CN204542141U - 一种反射式脉搏血氧仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种反射式脉搏血氧仪，属于医疗电子领域，主要由电源单元、信号采集单元、信号调理单元、数模转换单元、控制存储单元和输出单元组成。在信号采集单元中，采用940nm红外光传感模块和660nm红光传感模块来测量人体血氧脉搏信号；同时，采用磁耦合谐振无线收发装置电路为本反射式脉搏血氧仪提供用电支持。本实用新型应用成本低、可靠性高、无线充电、稳定性好、测量精度高。

Description

一种反射式脉搏血氧仪

技术领域

本实用新型涉及医疗电子领域，具体涉及一种通过940nm和660nm双波长的传感器来完成血氧脉搏信号采集的反射式脉搏血氧仪。

背景技术

医疗电子是一个非常实用的领域，主要通过一些电子设备完成对人体部分生理参数的检测，以判定身体是否处于健康状态。相对来说，美国、日本等发达国家在医疗电子行业方面要超过国内很多，一些国内的医疗电子设备稳定性差、不精确，而最大的问题是国内对设备的内部算法还处于模糊状态，这也是造成国内医疗设备处于一个不稳定状态的首要原因。在国内，对人体血氧脉搏进行监测的方法不外乎是红光透射，采用红光透射方法形成的产品在功能稳定性、灵敏度以及方便度上均有所缺陷。透射对人体血流速度有压迫力，这造成血流速度减慢，带来很大的非线性测量误差。反射式测量主要通过红外光与红光的反射能力来完成对血氧与脉搏信号的测量，设备不与身体直接接触，不会对血流有影响，这在很大程度上提升了产品的稳定性和可靠性。但是红光透射式方式均采用单一波长的红光信号来完成血氧的检测，在测量精度方面就略显逊色。红外940nm波长与红光660nm波长可完成血氧脉搏信号的检测，这两个波长完全符合血氧检测的波长要求。另外，传统的透射方案大多采用直连供电方式，或者直连充电，这不利于用户操作。

随着人们生活水平的不断提升，人们对身体健康的关注度也是越来越高，在血氧脉搏检测方面，急需一种实时快捷方便的检测方式，而传统设备不易携带、实时操作性较差。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供了一种反射式脉搏血氧仪，此血氧仪应用成本低、可靠性高、稳定性好、测量精度高，同时采用反射式测量，测量区域多，无需穿戴，使用方便。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种反射式脉搏血氧仪，主要由电源单元、信号采集单元、信号调理单元、数模转换单元、控制存储单元和输出单元组成。电源单元，为此反射式脉搏血氧仪提供用电支持。信号采集单元，包括940nm红外光传感模块和660nm红光传感模块，用于对人体血氧脉搏信号的测量。信号调理单元，包括信号调理模块，用于接收信号采集单元的输出信号，并对此输出信号进行幅值放大提升、干扰信号去除处理。数模转换单元，接收信号调理单元的输出信号，将此输出信号转换为数字信号。控制存储单元，获取数模转换单元的数字信号，并对此数字信号进行FFT(Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换)、小波变换、峰值寻找处理从而得到处理后的血氧脉搏信号，同时存储处理后的血样脉搏信号。输出单元，输出处理后的血样脉搏信号。

上述信号调理模块具体为：电容C1一端接收信号采集单元的输出信号，即生物电信号，且通过电阻R2接地，另一端连接差分运算放大器G1同相输入端，所述差分运算放大器G1同相输入端与输出端P1之间并联电容C3和电阻R3，所述差分运算放大器G1反相输入端与输出端N1之间并联电容C4和电阻R4，差分运算放大器G1反相输入端依次通过电容C2、电阻R1和一个有极性电容接地；所述差分运算放大器G1的输出端N1连接运算放大器G2的反相输入端，差分运算放大器G1的输出端P1连接运算放大器G2的同相输入端。

上述数模转换单元包括24位片外高精度ADC模块。

上述信号调理单元与数模转换单元之间还接有硬件滤波器。

上述输出单元包括显示模块和RF无线模块。

上述电阻R3、R4大小都为10K，电容C3、C4大小都为5pf，电容C1、C2大小都为100nf，电阻R1、R2大小都为100K。

上述电源单元包括磁共振耦合无线输出侧和磁共振接收整流稳压侧，所述磁共振耦合无线输出侧的结构为高频驱动模块连接晶体管Q1栅极，所述晶体管Q1源极接地，漏极与电容Cs和电阻Rs依次相连，所述电容Cs两端并联电感Ls。所述磁共振接收整流稳压侧的结构为电感L_L、电阻R_L、电容C_L、智能开关和电池依次相连，电池输出电压U_L即为电源单元输出电压。

