CN201987557U - 一种脉搏血氧仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种脉搏血氧仪，其特征在于：包括微控制单元MCU，微控制单元MCU与探头(1)及LCD显示器(2)相连，微控制单元MCU内置的模/数转换器ADC与探头(1)内的红外光LED(3)和红光LED(4)相连，探头内还设有PIN二极管(5)，并依次与微控制单元MCU内置的放大器OA0和OA1以及数/模转换器DAC相连。本实用新型的硬件结构简单，外围部件少，且测量精度高。

Description

一种脉搏血氧仪

技术领域

本实用新型专利涉及一种脉搏血氧仪，尤其涉及一种电子脉搏血氧仪。

背景技术

血氧仪的适用人群较广泛，除心血管及呼吸系统疾病的病人外，还可适用于老年人、长时间工作人群、极限运动及高山缺氧环境下人群。

心血管及呼吸系统疾病的病人，用脉搏血氧检测血氧含量，能有效预防危险发生，如果出现缺氧状况，第一时间做出补氧决定，大大减少疾病发作机会，降低发病率。老年人及长时间工作人群，用脉搏血氧检测血氧含量，一旦血氧低于警戒水平，可及时补氧，确保心脑安康。极限运动及高山缺氧环境下人群，通过脉搏血氧仪，对血氧进行监测可以提前发现血液携氧或供氧的问题，避免由高山反映引起紫绀对身体造成危害。现有的血氧仪，通过检测充血人体末梢组织如手指或耳垂等部位对不同波长的红光和红外光的吸光度变化率之比(R/IR值)推算出组织的动脉血氧饱和度(SaO2)。由于生物组织是一种强散射、弱吸收、各向异性的复杂光学系统，红光和红外光吸光度相对变化测量值R/IR，与动脉血氧饱和度(SaO2)之间关系的数学模型建立困难。只能通过实验的方法来确定R/IR与SaO2的对应关系，即定标曲线。而现有的血氧仪采用各种电路及方法对于红光与红外光相关信号的处理，但是普遍存在所测量的血氧浓度与实际血氧浓度之间存在不同程度的差异问题，且现有设备的电路结构复杂，集成度不高，不仅精度无法满足需求，而且成本相应比较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种脉搏血氧仪。它的硬件结构简单，外围部件少，且测量精度高。

本实用新型的技术方案：一种脉搏血氧仪，其特征在于：包括微控制单元MCU，微控制单元MCU与探头及LCD显示器相连，微控制单元MCU内置的模/数转换器ADC与探头内的红外光LED和红光LED相连，探头内还设有PIN二极管(光电二极管)，并依次与微控制单元MCU内置的，放大器OA0和OA1以及数/模转换器DAC相连。

前述的脉搏血氧仪中，所述微控制单元MCU为MSP430主控芯片。

前述的脉搏血氧仪中，所述模/数转换器ADC通过互补电路与红外光LED和红光LED相连。

前述的脉搏血氧仪中，所述数/模转换器DAC与微控制单元MCU内置的直流跟踪滤波器相连。

前述的脉搏血氧仪中，所述直流跟踪滤波器为IIR滤波器。

其中，微控制单元MCU控制红外光LED和红光LED的开关以及电流，从而控制LED的光输出水平，而PIN二极管受到红外光LED和红光LED的发光激活，产生电流信号，并依次经过放大器OA0和OA1的放大及数/模转换器DAC的转化，再经过直流跟踪滤波器，去除直流信号，最后经过MCU处理单元进行计算，得出心率及血氧浓度，并显示在LCD显示器上。

与现有技术相比，本实用新型采用内置丰富集成模块的MCU为基本构架，利用内部丰富的集成模块功能，完成对血氧浓度以及心率的测量，并将其测量结果显示在LCD。因此所需要的其他外部器件较少，这可以大大降低成本，且采用内置的运放等模块，保证了测量精度。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的脉冲产生电路图；

图3是本实用新型实施例的直流跟踪滤波器示意图。

附图中的标记为：1-探头，2-LCD显示器，3-红外光LED，4-红光LED，5-PIN二极管，6-直流跟踪滤波器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。

