CN103892845B - 一种测量血氧含量的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量血氧含量的系统，包括：光源控制电路接收控制器发送的开关控制信号后控制红光光源和红外光光源轮流照射；第一低通滤波器将血氧探头在LED灯照射下产生的信号进行噪声干扰的滤除，将输出的信号发送给带阻滤波器；带阻滤波器滤除信号中环境光所产生的噪声；反馈模块将带阻滤波器输出的信号发送给AD转换器；AD转换器对输入其的信号进行模数转换，将转换后的信号发送给控制器；控制器将两灯分别照射时对应产生的直流信号进行比较，根据比较结果控制两灯的光强使两灯分别照射时产生的直流信号相等，当两灯分别照射时产生的直流信号相等时才进行采样计算血氧含量。这样避免了直流信号对于测量结果的干扰，可以保证最终的测量结果更加准确。

Description

一种测量血氧含量的系统

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别涉及一种测量血氧含量的系统。

背景技术

随着生活水平的不断提高，人们越来越关注自己以及家人的身体健康，而血液含氧量是表征人体健康状况的一项重要指标，能够随时获知自身的血氧含量值对于人们的日常保健具有重要的意义。

因此，现有技术中出现了血氧测量仪，工作原理是通过检测血液对红光和红外光的吸光度变化率之比来推算出末梢组织的动脉血氧饱和度。

氧合血红蛋白和还原血红蛋白在可见光和接近红外线的频谱范围内具有不同的吸收特性，还原血红蛋白吸收较多的红色频率光线，吸收较少的红外频率光线；而氧合血红蛋白吸收较少的红色频率光线，吸收较多的红外频率光线。这个区别是血氧饱和度（SpO₂）测量系统的最基本依据。所以要采用光学测量血压饱和度。

但是在测量时，不论是主观因素还是客观因素，都会引入噪声，影响测量的准确性。尤其是环境光，在什么时候都是一个不可忽略的因素，它会产生一个较强的50Hz左右的信号干扰量。为了消除环境光的影响，目前的技术，硬件主要就是利用低通滤波器，滤除6Hz以上的信号，即将环境光滤除尽量提取和脉搏频率（1Hz-2Hz）相近的信号进行处理。

另外，只采集LED灯亮时产生的信号，然后分离直流信号和交流信号，进行运算。事实上交流信号提取容易，而直流信号，由于电路中很多点接入了参考电压，给进入ADC信号中的直流分量引进了很多干扰，这些直流分量如果参与运算会影响测量结果。

因此，需要提供一种测量血氧含量的系统，能够更准确地测量人体血氧的含量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测量血氧含量的系统，能够准确测量人体的血氧含量。

本发明实施例提供一种测量血氧含量的系统，包括：红光光源、红外光光源、光源控制电路、信号接收电路、AD转换器和控制器；

所述光源控制电路用于接收控制器发送的开关控制信号后控制所述红光光源和红外光光源轮流照射；

所述信号接收电路包括：第一低通滤波器、带阻滤波器和反馈模块；

所述第一低通滤波器，用于将血氧探头在所述光源照射下产生的信号进行噪声干扰的滤除，将输出的信号发送给所述带阻滤波器；

所述带阻滤波器，用于滤除信号中环境光所产生的噪声；

所述反馈模块，用于将所述带阻滤波器输出的信号发送给所述AD转换器；

所述AD转换器，用于对输入其的信号进行模数转换，将转换后的信号发送给所述控制器；

所述控制器，用于将两光源分别照射时对应产生的直流信号进行比较，根据比较结果控制两光源的光强使两光源分别照射时产生的直流信号相等，当两光源分别照射时产生的直流信号相等时才进行采样计算血氧含量。

