便攜式多參數監護儀的研制與開發

摘 要：便攜式多參數監護儀在醫院、急救和家庭監護系統中扮演著越來越重要的角色。系統以Intel XScale 處理器的嵌入式平臺作為數據處理和顯示平臺，脈搏信號的采集端通過無線射頻集成芯片nRF905與嵌入式平臺實現數據通信。在硬件上實現了光傳感器的雙光束時序控制、數據采集和無線通信，在嵌入式平臺上運用了數字信號處理算法和計算脈率、血氧飽和度的算法，有效地克服了測量信號的噪聲干擾。

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關鍵詞：血氧飽和度；脈搏；C8051；Windows CE；無線射頻通信

Research and Development of the Portable Multiparameter Monitor

——Pulse Oximeter

LUO Jian，LEI Yong，TU Guoqiang，HOU Haijun

(School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu，610065，China)

Abstract：The portable multiparameter monitor plays a more and more important part in the fields of hospital，first-aids and home security.The central platform used to process and display data is based on the processor of Intel XScale.The pulse signals transfer between measure end and central platform with radio frequency communication.For the hardware，the system achieves controlling sequence of two beams of light of light sensor，sampling data and wireless communication.For the central platform，using the arithmetic of digital signals process，calculating pulse rate method and oxygen saturation to overcome the signal noise and interference effectively.

Keywords：oxygen saturation;pulse;C8051;Windows CE;radio frequency communication

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1 引 言

現在多參數監護儀已經在醫院護理和急救系統中得到廣泛的應用。隨著傳感器技術、計算機技術以及無線網絡的快速發展，使得人體多參數監護儀向微型化、遠程化的實現成為可能^［1］。這種監護儀的監護對象不僅是病人，健康者也可能成為監護對象，通過對健康者的生理參數進行監護，使用者隨時可以了解自身的身體狀況并做出相應的調整，更有助于疾病的早期發現和及時治療^［1-3］。它還可以應用于一些特殊的場合，比如：對特殊環境下的工作人員進行身體狀態監測；在戰時，對士兵的人體狀態監護等。

本文提出的便攜式多參數監護儀，是將嵌入式平臺和多個測量端構成一個無線局域網(如圖1所示)。期望這種監護儀能夠在戶外急救中提供一個可行的解決方案。本文將其中一個通路(脈搏血氧測量)做重點介紹，其他通路類似。本文密切結合實際應用，又著眼于有潛力的新技術，研究內容涉及無線射頻、C8051F350/330單片機應用、動態監護、嵌入式軟件開發等技術，是生物醫學與電子技術的交叉學科。

2 脈搏血氧測量原理和方法

脈搏血氧飽和度測量原理是依據郎伯-比爾(Lambert-Beer)定律^［4］：當一束單色光通過溶液介質時，吸光度與溶液的濃度和溶液層的厚度的乘積成正比。根據該定律及血紅蛋白吸收特征曲線，通過數學方法可以推導出血氧飽和度的測量模型：

(1) 使用紅外光(660 nm)和近紅外光(925 nm)作為測量光；

(2) 測量部位為人體指尖；

(3) 脈搏的計算式：PR＝(60×采樣率)／兩波峰間點數。脈搏波峰的確定：在采集的脈搏數據段中，如果某點滿足下面條件，則認為此點為波峰。此點及前后n個點，共2n+1個樣本點，此點是2n+1個樣本中的局部最大值。

(4) 計算血氧飽和度的數學式^［4］。其中a，b為常系數，可以通過數學統計方法擬合標定。

(660)和AC(925)分別是兩路透射光信號的交流成分，DC(660)和DC(925)分別是兩路透射光信號的直流成分。

925 nm近紅外光吸光量的變化主要由氧合血紅蛋白含量影響；而660 nm紅光吸光量的變化主要由還原血紅蛋白含量影響。根據上述分析，綜合人體生理特征及測量的簡便性，本文系統采用的測量方法是雙波長測量法，即：將含動脈血管的部位指尖安置在兩個發光管和一個光探測器之間，控制兩個發光管交替發光，光探測器接收透射光信號，得到脈搏波。通過相關數字處理，首先確定脈搏波準確周期，其次從該復合信號中分解出交流和直流成分，最終通過式(1)求出血氧飽和度。