上述电源单元还设置有电量管理模块，用于对电池和智能开关的控制。

上述显示模块采用小型化高亮、高分辨率的OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)。

本实用新型的有益效果是：采用双发光LED(940nm红外LED与660nm红光LED)完成对人体血氧脉搏信号的检测，解决了传统方案中由于穿戴设备对血流的压迫而造成的血流速度下降，测量偏差大的问题。采用双波长传感设备测量，测量精度得到进一步提升。采用简洁的信号调理电路以及采用24位高精度ADC完成中频信号的采集，进一步提升系统的测量精度。最终的数据显示采用小型化高亮、高分辨率的OLED，OLED直接显示出血氧值、脉搏值和数据的分析结果，方便、实用。

附图说明

图1是本实用新型反射式脉搏血氧仪整体结构示意图。

图2是本实用新型反射式脉搏血氧仪采用双波长传感设备采集生物信号的示意图。

图3是本实用新型反射式脉搏血氧仪生物电信号的调理、模数转换等单元电路示意图。

图4是本实用新型反射式脉搏血氧仪电源单元电路示意图。

图中：M表示磁共振耦合无线输出侧与磁共振接收整流稳压侧之间的相互关系，M1表示信号调理模块，M2表示纯增益的运算放大器，M3表示片外高精度ADC模块，1表示磁共振耦合无线输出侧，2表示磁共振接收整流稳压侧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

采用传统医疗设备对血氧脉搏信号进行检测，往往精度差、稳定性差、偏差大，且穿戴操作不方便，为解决这些问题，本实用新型采用双发光LED(940nm的红外LED与660nm的红光LED)反射式测量方法来采集人体血氧脉搏信号，再与中频信号调理单元、控制存储单元(FFT频域分析、小波变换等)、高清OLED数据实时显示、无线充电装置模块实现一体化。传统的方案需要各种有线穿戴装置与PC机或手机配合使用，需要复杂的连接线(探头)、PC机等，而本实用新型采用双发光LED完成血氧脉搏信号的检测，低成本、小体积，无多余设备，整个装置可操作性强，方便携带。

本实用新型装置主要由电源单元、信号采集单元、信号调理单元、数模转换单元、控制存储单元和输出单元组成。

电源单元，为此反射式脉搏血氧仪提供用电支持。电源单元包括磁共振耦合无线输出侧1和磁共振接收整流稳压侧2，所述磁共振耦合无线输出侧1的结构为高频驱动模块连接晶体管Q1栅极，所述晶体管Q1源极接地，漏极与电容Cs和电阻Rs依次相连，所述电容Cs两端并联电感Ls。所述磁共振接收整流稳压侧2的结构为电感L_L、电阻R_L、电容C_L、智能开关和电池依次相连，电池输出电压U_L即为电源单元输出电压。

如图4所示，这是磁耦合谐振无线收发装置电路、电量管理模块示意图，本实用新型中构建了一个高频信号的驱动模块，通过脉冲驱动来控制充电发送装置，而频率控制信号与占空比信号来自于数据分析中心。整个模块由发射端与接收端LC谐振线圈回路、高频脉冲信号驱动、电量管理模块这三个模块组成，发射端与接收端LC谐振线圈回路分别由两个相匹配的LC谐振线圈回路组成，由Ls和Cs构成的发射端谐振线圈回路，在高频脉冲信号的驱动下，不断向周围空间发出电磁波，在近场区形成非辐射交变磁场，经过强磁耦合谐振，被由L_L和C_L构成的接收端谐振线圈回路进行电能接收，从而实现电能高效率、中距离的无线传输。电能最终传送到电池，电池将电能又传送到电量管理模块，当电池电量超过某一阀值时，电量管理模块自动切断智能开关。当电量低于某一阀值时，电量管理模块自动开启智能开关。

信号采集单元，包括940nm红外光传感模块和660nm红光传感模块，用于对人体血氧脉搏信号的测量。如图2所示，这是940nm的红外传感设备与660nm的红光传感设备，外加LED驱动模块构成的生物信号采集示意图。其中D1为红光传感设备，D2为红外传感设备，首先通过驱动信号来控制LED驱动器的输出电流与输出电压，从而使用D1与D2工作于稳定的状态，当D1与D2发生的光信号射到生物半透明介质后，T1会收到反射信号，然后，经过T1的转换，形成电信号送往信号调理模块。

信号调理单元，包括信号调理模块，用于接收信号采集单元的输出信号，并对此输出信号进行幅值放大提升、干扰信号去除处理。信号调理模块具体为：电容C1一端接收信号采集单元的输出信号，即生物电信号，且通过电阻R2接地，另一端接差分运算放大器G1同相输入端，所述差分运算放大器G1同相输入端与输出端P1之间并联电容C3和电阻R3，所述差分运算放大器G1反相输入端与输出端N1之间并联电容C4和电阻R4，差分运算放大器G1反相输入端依次通过电容C2、电阻R1和一个有极性电容接地；所述差分运算放大器G1的输出端N1连接运算放大器G2的反相输入端，差分运算放大器G1的输出端P1连接运算放大器G2的同相输入端。