优选地，当所述红光光源照射时对应的信号是a1；当所述红外光光源照射时对应的信号是a3；

所述控制器，用于将两光源分别照射时对应产生的直流信号进行比较，根据比较结果控制两光源的光强使两光源分别照射时产生的直流信号相等，具体为：

判断a1是否大于预定基准值b，如果是则控制红光光源的光强降低，如果否则控制红光光源的光强增强；

判断a3与是否大于预定基准值b，如果是则控制红外光光源的光强降低，如果否则控制红外光光源的光强增强。

优选地，所述信号接收电路还包括：高通滤波器和信号放大模块；

所述高通滤波器用于对带阻滤波器输出的信号中的直流成分进行滤除；

所述信号放大模块，用于对所述高通滤波器输出的信号进行放大，将放大后的信号发送给所述AD转换器。

优选地，当所述红光光源和红外光光源均灭时对应的信号为a2；

所述控制器进行采样具体为：将a_红=a1-a2作为采样的红光光源照射时对应的信号；将a_外=a3-a2作为采样的红外光光源照射时对应的信号。

优选地，所述带阻滤波器为双T陷波器。

优选地，所述信号接收电路还包括第二低通滤波器；

所述第二低通滤波器连接在所述信号放大模块和所述AD转换器之间，用于进行噪声干扰的滤除。

优选地，所述第二低通滤波器用于滤除0.8Hz以下的信号。

优选地，还包括DA转换器；

所述DA转换器连接在所述控制器与所述光源控制电路之间；

所述DA转换器，用于将所述控制器发送的所述光强控制信号进行数模转换后发送给所述光源控制电路；

所述光源控制电路为桥式控制电路，包括：第一PNP管、第二PNP管、第一NPN管和第二NPN管；

所述第一PNP管和第二PNP管的发射极均连接电源电压；

所述第一PNP管的基极通过第一电阻连接所述控制器的一个输出管脚；

所述第二PNP管的基极通过第二电阻连接所述控制器的另一个输出管脚；

所述第一PNP管的集电极连接所述第一NPN管的集电极；

所述第二PNP管的集电极连接所述第二NPN管的集电极；

所述第一NPN管的发射极通过第四电阻接地，所述第二NPN管的发射极通过第五电阻接地；

所述第一NPN管的基极通过第三电阻接地，所述第二NPN管的基极通过第六电阻接地；

所述第一NPN管的基极连接所述DA转换器的一个输出端；

所述第二NPN管的基极连接所述DA转换器的另一个输出端；

所述第一PNP管用于控制所述红外光光源的开关；所述第一NPN管用于控制所述红外光光源的光强；

所述第二PNP管用于控制所述红光光源的开关；所述第二NPN管用于控制所述红外光光源的光强。

优选地，所述第一低通滤波器为一阶RC滤波器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本实施例提供的测量血氧含量的系统，通过第一低通滤波器滤除噪声干扰，通过带阻滤波器滤除环境光的干扰；并且在带阻滤波器的输出增加了反馈模块，对带阻滤波器输出的信号进行反馈采样，并且将采样的信号与预定基准值进行比较，由比较结果进行两光源的光强控制，从而使两光源分别照射时对应产生的直流信号相等，进而约掉直流信号，仅剩下交流信号参与计算。这样避免了直流信号对于测量结果的干扰，可以保证最终的测量结果更加准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的测量血氧含量的系统实施例一示意图；

图2是本发明提供的测量血氧含量的系统实施例二示意图；

图3是本发明提供的信号接收电路原理图；

图4是本发明提供的桥式控制电路示意图；

图5是本发明提供的红光光源和红外光光源对应的控制脉冲时序图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一：

参见图1，该图为本发明提供的测量血氧含量的系统实施例一示意图。

本发明提供的测量血氧含量的系统，包括：红光光源D1、红外光光源D2、光源控制电路10、信号接收电路30、AD转换器40和控制器50；

所述光源控制电路10用于接收控制器50发送的开关控制信号后控制所述红光光源D1和红外光光源D2轮流照射；

例如，在一个周期中，控制所述红光光源D1亮1/4周期，控制亮灯灭1/4周期，控制所述红外光光源D2亮1/4周期，控制两灯灭1/4周期；这样可以1s循环500次，即1/4周期为500微秒。

