CN106667459A - 运动状态下的血氧饱和度监测装置 - Google Patents

运动状态下的血氧饱和度监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种运动状态下的血氧饱和度监测装置置，包括：PPG信号生成模块、运动信号生成模块、信号处理模块、通信模块和人机交互模块，其中：PPG信号生成模块与信号处理模块相连传输红光和红外光下的PPG信号，运动信号生成模块与信号处理模块相连传输人体组织在空间三个相互垂直方向上的加速度大小，通信模块与信号处理模块相连传输血氧信号和心率信息，人机交互模块与信号处理模块相连传输控制信号和显示结果信息，基于运动监测传感器的输出信号消除运动噪声，实现运动状态下的血氧饱和度监测，具有监测准确且体积小、质量轻的优点。

Description

运动状态下的血氧饱和度监测装置
技术领域
本发明涉及的是一种医疗仪器技术领域的装置，具体是一种运动状态下的血氧饱和度监测装置。
背景技术
人体新陈代谢所需要的氧，是通过与血液中的血红蛋白(Hb)结合成氧合血红蛋白(HbO2)后被运输到不同组织细胞中去。血氧饱和度(SaO2)则表示了血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)占全部可结合的血红蛋白(Hb)的百分比，即血液中血氧的浓度。因此监测SaO2对了解呼吸系统，循环系统状况以及预防组织缺氧等有重要作用。
目前，已有的血氧监测装置都是依据Lambert-beer原理和光电技术，首先通过光电技术得到红光以及红外光下的光电容积脉搏波(photoplethysmography,PPG)，之后基于Lambert-beer原理比较计算两个PPG信号得到血氧饱和度值。该装置技术较成熟，已在手术，临床监护中得到广泛的应用。然而这些监测都需要受试者保持安静状态，运动是影响信号监测的最主要原因。
经过现有的技术检索发现，中国申请号为：200510121269.6，名称为：能消除运动干扰的血氧测量方法及其装置，该技术提供了一个能实现消除运动干扰的血氧测量装置。该装置包括：血氧探头组件，信号放大处理组件，A/D转换，单片机数据处理组件，逻辑控制模块和电源电路，其中探头组件包含：红光，红外光源，驱动电路和受光管；信号放大处理组件包含：差分放大电路和信号处理电路；逻辑控制及功能模块包含：安全功能和通信功能，单片机数据处理模块组件包含了运动干扰模块，运动干扰模块包括：脉搏波参数计算，微分处理模块，中值滤波模块和面积积分递归模块。该运功干扰模块的输出端分别连接A/D转换和逻辑控制以及功能模块。但是该技术不包含监测受试者运动状态的装置，在不知道受试者实际运动信号的情况下依靠大量计算去除运动噪声，因此装置的运算量过大，而且只对部分特征明显的信号有效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种运动状态下的血氧饱和度监测装置，基于运动监测传感器的输出信号消除运动噪声，实现运动状态下的血氧饱和度监测，具有监测准确且体积小、质量轻的优点。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
运动状态下的血氧饱和度监测装置，包括：PPG信号生成模块、运动信号生成模块、信号处理模块、通信模块和人机交互模块，其中：PPG信号生成模块与信号处理模块相连传输红光和红外光下的PPG信号，运动信号生成模块与信号处理模块相连传输人体组织在空间三个相互垂直方向上的加速度大小，通信模块与信号处理模块相连传输血氧信号和心率信息，人机交互模块与信号处理模块相连传输控制信号和显示结果信息。
上述运动状态下的血氧饱和度监测装置，其中，所述的PPG信号生成模块包括：一个红外二极管、一个近红外二极管和一个光电二极管，红外二极管与近红外二极管反向并联，红外二极管和近红外二极管都与信号处理模块相连，光电二极管与信号处理模块相连。
上述运动状态下的血氧饱和度监测装置，其中，所述的运动信号生成模块是加速度传感器。
上述运动状态下的血氧饱和度监测装置，其中，所述的信号处理模块包括：微处理器、光电驱动电路、放大滤波电路、电源电路和存储器件，光电驱动电路与PPG信号生成模块相连传输控制发光的电流信号，光电驱动电路与微处理器相连传输驱动信号，放大滤波电路与PPG信号生成模块相连传输PPG信号，微处理器与放大滤波电路相连传输放大滤波信号，微处理器与运动信号生成模块相连传输三个方向的加速度信号，微处理器与存储器件相连传输血氧信号和心率信息，微处理器与电源电路相连传输电源信息，微处理器与通信模块相连传输血氧信号和心率信息，微处理器与人机交互模块相连传输控制信号和显示结果信息。
上述运动状态下的血氧饱和度监测装置，其中，所述的微处理器上设置有模数转换器。
上述运动状态下的血氧饱和度监测装置，其中，所述的通信模块包括：有线通信子模块和无线通信子模块，有线通信子模块和无线通信子模块都与信号处理模块相连传输血氧和心率信息。
上述运动状态下的血氧饱和度监测装置，其中，所述的有线通信子模块包括：光电隔离器件和RS232串口，光电隔离器件和信号处理模块相连传输血氧和心率信息，光电隔离器件和RS232串口相连传输血氧和心率信息。
上述运动状态下的血氧饱和度监测装置，其中，所述的无线通信子模块是基于ZIGBEE协议的无线射频发射模块，其与信号处理模块相连无线传输血氧和心率信号。
上述运动状态下的血氧饱和度监测装置，其中，所述的人机交互模块包括：按键和点阵液晶，按键与信号处理模块相连传输控制信息，点阵液晶与信号处理模块相连显示血氧和心率结果。