如图3所示，在M1模块中，R1、R2、C1、C2、R3、R4、C3、C4与差分运算放大器G1共同构成带通滤波器，R1～R4、C1～C4这些分立元件的值共同确定这个带通滤波器的拐角频率，其中，G1具有对称的反馈结构，即R3＝R4＝10K，C3＝C4＝5pf，并且C1＝C2＝100nf，R1＝R2＝100K，当脉冲重复频率为1KH_Z时，该带通滤波器的拐角频率为16H_Z左右。G1是一块精密运算放大器件，其输出差分信号送至G2。经过带通滤波器的信号基本上就是有用的信号，但是，此时信号的幅值太低，所以，才有了M2模块，M2模块是一个单纯的增益电路，即G2是一块普通的运算放大器件，完成15db闭环增益。最终，信号送到M3模块，M3对信号再次进行硬件滤波(仍然是带通滤波器)，然后才将信号送到24位ADC模块，该ADC模块采用同步串行通信接口，完成与数据分析中心进行通信。在图3中，其通信接口为SCK、MISO、MOSI、nCS、RDY，其中，ADC作为从设备，所以SCK是主设备为其提供的时钟信号，MISO是主入从出(即数据由ADC到数据分析中心)，MOSI是主出从入(即数据从数据分析中心到ADC)，nCS是ADC片选信号，RDY是ADC告诉数据分析中心，已经转换完成。

数模转换单元，接收信号调理单元的输出信号，将此输出信号转换为数字信号。

控制存储单元，获取数模转换单元的数字信号，并对此数字信号进行FFT、小波变换、峰值寻找处理从而得到处理后的血氧脉搏信号，同时存储处理后的血样脉搏信号。

输出单元，输出处理后的血样脉搏信号。

Claims (9)

1.一种反射式脉搏血氧仪，其特征在于，主要由电源单元、信号采集单元、信号调理单元、数模转换单元、控制存储单元和输出单元组成；

电源单元，为此反射式脉搏血氧仪提供用电支持；

信号采集单元，包括940nm红外光传感模块和660nm红光传感模块，用于对人体血氧脉搏信号的测量；

信号调理单元，包括信号调理模块，用于接收信号采集单元的输出信号，并对此输出信号进行幅值放大提升、干扰信号去除处理；

数模转换单元，接收信号调理单元的输出信号，将此输出信号转换为数字信号；

控制存储单元，获取数模转换单元的数字信号，并对此数字信号进行FFT变换、小波变换、峰值寻找处理从而得到处理后的血氧脉搏信号，同时存储处理后的血样脉搏信号；

输出单元，输出处理后的血样脉搏信号。

2.如权利要求1所述的反射式脉搏血氧仪，其特征在于，所述信号调理模块具体为：电容C1一端接收信号采集单元的输出信号，即生物电信号，且通过电阻R2接地，另一端接差分运算放大器G1同相输入端，所述差分运算放大器G1同相输入端与输出端P1之间并联电容C3和电阻R3，所述差分运算放大器G1反相输入端与输出端N1之间并联电容C4和电阻R4，差分运算放大器G1反相输入端依次通过电容C2、电阻R1和一个有极性电容接地；所述差分运算放大器G1的输出端N1连接运算放大器G2的反相输入端，差分运算放大器G1的输出端P1连接运算放大器G2的同相输入端。

3.如权利要求1或2所述的反射式脉搏血氧仪，其特征在于，所述数模转换单元包括24位片外高精度ADC模块。

4.如权利要求1或2所述的反射式脉搏血氧仪，其特征在于，所述信号调理单元与数模转换单元之间还接有硬件滤波器。

5.如权利要求1或2所述的反射式脉搏血氧仪，其特征在于，所述输出单元包括显示模块和RF无线模块。

6.如权利要求2所述的反射式脉搏血氧仪，其特征在于，所述电阻R3、R4大小都为10K，电容C3、C4大小都为5pf，电容C1、C2大小都为100nf，电阻R1、R2大小都为100K。

7.如权利要求1或2所述的反射式脉搏血氧仪，其特征在于，所述电源单元包括磁共振耦合无线输出侧(1)和磁共振接收整流稳压侧(2)，所述磁共振耦合无线输出侧(1)的结构为高频驱动模块连接晶体管Q1栅极，所述晶体管Q1源极接地，漏极与电容Cs和电阻Rs依次相连，所述电容Cs两端并联电感Ls；所述磁共振接收整流稳压侧(2)的结构为电感L_L、电阻R_L、电容C_L、智能开关和电池依次相连，所述电池输出电压U_L即为电源单元输出电压。

8.如权利要求7所述反射式脉搏血氧仪，其特征在于，所述电源单元还设置有电量管理模块，用于对电池和智能开关的控制。

9.如权利要求5所述的反射式脉搏血氧仪，其特征在于，所述显示模块采用小型化高亮、高分辨率的OLED。