CN220344406U - 一种用于提高血氧仪测量值动态范围的结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于提高血氧仪测量值动态范围的结构，包括光频传感器U1、积分电路、隔直电路、放大电路和MCU，光频传感器U1的输出端分别连接积分电路的输入端和MCU的输入端；积分电路的输出端连接隔直电路的输入端；隔直电路的输出端连接放大电路的输入端；放大电路的输出端连接MCU的AD输入端；MCU的输出端连接积分电路的使能控制输入端。对光频传感器产生的电脉冲信号在一个采样周期内的第一个电脉冲信号积分，再经过隔直、放大和求倒数获得对应的光密度值。解决了脉搏波血氧仪测得的血样脉搏波的波动范围较小的问题，提高血样脉搏波的数值分辨率，从而使其频谱的峰值更加明显，以提高脉率测试的准确度。

Description

一种用于提高血氧仪测量值动态范围的结构

技术领域

本实用新型涉及医疗器械领域，特别涉及一种提高血氧仪测试脉率准确度的结构。

背景技术

通用的指夹式血氧仪血氧信号接收和处理电路结构如图1所示。光频传感器接收穿过被测手指的光信号(光信号随血液中氧合血红蛋白和去氧血红蛋白含量不同而变化)，光频传感器输出的固定采样时间间隔的脉冲数随所接收光信号的光密度不同而改变，且与光密度成正比；MCU接收到光频传感器输出的脉冲，统计到单位时间脉冲数，即脉冲频率，进一步计算得到血氧饱和度值。

脉搏波血氧仪用于测量人的血氧值和脉率值，需要将光密度信号通过光频传感器转换成电脉冲信号，而每个采样时刻的电脉冲信号的频率与所采样的光密度成正比，再通过单片机(MCU)计数得到不同采样时刻对应的采样间隔的脉冲数(代表频率)，就得到血氧脉搏波波形的数值，求频谱后，在合理频率范围内的峰值所对应的频率，就是脉率。但是，光频转换器单位时间输出的最大脉冲数有限，这就造成测得的血样脉搏波的波动范围较小，MCU数字量化后数值分辨率较小。目前量产的血氧仪为了降低成本，都采用较低成本的MCU，求出脉率需要特定的算法，运算量受到限制。这样的波形求频谱后峰值不明显，从而影响准确地得出脉率。

发明内容

针对脉搏波血氧仪测得的血样脉搏波的波动范围较小的问题，提出了一种用于提高血氧仪测量值动态范围的结构。

本实用新型的技术方案为：

一种用于提高血氧仪测量值动态范围的结构，包括光频传感器U1、积分电路、隔直电路、放大电路和MCU，

所述光频传感器U1的输出端分别连接所述积分电路的输入端和MCU的输入端；

所述积分电路的输出端连接所述隔直电路的输入端；

所述隔直电路的输出端连接所述放大电路的输入端；

所述放大电路的输出端连接所述MCU的AD输入端；

所述MCU的输出端连接所述积分电路的使能控制输入端。

其中，对所述光频传感器产生的电脉冲信号在一个采样周期内的第一个电脉冲信号积分，再经过隔直、放大和求倒数获得对应的光密度值。

优选的，所述MCU对放大电路的输出的已经放大的电信号进行采样，转换成数字数据后进行快速傅里叶变换，在频域中找出极值点。

本实用新型的有益效果在于：

通过在指夹式血氧仪硬件结构基础上，增加积分电路、隔直电路及放大电路等操作，提高血样脉搏波的数值分辨率，从而使其频谱的峰值更加明显，以提高脉率测试的准确度。本实用新型改进了通用的指夹式血氧仪血氧信号接收和处理电路硬件结构。

附图说明

图1为通用的指夹式血氧仪血氧信号接收和处理电路硬件结构示意图

图2为本实用新型指夹式血氧仪血样信号接收和处理电路硬件结构示意图；

图3为采用脉冲输出光电传感器的通用型硬件结构血氧仪光密度信号频谱中脉率所对应的极值点示意图；

图4为本实用新型硬件结构血氧仪光密度信号频谱中脉率所对应极值点示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

一种用于提高血氧仪测量值动态范围的结构，如图2所示，包括光频传感器U1、积分电路、隔直电路、放大电路和MCU，

光频传感器U1的输出端分别连接积分电路的输入端和MCU的输入端；

积分电路的输出端连接隔直电路的输入端；

隔直电路的输出端连接放大电路的输入端；

放大电路的输出端连接MCU的AD输入端；

MCU的输出端连接积分电路的使能控制输入端。

对光频传感器产生的电脉冲信号在一个采样周期内的第一个电脉冲信号积分，再经过隔直、放大和求倒数获得对应的光密度值。

MCU对放大电路的输出的已经放大的电信号进行采样，转换成数字数据后进行快速傅里叶变换，在频域中找出极值点。

本实用新型提供一种血氧仪测量脉率提高精准度的技术，通过在通用指夹式血氧仪硬件结构基础上，增加积分电路、隔直电路及放大电路，其中积分电路由MCU来控制，最终在不增加MCU总工作量的前提下，实现了光密度信号动态范围的扩大，为后续通过快速傅里叶变换在频域更精准地提取脉率创造了条件。