所述信号接收电路30包括：第一低通滤波器、带阻滤波器和反馈模块；

所述第一低通滤波器，用于将血氧探头在所述光源照射下产生的信号进行噪声干扰的滤除，将输出的信号发送给所述带阻滤波器；

第一低通滤波器的作用是为了滤除高频信号，因为高频信号对于血氧测量是干扰信号。

所述带阻滤波器，用于滤除信号中环境光噪声；

需要说明的是，环境光噪声的频率一般为50Hz～60Hz。

由于环境光一直存在，环境光会产生一个稳定频率的干扰信号，一般为50-60Hz的低频信号。因此，为了获得理想的信号，通过该带阻滤波器最大限度地将环境光产生的干扰信号进行滤除。

所述反馈模块，用于将所述带阻滤波器输出的信号发送给所述AD转换器；

为了更好地去除直流信号对最终采样结果的影响，本实施例中设置了反馈模块，通过反馈模块的闭环反馈，来控制红光光源和红外光光源照射时产生的直流分量相等，这样可以将这两个相等的直流分量约掉，从而使最终参与计算的信号仅有交流分量。

反馈模块的作用是采集直流信号，从而反馈给控制器，控制器控制调节后，使两个直流信号相等，进而进行直流信号的彻底消除。

本实施例中之所以在带阻滤波器之后设置反馈模块是因为带阻滤波器输出的信号绝大部分为直流信号，此处的信号还没有被放大，交流信号成分很小。

所述AD转换器40，用于对输入的信号进行模数转换，将转换后的信号发送给所述控制器50；

所述控制器50，用于将两光源分别照射时对应产生的直流信号进行比较，根据比较结果控制两光源的光强使两光源分别照射时产生的直流信号相等，当两光源分别照射时产生的直流信号相等时才进行采样计算血氧含量。

所述反馈模块和控制器联合作用来消除直流信号，因为反馈模块反馈的信号给控制器，控制器根据反馈结果进行闭环调节，反馈模块继续反馈调节后的信号，这样反复调节控制，最终使红光光源和红外光光源照射时产生的直流分量相等，满足这样的条件时，才开始采样计算，因为此时的采样数值中没有了直流分量的影响，计算出来的血氧含量更准确。

为了更好地理解本实施例的方案，下面介绍与血氧饱和度的直接相关的因子R的计算方法。

$R=\frac{{\mathrm{\ΔI}}^{660}}{I_{\min }^{660}}/\frac{{\mathrm{\ΔI}}^{904}}{I_{\min }^{904}}=\frac{{\mathrm{\ΔI}}^{660}}{{\mathrm{\ΔI}}^{904}}/\frac{I_{\min }^{660}}{I_{\min }^{904}}=\frac{I_{\mathrm{AC}}^R}{I_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{IR}}}/\frac{I_{\mathrm{DC}}^R}{I_{\mathrm{DC}}^{\mathrm{IR}}}---\left(1\right)$

其中，是红光光源照射下最大直流分量；

红外光光源照射下最大直流分量；

ΔI⁶⁶⁰红光照射条件下提取到的信号的最大交流分量；

ΔI⁹⁰⁴红外光照射条件下提取到的信号的最大交流分量。

当和相等时，公式（1）就可以简化为公式（2）；

$R=\frac{{\mathrm{\ΔI}}^{660}}{{\mathrm{\ΔI}}^{904}}---\left(2\right)$

从公式（2）中可以看出，当去除了直流分量以后，R仅与交流分量有关系，这样将简化计算，并且不会引入直流信号的干扰，这正是本实施例的重点。

由于红光光源和红外光光源轮流在照射，因此，AD转换器发送来的信号有时对应的红光光源照射时产生的信号，有时对应的是红外光光源照射时产生的信号，使红光光源照射时产生的信号和红外光光源照射时产生的信号中的直流成分相等，这样可以约掉直流信号。