總之，血氧飽和度的測量關鍵是：能否得到正確的脈搏波形，能否有可行的分析脈搏周期和幅度的算法。

3 硬件系統設計

本系統設計為一個脈搏血氧測量儀，脈搏波信號經過信號調理模塊后，通過無線收發射器構成的小型無線局域網發送到嵌入式平臺，再由嵌入式平臺對數據進行處理，并顯示分析結果和脈搏波形，系統框圖如圖2所示。

3.1 傳感器模塊

傳感器是由光發射器和光探測器組成^［4］，如圖3所示。

光發射器由紅光和近紅外光兩個發光二極管組成，發光二極管具有很好的單色性和亮度。當單色光照射到生物組織上時，會引起生物組織比普通光照射時更為明顯的效應。并且發光二極管具有體積小、重量輕、低功耗(低電壓、小電流)驅動、壽命長等一系列優點。光探測器采用光電池，它的顯著特點是輸出的光電流與受照輻射光強成線性關系，所以，系統中選用光電池輸出的短路電流作為光電轉換的輸出信號。

3.2 LED驅動電路設計

驅動電路的任務是在單片機控制下依照一定時序依次產生紅外光、紅光和暗光三種工作狀態。發光管點亮和熄滅的工作時序如圖4所示。

“ON”表示單片機發光脈沖，相應的二極管導通。“OFF” 表示不發光脈沖，二極管處于截止狀態。T1為驅動紅光發光二極管的脈沖寬度，T3為驅動近紅外光發光二極管的脈沖寬度，T1=T2=T3=T4。T2，T4為暗光時間，即兩個二極管均處于截止狀態的時間。

3.3 前置濾波放大

在生物醫學信號的提取、處理過程中，模擬濾波器作為預處理電路是必不可少的。用運算放大器和RC網絡組成的有源濾波器的性能要遠遠優于無源濾波器，因為運算放大器具有高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗等特性，所以組成的有源濾波器不但能提供一定的增益，并具有緩沖作用。考慮到參數調節和調試的方便性，系統采用了同相結構的二階模擬低通濾波器。

3.4 無線通信模塊

無線通信模塊由射頻芯片nRF905和控制芯片C8051F350以及天線、復位電路、電源等電路組成。nRF905通過SPI接口和單片機進行數據傳送。發送端的作用是發送傳感器檢測的數據信息，而接收端不斷的接收來自發送端的信息，并通過串口傳給上位機(嵌入式平臺)處理。射頻芯片nRF905由一個完全集成的頻率調制器、一個帶解調器的接收器、一個功率放大器、一個晶體震蕩器和一個調節器組成。

3.5 串口通信

無線接收端接收到數據后通過串行口UART把數據發送到嵌入式平臺。此部分在硬件上比較簡單，由于接收端和嵌入式平臺是在一塊的，所以UART接口直接是TTL電平連接的，不需要進行電平轉換。

3.6 嵌入式平臺

本系統使用的上位機是由億道公司提供的Liod嵌入式平臺，它采用Intel XScale系列處理器，提供了豐富的接口，移植上了微軟的Windows CE系統，此系統界面友好，功能強大，應用軟件就是針對這個系統開發的。

4 系統功能的實現與算法

4.1 A/D轉換的實現算法

系統中的A/D轉換部分完全是由單片機C8051F350控制并完成的。8051F350內置有24位A/D轉換器，并且可以使用內置參考電壓，大大減少了電路的復雜度，抗干擾能力也有所增強。

A/D轉換一個很重要的參數就是采樣頻率，為了保證被轉換信號不失真，采樣頻率要滿足奈奎斯特采樣定理。本系統所測的人體外周血液循環的信號是血紅蛋白和氧合血紅蛋白對紅光和紅外光的反射光經過光電池轉換以后的電信號，其中脈搏波信號的頻率一般都在5 Hz以下，正常成人脈率在安靜、清醒的情況下為1～2 Hz，但本系統采用120 Hz的采樣頻率(由于分時采樣，實際采樣速率為480 Hz)，主要有以下幾點考慮：

(1) 脈搏信號中一般都帶有比較強的50 Hz工頻干擾信號，一起采進來利用數字濾波算法將其濾除。

(2) 可以更加真實的體現脈搏波形細節，有助于診斷。

4.2 C8051F350片內固件設計

單片機的程序采用C51程序語言編寫。整個程序劃分為主程序和定時中斷服務程序。A/D中斷服務程序負責A/D 數據讀取、雙光束分離、去背景光干擾、數據打包、數據的發送等一系列工作。主程序則要完成輔助變量定義、系統初始化、采樣控制。