本发明的工作过程是：微处理器控制光电驱动电路导通生成反相放大的电流；红外二极管和近红外二极管在反相电流的作用下交替发光；光电二极管接收穿透组织的光线，将电流传递给放大滤波电路；放大滤波电路将预处理后的PPG模拟信号传给微处理器；微处理器接收PPG模拟信号将其转换为数字信号，进行PPG数字信号处理；微处理器接收运动信号生成模块的加速度信号，并进行加速度信号处理；微处理器基于加速度信号恢复被运动噪声淹没的PPG信号，并计算血氧和心率结果；微处理器将处理结果发送给有线通信子模块，并通过RS232串口发送给上位机；微处理器将处理结果发送给无线通信子模块进而传输给其它接收系统；微处理器将结果发送给显示模块，通过点阵液晶显示实时血氧和心率。按键与微处理器相连供使用者选择系统工作模式。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：能有效抑制运动噪声，实现非特殊运动状态下的血氧信号实时监测：利用加速度传感器芯片生成运动信号，量化了原本未知的运动噪声，从而有效控制PPG模拟信号的采集以及PPG数字信号的降噪处理，从而实现运动状态下血氧信息监测；除此之外，本发明基于ZIGBEE协议的无线传输可实现监测血氧，心率信息的高速，低功耗的双向传输。因此本发明不仅可提高血氧监测的准确度，同样适用于运动状态下血氧信号的监测，扩大该类装置的使用范围，而且还具有体积小，质量轻等特点，实现了实时动态监测血氧变换。
附图说明
图1是本发明的组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做详细说明。
如图1所示，本发明运动状态下的血氧饱和度监测装置包括：PPG信号生成模块、运动信号生成模块、信号处理模块、通信模块和人机交互模块，其中：PPG信号生成模块与信号处理模块相连传输红光和红外光下的PPG信号，运动信号生成模块通过SPI口与信号处理模块相连传输人体组织在空间三个相互垂直方向上的加速度大小，通信模块与信号处理模块相连传输血氧信息和心率信息，人机交互模块与信号处理模块相连传输控制信息以及监测结果。
所述的PPG信号生成模块包括：840nm发光二极管、960nm发光二极管和光电二极管，其中：840nm发光二极管和960nm发光二极管反向并联，840nm发光二极管与信号处理模块相连，960nm发光二极管与信号处理模块相连，840nm发光二极管与960nm发光二极管交替发光，光电二极管与信号处理模块相连传输包含血氧信息的电流信号。
所述的运动信号生成模块是加速度传感器，本实施例采用的加速度传感器的型号为MMA7260QT，其与信号处理模块相连传输X,Y,Z三个轴方向的运动加速度信息。
所述的信号处理模块包括：微处理器、光电驱动电路、放大滤波电路、电源电路和存储卡，其中：光电驱动电路与PPG信号生成模块相连传输控制发光的电流信号，光电驱动电路与微处理器相连传输驱动信号，放大滤波电路与PPG信号生成模块相连传输PPG信号，微处理器与放大滤波电路相连，微处理器与运动信号生成模块相连传输三个方向的加速度信号，微处理器与存储卡相连传输血氧信号和心率信息，微处理器与电源电路相连传输电源信息，微处理器与通信模块相连传输血氧信号和心率信息，微处理器与人机交互模块相连传输控制信号和显示结果信息。
本实施例中所述的微处理器是美国TI公司的超低功耗微处理器MSP430FG439，其内置有模数转换器，该芯片除了体积小，功耗低之外，芯片内含有丰富的外部资源，本实施例使用其中的两个运算放大器OA，12位模数转换ADC，两个定时器TIMER，基于该微处理器的片内资源不仅简化电路设计，缩小电路体积，而且避免外部电磁干扰，提高系统性能。
所述的通信模块包括：有线通信子模块和无线通信子模块，其中：有线通信子模块和无线通信子模块都与信号处理模块相连传输血氧和心率信息。
所述的有线通信子模块包括：光电隔离器件和RS232串口，其中：光电隔离器件和信号处理模块相连传输血氧和心率信息，光电隔离器件和RS232串口相连传输血氧和心率信息。
所述的无线通信子模块是基于ZIGBEE协议的无线射频发射模块，其与信号处理模块相连无线传输血氧和心率信号，本实施例选用美国TI公司的低功耗芯片CC2500。
所述的人机交互模块包括：按键和128*64的点阵液晶，其中：按键与信号处理模块相连传输控制信息，点阵液晶与信号处理模块相连显示血氧和心率结果。
本实施例的工作过程是：
1、开机自检：系统上电后，自动完成对微处理器的初始化，加速度芯片的初始化，以及其他模块正常工作的检查，确保系统正常工作。
2、PPG信号的产生：在微处理器的控制下，PPG信号生成模块生成PPG信号，运动信号生成模块生成传输人体组织在空间三个相互垂直方向上的加速度大小。
3、PPG信号的放大滤波：在运动状况下，有效信号可能被过大的运动信号淹没或漂移严重以至于溢出量程等情况，本实施例用监测的运动信号矫正原始信号放大，使PPG信号有效放大，运动信号被抑制，放大后的信号经过滤波去除其它频率成分。
4、PPG信号的模数转换：通过微处理器内置的模数转换器，将模拟信号转换为数字信号用于后续数字信号处理。
5、分离噪声：PPG信号在经过矫正放大，滤波后依然含有部分时域频域特性重叠的噪声信号，本实施例通过自适应滤波的方法，基于PPG和加速度信号进一步分离出噪声，得到理想的PPG信号。
6、数据存储：系统将PPG信号保存至内置的存储卡上。
7、生理参数显示和传输：基于加速度和PPG信号，系统可得到关于监护者的步态，心率和血氧饱和度等参数，通过点阵液晶显示监测结果，并通过通信模块进行传输。
本实施例的优点是：MMA7260QT加速度传感器芯片可将空间运动表示为三个相互垂直方向加速度的大小，并用相应的电压值大小表示出来，通过SPI方式传递给微处理器。微处理器基于这些信号可调整PPG信号的放大过程，并通过自适应滤波的方法去除PPG信号中的运动噪声；采用了超低功耗微处理器MSP430FG439，在CPU工作模式下每1MHz,电流是300μA，在CPU睡眠模式下最低电流0.1μA。除此之外，系统含有的丰富外设即简化电路设计，缩小系统体积，又避免了外界的电磁干扰，提高系统性能；系统采用的低功耗无线射频发射芯片CC2500，基于ZIGBEE协议可以高效的传输数据。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中，因此，本发明不受本实施例的限制，任何采用等效替换取得的技术方案均在本发明保护的范围内。