本实施例提供的测量血氧含量的系统，通过第一低通滤波器滤除噪声干扰，通过带阻滤波器滤除环境光的干扰；并且在带阻滤波器的输出增加了反馈模块，对带阻滤波器输出的信号进行反馈采样，并且将采样的信号与预定基准值进行比较，由比较结果进行两光源的光强控制，从而使两光源分别照射时对应产生的直流信号相等，进而约掉直流信号，仅剩下交流信号参与计算。这样避免了直流信号对于测量结果的干扰，可以保证最终的测量结果更加准确。

实施例二：

参见图2，该图为本发明提供的测量血氧含量的系统实施例二示意图。

本实施例中主要介绍本发明提供的信号接收电路。

本实施例中的信号接收电路除了实施例一中的第一低通滤波器31、带阻滤波器32和反馈模块33以外，还包括高通滤波器34和信号放大模块35，以及第二低通滤波器36；

所述高通滤波器34用于对带阻滤波器32输出的信号中的直流成分进行滤除；

可以理解的是，高通滤波器34是本实施例中对直流信号在硬件上进行的滤除。

所述信号放大模块35，用于对所述高通滤波器34输出的信号进行放大，将放大后的信号发送给所述AD转换器40。

由于采样信号中的交流信号很小，因此，需要对信号进行放大。

所述第二低通滤波器36连接在所述信号放大模块35和所述AD转换器40之间，用于进行噪声干扰的滤除。

设置第二低通滤波器36的目的是将信号放大后产生的高频信号进行二次滤除。

本实施例中在信号接收电路的前端和后端分别设置了一个低通滤波器，通过这两个低通滤波器可以将5Hz以上的信号滤掉。因为，人体脉搏的频率是1Hz-2Hz。

实施例三：

参见图3，该图为本发明提供的信号接收电路原理图。

本实施例中，如图3所示带阻滤波器采用双T陷波器（包括R24、R25、C19、R32、R26、C20和C21）。

第一低通滤波器（包括R23和C18）和第二低通滤波器（包括R31和C23）均采用一阶RC滤波器。

所述第二低通滤波器用于滤除0.8Hz以下的信号，主要作用是为了进一步滤除直流低频信号。因为，人体脉搏的频率是1Hz-2Hz，因此为了保险，需要1Hz以下的信号。0.8Hz是优选地低于1Hz的一个经验值。

高通滤波器包括C22、C23、R26和R27。

本实施例中使用了两个放大器进行两级放大。

从图3中可以看出，反馈模块是从双T陷波器的输出端进行取值的，这样是因为信号被放大之前绝大部分信号是直流信号，而交流信号的比例很小。

当所述红光光源照射时对应的信号是a1；当所述红外光光源照射时对应的信号是a3；

所述控制器，用于将两光源分别照射时对应产生的直流信号进行比较，根据比较结果控制两灯的光强使两光源分别照射时产生的直流信号相等，具体为：

判断a1是否大于预定基准值b，如果是则控制红光光源的光强降低，如果否则控制红光光源的光强增强；

判断a3与是否大于预定基准值b，如果是则控制红外光光源的光强降低，如果否则控制红外光光源的光强增强。需要说明的是，通过以上调节，可以使a1和a3均与b接近，从而使a1和a3中的直流信号相等，最终计算时直接约掉直流信号。因为a1和a3中绝大部分是直流信号，交流信号很小。

