟前端AFE4490采集红光透射光、红外光透射光信号数据，完成一次脉搏周期数据采集后，通过置高ADC_RDY信号，告之STM32主控芯片本次脉搏周期数据采集完毕，可以进行数据的读取。STM32核心接收到数据后，进行数据处理，得到原始的脉搏波信号，并且进行带通滤波器滤波去噪，得到平滑的二级波形，再对该二级波形进行波峰值、波谷值的檢测，得到光线的直流交流分量后进而计算出R值，再将R值代入到定标曲线公式中得到血氧饱和度。由于使用了AFE4490集成模拟前端，复杂的信号采集和控制均可通过操作其寄存器进行，大大简化了软件设计要求，缩短了产品的设计时间。

脉率计算可通过红外光的光波信号来进行，首先计算波峰和波谷的幅度值，与预设阈值进行比较，若是超过阈值即表示当前为正常测量，通过统计3个脉搏周期的波峰与波峰的采样点数，再根据采样速率（100Hz）计算出当前的脉率值，同时当前计算的血氧饱和度数值也有效；若是没有达到阈值，则直接判定当前测量数据存在错误，不再计算脉率值。得到血氧饱和度和脉率数值后，固定每一秒鐘更新液晶屏幕上的血氧饱和度和脉率数值，同时也通过GPRS模块Air200将数据上传至网络服务器进行存储，以便医生或者家人远程查看。

五、结语

从无创血氧测量快速搭建电路、精确测量方面考虑，使用了模拟前端AFE4490加STM32的设计方案，通过产品的设计和研发，取得了不错的效果。目前健康监护产品正朝着便携化和小型化发展，穿戴式的产品更是日新月异，所以模拟前端AFE4490的设计方案将有着很高的实用价值以及广阔的发展前景。

参考文献：

[1]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（04）.

[2]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（05）.