基于AVR單片機的光頻式脈搏血氧儀設計

時局,盛虎

(大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028)*

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基于AVR單片機的光頻式脈搏血氧儀設計

時局,盛虎

(大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028)*

總結了一種以AVR單片機為硬件核心結合高抗干擾能力光-頻轉換傳感器TSL237的光頻式脈搏血氧儀軟硬件設計.依據紅外光譜法血氧飽和度的測量基本原理，采用H橋驅動電路來驅動雙波長二極管，并應用寬監測范圍光-頻轉換傳感器TSL237將光照強度轉換為頻率信號，傳輸給AVR MEGA16處理器進行運算處理.AVR MEGA16處理器根據連續采樣周期的脈沖計數平均值和每一采樣周期脈沖計數值的變化量計算出血氧飽和度.相比傳統的模擬電路檢測方法，此設計具有電路結構簡單，抗干擾能力強，血氧飽和度測量準確的特點.

血氧飽和度；光-頻轉換器；脈搏血氧飽和儀

0 引言

血氧飽和度是體現人體的呼吸系統、血液中氧氣輸送能力和新陳代謝功能優良的重要指標參數，因此對脈搏血氧飽和度的檢測已成為現代醫療中不可或缺的部分.對于那些需要在室外和戶內休閑運動，并想要了解和衡量自己的身體狀況的人，便攜式脈搏血氧飽和度監測儀是必不可少的.血氧飽和度檢測不僅僅針對老年人，更適合長期熬夜或加班學習，以及酗酒人群、長期運動人群和缺氧環境下并有呼吸疾病的人群.將來，便攜式血氧儀對個人和家庭都有很大的實用性，可以滿足人們對個人健康信息的及時了解，具有很大的實用價值.

傳統的脈搏血氧儀硬件設計基本都是采用模擬電路來實現，包括信號接收電路、放大濾波電路、信號調理電路等部分組成.然而這樣設計出來電路比較復雜、抗干擾性能差、內部存在噪聲大、體積大、功耗高等各種問題[1].所以，脈搏血氧飽和度的檢測技術必須跟進時代的要求，在脈搏波采集方式和血氧信號數據處理等方向還需要進行改善和創新.本設計采用具有高抗干擾能力的光-頻轉換傳感器，因此電路結構簡單，抗干擾能力強，改善了傳統血氧儀采集電路結構和信號數據處理復雜的不足.

1 脈搏血氧測量的相關原理

在人體的呼吸過程中，空氣中的氧氣進入氣管并被輸送到肺泡毛細血管.大部分氧和血液中的血紅蛋白結合成氧合血紅蛋白(HbO2)，而沒有和氧結合的血紅蛋白被稱為還原血紅蛋白(Hb)，在全部血容量中，HbO2的容占全部可結合的Hb容量的百分比,稱為血氧飽和度(SpO2)[2].

根據血液的光學特性研究，在波長為600 ～ 1 000 nm的連續光譜中，HbO2和Hb的吸光系數具有明顯的差異性.

1.1 脈搏血氧飽和度的測定原理

當傳輸光透射過某中溶液時，其光吸收特性遵從Lambert-beer定律[3- 4]，可以描述為：

其中:I、I0分別是透射光強度和入射光強度，c、E、W 分別為物質的濃度、吸光系數及吸光度，L是血溶液厚度.

因此，在某一波長光為λ1處，式(1)對血液溶液可以寫為：

其中:a1、a2分別為HbO2和Hb在波長λ1時的吸光系數，c1、c分別為HbO2和總Hb的濃度.因此結合SpO2的定義，從式(2)可以推得：

同理波長為λ2時，根據式(3)可得：

由式(3)和(4)可以消去總血紅蛋白Hb濃度c及血溶液厚度L得到式(5)：

當波長選為HbO2和Hb吸光系數曲線交點附近時，即a1≈a2≈a時，式(5)變為

其中:A、B為常數，式(6)說明：當一個波長選為曲線交點附近時，SpO2可從血溶液在這兩個波長點的吸收度比率求得，不依賴總Hb濃度c和血溶液厚度L，這就是血氧飽和度測定的基本原理.