实施例。一种脉搏血氧仪，如图1所示，包括微控制单元MCU，微控制单元MCU与探头1及LCD显示器2相连，微控制单元MCU内置的模/数转换器ADC与探头1内的红外光LED3和红光LED4相连，探头内还设有PIN二极管5，并依次与微控制单元MCU内置的放大器OA0和OA1以及数/模转换器DAC相连。所述微控制单元MCU为MSP430主控芯片，如MSP430FG439。所述模/数转换器ADC通过互补电路与红外光LED3和红光LED4相连。所述数/模转换器DAC与微控制单元MCU内置的直流跟踪滤波器6相连。所述直流跟踪滤波器6为IIR滤波器。

工作原理：本实用新型是通过检测充血人体末梢组织如手指或耳垂等部位对不同波长的红光(660nm)和红外光(940nm)的吸光度变化率之比，推算出组织的动脉血氧饱和度(SaO2，Saturation ofOxygen；SPO2，Saturation of Peripheral Oxygen)。用于测量的红光和红外发光二极管位于探头内，采用MSP430芯片，利用其低功耗特点以及内部模拟器件的高度集中，需要的外部器件较少，对于降低成本具有重要意义。工作过程中，轮流打开红光和红外光发光二极管，这也将有助于降低系统功耗。两个LED每秒复用500次，PIN二极管也因此轮流由上述两个发光二极管激活。PIN二极管信号由内置放大器OA0和OA1进行放大。ADC对OA0和OA1两个放大器的结果进行采样，ADC硬件对采样信号排序，MCU通过软件方法对红光和红外光部分进行区分。血氧浓度和心率值可以通过LCD显示，除了MCU和个晶体管以外，在本设计中只需要一些无源器件。

模/数转换器ADC通过互补电路与红外光LED3和红光LED4相连形成的LED脉冲产生电路：

LED脉冲产生电路中有两个LED，一个为可见红光波长，另一个为红外波长，位于通过DB9相连的探头内部，采用桥式驱动。如图2所示为LED脉冲产生电路，上述两个LED通过RS1的2脚和3脚与该部分电路相连。通过P2.2和P2.3驱动此互补电路，DAC0控制流经LED的电流以及它们的光输出水平，整个电路采用时分复用方式。通过软件上配置MSP430FG439内部DAC的控制寄存器，可以将12位DAC0与MCU的引脚5或引脚10相连接，没有被选择输出DAC0信号的引脚，应当设置成高阻抗或低输出。

采样与触发PIN二极管信号电路：

PIN二极管(光电二极管)接收到光以后，产生一个电流信号，该电流信号经过MCU内置的跨阻放大器OA0进行放大。由于光电二极管产生的该电流信号比较小，要求对其进行放大的跨阻放大器的漂移电流非常小。OA0的输出信号包括两个部分，一是大约1V的直流部分，还有峰峰值大约10mv的较小交流部分。直流部分是由于身体组织含氧量较少部位及散射光形成的，这部分与LED发出光的强度成一定比例。身体含氧量较高部位，例如动脉，它们的光调制与50/60Hz环境光带来的噪声构成OA0输出信号的交流部分，这部分信号就是需要提取及放大的部分。

LED光控制部分通过图2所示电路部分，使OA0输出保持在一定范围内，分别对红光及红外光的范围进行控制，在一定误差允许范围内，两个LED的输出可认为是相匹配的。

第二级放大器OA1对OA0输出信号的交流部分进行提取和放大，直流跟踪滤波器提取出信号的直流部分，该直流部分作为OA1的偏移输入。OA1只放大两个输入端之间不同的部分，即只放大信号的交流部分，滤除信号的直流部分。同样，OA1的偏移部分也被放大，并被叠加到了输出部分，在后面电路中需要滤除这部分。

交流信号处理部分电路：

ADC以1000sps速率对OA1的输出部分进行采样，由于红光LED和红外光LED轮流打开，所以对每个LED信号的采样速率为500sps。

由于OA1输出部分的采样信号需要去除直流部分，需要的截止频率非常低，因此不能选择高通滤波器，我们采用IIR滤波器对直流部分进行跟踪，为了得到真实的交流信号，我们将从输入信号中减去该部分直流信号。