(1) 采樣控制。為降低A/D輸出噪聲，在對A/D的初始化當中，A/D轉換器內部的可編程數字濾波器選擇sinc3類型。考慮到雙脈沖調制信號的高頻成分頻譜特性，A/D的轉換設定在高速工作狀態(如19.2 kHz)，發光脈沖的定時控制和雙脈沖調制下脈搏波信號的采樣控制均通過A/D轉換計數器產生中斷來完成。

(2) 雙光束分離。在單片機的控制下，信號被調制成了脈沖調幅波。從A/D讀取到的雙光脈沖調制下的數字信號中分離出不發光、紅光和紅外對應的脈搏波信號，該部分是A/D中斷服務程序的主體。

5 終端軟件系統設計

本軟件系統運行于Windows CE操作系統環境下，采用EVC進行多線程設計^［6］，主要用于從嵌入式平臺的串口讀取采集到的數據，并對數據進行處理。

數據的讀取占用一個線程而數據處理則在主線程中的定時器中斷函數中進行，流程圖如圖5所示。

程序初始化 打開系統定時器，初始化并打開串口，創建線程和信號事件。

減去背景光數據 測得的信號中，除了包含有用信息外，一些干擾成分，例如環境光、暗電流的影響也必然包括在內。由于環境光、暗電流是串模干擾，并且脈搏波頻率低，變化較緩慢，如果在暗光時采集信號的話，該信號必然能反映此時環境光、暗電流的情況。因此，我們在單片機的控制下，對紅光、紅外光發光二極管點亮時以及暗光時三個工作狀態分別進行采樣，得到三個數字量這樣便可消除環境光、暗電流的影響。同時，對其他干擾也可起到一定的抑制作用。

數字濾波 數字濾波器是具有一定傳輸選擇特性的數字信號處理裝置，其輸入、輸出均為數字信號，實質上是一個由有限精度算法實現的線性時不變離散時間系統。本系統采用無限長單位沖激響應數字濾波器(IIR)。

數據比較與計算 分別找出紅光和紅外光狀態下采樣點中的最大值和最小值，找出兩波谷間的點數。根據計算公式，得出脈搏和血氧飽和度的診斷。

本軟件系統是在EVC編程環境下完成的，EVC是針對Windows CE操作系統的類似VC的編程環境。在這里可以方便的使用C++語言編寫濾波器等算法和顯示界面。

6 結 語

本文介紹了便攜式脈搏血氧測量儀的系統設計和軟件算法，并完成了樣機制作，通過本系統得到的脈搏波波形及數據處理的結果(如圖6所示)，證明本文系統已較好地克服了噪聲干擾等核心問題，測量及處理的結果數據具有較高的可信度。本系統具有便于攜帶、體積小、使用方便、可靠性高等諸多優點，特別是測量端和嵌入式端之間通過無線通信模塊連接，使得多參數監護儀在醫院、急救和家庭監護等系統中具有更廣泛的應用前景。

參 考 文 獻

［1］唐偉，黃曉慶，楊常清.多參數監護儀的發展與未來［J］.北京生物醫學工程，2003，22(1):72-73.

［2］Korhonen I，Parkka J，Van Gils M.Health Monitoring in the Home of the Future［J］.Engineering in Medicine and Biology Magazine，IEEE.2003，22(3):66-73.

［3］Jovanov E，O′Donnell，Lords A，et al.Stress Monitoring Using a Distributed Wireless Intelligent Sensor System［J］.Engineering in Medicine and Biology Magazine，IEEE.2003，22(3):49-55.

［4］高遵伯.基于DSP的脈搏血氧飽和度測量儀的研制［D］.長沙:國防科學技術大學，2002.

［5］王博亮，劉迎春，劉安之，等.醫用傳感器及其接口設計［M］.北京：國防工業出版社，1998.

［6］Douglas Boling.Windows CE 程序設計［M］.北京博彥科技發展有限公司，譯.北京：北京大學出版社，1999.

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作者簡介 羅 劍 男，1982年出生，江西樟樹人，碩士研究生。主要研究方向為機器人和智能控制。

雷 勇 男，1966年出生，四川內江人，教授，博士。主要研究方向為智能測試與控制，機器人控制。

涂國強 男，1963年出生，四川三臺人，工程師。主要研究方向為計算機應用。

侯海軍 男，1983年出生，湖南桂陽人，碩士研究生。主要研究方向為機器人和智能控制。