脉率测量是指式血氧仪的一项基本测量功能。血氧仪通过光频传感器获得的血样脉搏波光密度信号是周期性的，其周期与脉率周期是一致的，因此测脉率实际上就是测血氧光密度信号的频率。脉率可以在时域获得，也可以在频域获得。时域获得脉率通常通过光密度电周期信号的过零检测，而频域获得脉率则是先求该信号的频谱，在频谱最可能的位置找出极大值点，该点对应的频率就是脉率。由于时域波形受各种生理因素及电气噪声影响更容易变形，这就给通过过零检测来计算脉率增加了难度，因此，血氧脉脉搏波脉率的获取通常是频域获得的。

本实用新型用于提高通过频谱求脉率的精准度。由于光频传感器输出脉冲数有限，血氧脉搏波光密度电信号的幅度范围也有限，这就造成实际测得的血样脉搏波光密度电信号的最大值和最小值之间的幅度差距不大，也就是幅度随时间变化相对不明显，尤其在某些特殊情况下。那么，对这样的信号求频谱所得的极大值就可能不明显，这就给求脉率的值增加了困难；虽然通过特定的算法可以求出脉率，但这就增加了MCU的运算量。目前量产的血氧仪为了降低成本，都采用较低成本的MCU，运算量受到限制；而脉率的提取运算本身就较为复杂；如果将一部分工作交给其他纯硬件去完成，就会在一定程度上降低MCU的工作量；而本实用新型增加的硬件成本较低，因此，可以在不大幅增加成本的基础上，提高脉率获取的精准度。

本实用新型的硬件结构如图2所示，U1是光频传感器，将光密度信号转换成脉冲信号。脉冲信号的频率与光密度成正比，占空比固定为1：1，这样，由于血氧采样频率和周期固定，每个采样值对应的脉冲信号占有的时间长度也相等，那么，光密度越大，对应的数值脉冲的宽度就越小，即光密度与脉冲宽度成反比。U1的信号输出端同时与积分电路的输入端和MCU的输入端连接，放大电路的输出端与隔直电路的输入端连接，隔直电路的输出端与放大电路的输入端连接，放大电路的输出端与MCU的AD输入端连接，而MCU的输出控制信号连接积分电路的使能控制输入端。

光频传感器U1将接收到的光信号转换成脉冲信号，每个采样周期脉冲信号的频率(或脉冲个数)，与该采样时间点信号的幅度成正比。血氧仪通常是通过单片机输入该脉冲信号，并通过单片机对脉冲计数，得到信号在时域的幅度表征值。这样采集到的信号，包含较大直流分量，且幅度最大值与最小值之间的差值不大，这是光频传感器本身特性决定的。这样的信号在频谱上极大值点不是很突出，如图3所示，这就造成不便于判断，可能会带来偏差。

本实用新型通过隔直电路滤除掉信号的直流部分，通过硬件放大器对信号进行正负方向双向放大，这样MCU采集的信号最大与最小值有较大的差距，通过求频谱就能得到较为明显的脉率对应的极大值，如图4所示。这样相当于对原始信号进行了放大。由于数字化算法处理中，受到MCU本身运算单元、存储单元位数等因素限制，运算结果的有微小差别的值可能会被量化为同一值，即数值的分辨率会减小，这就是出现图3情况的原因；如果算法处理之前先放大，不同初始数据之间的差值会被拉大，数值分辨率增大，出现上述情况的概率就会相对变低。

本实用新型不通过MCU来对脉冲进行计数以得到各采样点的信号幅度，而是通过增加的硬件结构，得到信号随时间变化的幅度。通常血氧仪用的光频传感器，输出的脉冲占空比都是1：1。光密度信号幅度越大，单个采样周期内的脉冲数就越多，而采样周期是固定的，这样信号代表的光密度与脉冲宽度成反比。每个脉冲在脉冲周期的积分与其脉冲宽度成正比，则通过积分电路及MCU对其的控制，可以得到该采样点信号幅度的倒数变化规律，经放大器放大后，MCU对其进行采样，只要放大器的放大值选得合适，放大后MCU再进行倒数运算，就足以使信号的最大值和最小值的差值足够大，即得到足够大的数值分辨率，通过求频谱就能得到足够突出的脉率点，从而得到较为精确的脉率。MCU同时接收放大电路的输入和光电传感器的脉冲输入。对于所接收的光电传感器输出的脉冲，在每一个信号采样时间间隔，MCU并不对其计数，而是测得其脉冲周期，然后在一个脉冲周期内使能控制积分器，确保只对一个脉冲周期积分。

MCU的AD转换输入端对已经放大的电信号进行采样，转换成数字数据后进行快速傅里叶变换，在频域中找出最可能的极值点，以求得脉率。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的1种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种用于提高血氧仪测量值动态范围的结构，其特征在于，包括光频传感器U1、积分电路、隔直电路、放大电路和MCU，

所述光频传感器U1的输出端分别连接所述积分电路的输入端和MCU的输入端；

所述积分电路的输出端连接所述隔直电路的输入端；

所述隔直电路的输出端连接所述放大电路的输入端；

所述放大电路的输出端连接所述MCU的AD输入端；

所述MCU的输出端连接所述积分电路的使能控制输入端。

2.根据权利要求1所述的用于提高血氧仪测量值动态范围的结构，其特征在于，对所述光频传感器产生的电脉冲信号在一个采样周期内的第一个电脉冲信号积分，再经过隔直、放大和求倒数获得对应的光密度值。

3.根据权利要求2所述的用于提高血氧仪测量值动态范围的结构，其特征在于，所述MCU对放大电路的输出的已经放大的电信号进行采样，转换成数字数据后进行快速傅里叶变换，在频域中找出极值点。