本发明实施例中通过反馈模块来实现对于直流信号的去除。

以上实施例介绍的均是本发明提供的去除直流信号的实现方式，下面介绍本发明实施例中提供的去除环境光干扰的实现方式。

实施例四：

参见图4，该图为本发明提供的桥式控制电路示意图。

本实施例提供的测量血氧含量的系统还包括DA转换器（在图中未示出）；

所述DA转换器连接在所述控制器与所述光源控制电路之间；

所述DA转换器，用于将所述控制器发送的所述光强控制信号进行数模转换后发送给所述光源控制电路；

所述光源控制电路为桥式控制电路，包括：第一PNP管Q5、第二PNP管Q6、第一NPN管Q7和第二NPN管Q8；

所述第一PNP管Q5和第二PNP管Q6的发射极均连接电源电压；

所述第一PNP管Q5的基极通过第一电阻R1连接所述控制器的一个输出管脚P2.0；

所述第二PNP管Q6的基极通过第二电阻R2连接所述控制器的另一个输出管脚P2.1；

所述第一PNP管Q5的集电极连接所述第一NPN管Q7的集电极；

所述第二PNP管Q6的集电极连接所述第二NPN管Q8的集电极；

所述第一NPN管Q7的发射极通过第四电阻接地，所述第二NPN管Q8的发射极通过第五电阻接地；

所述第一NPN管Q7的基极通过第三电阻接地，所述第二NPN管Q8的基极通过第六电阻接地；

所述第一NPN管Q7的基极连接所述DA转换器的一个输出端DAC1；

所述第二NPN管Q8的基极连接所述DA转换器的另一个输出端DAC0；

所述第一PNP管Q5用于控制所述红外光光源的开关；所述第一NPN管Q7用于控制所述红外光光源的光强；

所述第二PNP管Q6用于控制所述红光光源的开关；所述第二NPN管Q8用于控制所述红外光光源的光强。

为了更好地去除环境光，本发明实施例中不仅在硬件上设置了带阻滤波器来滤除环境光的干扰，而且在方法上也设置了滤波环境光的步骤，下面来具体进行介绍。

本实施例中不仅采样红光光源照射时对应的信号和红外LED灯照射时对应的信号，而且还采样两灯均灭时对应的信号；

当所述红光光源和红外光光源均灭时对应的信号为a2；

所述控制器进行采样具体为：将a_红=a1-a2作为采样的红光光源照射时对应的信号；将a_外=a3-a2作为采样的红外光光源照射时对应的信号。

这样相减做差以后可以将环境光进行去除。

为了使计算的结果更准确，还可以：红光LED亮时采样a1，持续500微秒；两灯灭时理论上只有环境光的噪声信号a2，持续500微秒；红外光光源照射时采样a3，持续500微秒；两灯灭时理论上只有环境光噪声信号a4；然后用a_红=a1-a2，a_外=a3-a4。

红光光源和红外光光源对应的控制脉冲参见图5所示，由于是PNP管控制灯的开关，因此，对应的脉冲为低电平时，所控制的灯打开，即照射；对应的脉冲为高电平时，所控制的灯关闭，即灭。

需要说明的是，公式（2）中的ΔI⁶⁶⁰是红光光源照射时对应的最大信号a1_max与最小信号a1_min的差。公式（2）中的ΔI⁹⁰⁴是红外光光源照射时对应的最大信号a3_max与最小信号a3_min的差。

可以理解的是，在一秒内会测量多次信号，从而获得最大信号和最小信号，然后利用最大信号最小信号的差值参与R的计算。

本发明以上实施例提供的测量血氧含量的系统，不仅最大限度地消除了环境光的干扰，而且从硬件和软件上对直流信号进行了消除，从而可以保证最终参与计算的信号的准确度，使最终计算出来的血氧含量更准确。

需要说明的是，以上实施例中的红光光源和红外光光源均可以由LED灯来实现，即分别有红光LED灯和红外光LED灯来实现。相应地，其中的光源控制电路可以为LED灯控制电路。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种测量血氧含量的系统，其特征在于，包括：红光光源、红外光光源、光源控制电路、信号接收电路、AD转换器和控制器；