为了滤除50HZ及以上环境噪声，我们对采样信号进行数字滤波，我们选择截止频率为6HZ，在50HZ以上时存在50dB衰减的低通FIR滤波器，这时的信号与通过动脉的心跳脉冲相似。

该直流跟踪滤波器(如图3所示)为IIR滤波器，该滤波器将把输入和最后输出信号之间的差异叠加到最后输出部分，若输入部分有变化，输出部分也将调整，使其在一定时间内保持与输入一致。调整的比率由系数K控制，K由实验获得。如果输入包括直流和交流部分，将设置系数K足够小，产生一个与交流部分频率相关的时间常量，交流部分在一定时间的累积过程中自身抵消，输出将只跟踪输入的直流部分。

为了保证足够的动态范围，计算采用双倍精度32位，只使用最高16位有效位。

操作原理

脉搏血氧仪，通过测量被人体组织吸收的光线强度计算血样浓度。血样浓度(SaO2)定义为氧化血红蛋白(HbO2)含量与血红蛋白总量之比，可用公式(1)进行计算。

血氧浓度＝氧化血红蛋白/总血红蛋白    (1)

人体组织对穿过光线的吸收能力取决于血液的含氧量，这两者之间的关系是非线性的。设计中采用两种不同波长的光，假设波长分别为λ1和λ2，对它们轮流进行测量，这样可以降低测量的复杂性。血氧浓度(SaO2)与采用的两种光的波长比率R’存在下面的关系。

$R^{\′}=\frac{\log \left(I_{\mathrm{ac}}\right){\mathrm{\λ}}_1}{\log \left(I_{\mathrm{ac}}\right){\mathrm{\λ}}_2},$ SaO2＝αR′    (2)

测量中存在直流部分和交流部分，直流部分是身体组织和静脉吸收的结果，而交流部分是动脉吸收的结果。

由R’与SaO2关系可知，理论上R’与SaO2存在线性关系，实际上由于生物组织是一种强散射、弱吸收、各向异性的复杂光学系统并不是公式所示的线性关系，一般采用查表的方式获得正确的结果。血氧浓度及心率计算

由于要处理两个LED的脉冲信号，替代传统的模拟信号处理方法，我们选择数字信号处理方法。为了滤除50/60Hz噪声，采用低通滤波。针对不同波长的光，我们都是将直流部分滤除，保留反映动脉血样浓度的交流信号。对一定心跳周期内的信号的平方求平均，可以通过这种方法计算有效值。直流部分测量，可以通过对一定数量心跳周期的信号进行平均的方法。

每个LED的驱动能力是可控的，所以PIN二极管获得的直流部分在一定误差范围内可以满足目标要求，两个LED在一定的误差范围内，可以达到相匹配。一旦直流部分达到匹配，血氧浓度可以通过对有效值的对数相除来计算。

对于心跳，可以通过3次心跳内的采样数来计算，每分钟的心跳数可以通过下式计算：

每分钟心跳数＝500*60/(采样计数/3)。

Claims (5)

1.一种脉搏血氧仪，其特征在于：包括微控制单元MCU，微控制单元MCU与探头(1)及LCD显示器(2)相连，微控制单元MCU内置的模/数转换器ADC与探头(1)内的红外光LED(3)和红光LED(4)相连，探头内还设有PIN二极管(5)，并依次与微控制单元MCU内置的放大器OA0和OA1以及数/模转换器DAC相连。

2.根据权利要求1所述的脉搏血氧仪，其特征在于：所述微控制单元MCU为MSP430主控芯片。

3.根据权利要求1或2所述的脉搏血氧仪，其特征在于：所述模/数转换器ADC通过互补电路与红外光LED(3)和红光LED(4)相连。

4.根据权利要求1或2所述的脉搏血氧仪，其特征在于：所述数/模转换器DAC与微控制单元MCU内置的直流跟踪滤波器(6)相连。

5.根据权利要求4所述的脉搏血氧仪，其特征在于：所述直流跟踪滤波器(6)为IIR滤波器。

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