Claims (9)

1.运动状态下的血氧饱和度监测装置，其特征为，包括：PPG信号生成模块、运动信号生成模块、信号处理模块、通信模块和人机交互模块，其中：PPG信号生成模块与信号处理模块相连传输红光和红外光下的PPG信号，运动信号生成模块与信号处理模块相连传输人体组织在空间三个相互垂直方向上的加速度大小，通信模块与信号处理模块相连传输血氧信号和心率信息，人机交互模块与信号处理模块相连传输控制信号和显示结果信息。
2.如权利要求1所述的运动状态下的血氧饱和度监测装置，其特征为，所述的PPG信号生成模块包括：一个红外二极管、一个近红外二极管和一个光电二极管，红外二极管与近红外二极管反向并联，红外二极管和近红外二极管都与信号处理模块相连，光电二极管与信号处理模块相连。
3.如权利要求1所述的运动状态下的血氧饱和度监测装置，其特征为，所述的运动信号生成模块是加速度传感器。
4.如权利要求1所述的运动状态下的血氧饱和度监测装置，其特征为，所述的信号处理模块包括：微处理器、光电驱动电路、放大滤波电路、电源电路和存储器件，光电驱动电路与PPG信号生成模块相连传输控制发光的电流信号，光电驱动电路与微处理器相连传输驱动信号，放大滤波电路与PPG信号生成模块相连传输PPG信号，微处理器与放大滤波电路相连传输放大滤波信号，微处理器与运动信号生成模块相连传输三个方向的加速度信号，微处理器与存储器件相连传输血氧信号和心率信息，微处理器与电源电路相连传输电源信息，微处理器与通信模块相连传输血氧信号和心率信息，微处理器与人机交互模块相连传输控制信号和显示结果信息。
5.如权利要求4所述的运动状态下的血氧饱和度监测装置，其特征为，所述的微处理器上设置有模数转换器。
6.如权利要求1所述的运动状态下的血氧饱和度监测装置，其特征为，所述的通信模块包括：有线通信子模块和无线通信子模块，有线通信子模块和无线通信子模块都与信号处理模块相连传输血氧和心率信息。
7.如权利要求6所述的运动状态下的血氧饱和度监测装置，其特征为，所述的有线通信子模块包括：光电隔离器件和RS232串口，光电隔离器件和信号处理模块相连传输血氧和心率信息，光电隔离器件和RS232串口相连传输血氧和心率信息。
8.如权利要求6所述的运动状态下的血氧饱和度监测装置，其特征为，所述的无线通信子模块是基于ZIGBEE协议的无线射频发射模块，其与信号处理模块相连无线传输血氧和心率信号。
9.如权利要求1所述的运动状态下的血氧饱和度监测装置，其特征为，所述的人机交互模块包括：按键和点阵液晶，按键与信号处理模块相连传输控制信息，点阵液晶与信号处理模块相连显示血氧和心率结果。
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