所述光源控制电路用于接收控制器发送的开关控制信号后控制所述红光光源和红外光光源轮流照射；

所述信号接收电路包括：第一低通滤波器、带阻滤波器和反馈模块；

所述第一低通滤波器，用于将血氧探头在所述光源照射下产生的信号进行噪声干扰的滤除，将输出的信号发送给所述带阻滤波器；

所述带阻滤波器，用于滤除信号中环境光所产生的噪声；

所述反馈模块，用于将所述带阻滤波器输出的信号发送给所述AD转换器；

所述AD转换器，用于对输入其的信号进行模数转换，将转换后的信号发送给所述控制器；

所述控制器，用于将两光源分别照射时对应产生的直流信号进行比较，根据比较结果控制两光源的光强使两光源分别照射时产生的直流信号相等，当两光源分别照射时产生的直流信号相等时才进行采样计算血氧含量。

2.根据权利要求1所述的测量血氧含量的系统，其特征在于，当所述红光光源照射时对应的信号是a1；当所述红外光光源照射时对应的信号是a3；

所述控制器，用于将两光源分别照射时对应产生的直流信号进行比较，根据比较结果控制两光源的光强使两光源分别照射时产生的直流信号相等，具体为：

判断a1是否大于预定基准值b，如果是则控制红光光源的光强降低，如果否则控制红光光源的光强增强；

判断a3与是否大于预定基准值b，如果是则控制红外光光源的光强降低，如果否则控制红外光光源的光强增强。

3.根据权利要求1所述的测量血氧含量的系统，其特征在于，所述信号接收电路还包括：高通滤波器和信号放大模块；

所述高通滤波器用于对带阻滤波器输出的信号中的直流成分进行滤除；

所述信号放大模块，用于对所述高通滤波器输出的信号进行放大，将放大后的信号发送给所述AD转换器。

4.根据权利要求3所述的测量血氧含量的系统，其特征在于，当所述红光光源和红外光光源均灭时对应的信号为a2；

所述控制器进行采样具体为：将a_红＝a1-a2作为采样的红光光源照射时对应的信号；将a_外＝a3-a2作为采样的红外光光源照射时对应的信号。

5.根据权利要求1所述的测量血氧含量的系统，其特征在于，所述带阻滤波器为双T陷波器。

6.根据权利要求3所述的测量血氧含量的系统，其特征在于，所述信号接收电路还包括第二低通滤波器；

所述第二低通滤波器连接在所述信号放大模块和所述AD转换器之间，用于进行噪声干扰的滤除。

7.根据权利要求6所述的测量血氧含量的系统，其特征在于，所述第二低通滤波器用于滤除0.8Hz以下的信号。

8.根据权利要求1所述的测量血氧含量的系统，其特征在于，还包括DA转换器；

所述DA转换器连接在所述控制器与所述光源控制电路之间；

所述DA转换器，用于将所述控制器发送的光强控制信号进行数模转换后发送给所述光源控制电路；

所述光源控制电路为桥式控制电路，包括：第一PNP管、第二PNP管、第一NPN管和第二NPN管；

所述第一PNP管和第二PNP管的发射极均连接电源电压；

所述第一PNP管的基极通过第一电阻连接所述控制器的一个输出管脚；

所述第二PNP管的基极通过第二电阻连接所述控制器的另一个输出管脚；

所述第一PNP管的集电极连接所述第一NPN管的集电极；

所述第二PNP管的集电极连接所述第二NPN管的集电极；

所述第一NPN管的发射极通过第四电阻接地，所述第二NPN管的发射极通过第五电阻接地；

所述第一NPN管的基极通过第三电阻接地，所述第二NPN管的基极通过第六电阻接地；

所述第一NPN管的基极连接所述DA转换器的一个输出端；

所述第二NPN管的基极连接所述DA转换器的另一个输出端；

所述第一PNP管用于控制所述红外光光源的开关；所述第一NPN管用于控制所述红外光光源的光强；

所述第二PNP管用于控制所述红光光源的开关；所述第二NPN管用于控制所述红外光光源的光强。

9.根据权利要求1所示的测量血氧含量的系统，其特征在于，所述第一低通滤波器为一阶RC滤波器。