因此，采用600～700 nm的紅光和800～1 000 nm的紅外光兩個不同波長光線照射人體組織，經過人體組織透射衰減后，由光傳感器采集到的透射光是由較大的穩定成分(直流信號)和信號較弱的脈動成分(交流信號)組成的脈搏波.其交流部分的信號主要是由于人體動脈血管的正常脈動造成，而直流部分的信號是由人體肌肉，骨骼等不會產生脈動的組織造成.脈搏血氧飽和度主要是通過檢測交流成分和直流成分這兩個變化分量，進而消除非血液部分的影響來測量得到[5].

通過波形特點及理論推導得到血氧飽和度的計算方程公式如下：

其中:A和B為常量，僅與氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對不同波長光的吸收率相關，變量R是一個比值，即血氧飽和度系數R值，如下方程式(8)：

其中:RD_AC為紅光交流信號成分，RD_DC為紅光直流信號成分，RD_AC為紅外交流信號成分，RD_DC為紅外直流信號成分.從式(7)中可以看出，得到R比值就可以知道血氧飽和度的值.另外，在人體手指中的動脈成分量高，相較與其他人體部位，手指的厚度較薄，因此能檢測到透射過手指的光強也是相對較大.

1.2 光頻轉換器原理

大部分傳統的血氧計通常采用光電單元作為傳感器來接收光，然后通過電流電壓轉換和信號調理等，最終用A/D轉換來使采集的信號數字化.這種信號處理電路相對復雜，容易受到外部環境的干擾.光頻率轉換器(Light-Frequency-Conversion)是一個光學傳感器，其傳輸出的頻率與受到的光照強度成正比例關系(如圖1所示)，并可以測量較寬范圍的光強度.光頻率轉換器可以將從人體組織上透射的光信號直接轉換為頻率或與光強度成比例的電脈沖信號.脈沖頻率的變化反映了手指血液流動隨心臟收縮和舒張而產生的變化.

圖1 輸出頻率與輻照光強度的關系

2 系統硬件設計

本文設計的脈搏血氧采集系統，結構如圖2所示，選用內部16 MHz晶振Atmega16作為主控芯片，其內部豐富的計數/定時器除了能夠實現普通的計數和定時功能外，還具有輸入捕捉以及PWM輸出等功能，同時有多通道A/D接口，豐富的中斷源，適合本設計中對脈沖檢測和電路控制的要求[6- 8].

圖2 系統硬件控制結構

本系統使用PD4和PD5端口來控制時序，通過H橋電路來分時驅動發射管發出紅光和紅外光信號，在經過手指吸收衰減后，用光頻轉換器件TSL237作為接受頭，將衰減后的的透射光信號轉換成頻率信號，然后傳輸到微處理器的PB0接口，并由其進行脈沖頻率信號的捕捉，最后對采集到的信號進行計數和分析.對脈沖信號頻率的處理采用的是定數脈沖串累加計時這種方式[9].

2.1 二極管驅動電路

對于血氧飽和度的發射管驅動方式，本設計采用H橋驅動電路，如圖3所示，分別使用ATmega16的PD4和PD5引腳來連接其中的Port3和Port4接口，這兩個引腳都是具有PWM功能，可以使用軟件控制這兩個引腳周期性的輸出100 Hz不同的占空比脈沖來控制雙波長發射二極管按一定規則來交替發出紅光和紅外光，其中PA0和PA1為輸出互補電路的控制信號，電路中的兩個A和B分別相互連接組成完整的二極管驅動電路.

圖3 二極管驅動電路

2.2 光頻采集電路

本設計中血氧采集探頭采用雙波長紅外發射管MQ-LAU 003，它能夠發射出波長為660 nm和940 nm的紅外和近紅外波段的光信號.這兩個波長的光信號透射手指后，被光頻率轉換器件TSL237采集到.

在光頻率轉換器件的內部集成了一個放大器件，具體如圖4所示，因此經過傳感器傳出的信號已經是放大的脈沖信號.所以可以用TSL237光頻傳感器對光信號進行數字化，從而使電路更加簡單，功耗降低，不易受到其他方面的干擾，可以測量到更大的動態范圍.

圖4 光-頻轉換器電路

2.3 雙脈沖二極管驅動時序

本設計采用雙波長發光二極管驅動電路來控制H橋電路，主要是由于脈搏血氧飽和度的測量原理中，探測脈搏血氧飽和度信號需要采用紅光信號和紅外光信號來照射人體組織.微處理器通過控制雙波長發光二極管驅動電路，并按照圖5所示的時序來產生兩路驅動脈沖.

圖5 發光二極管驅動時序

圖5中低電平表示對應的發光二極管截止，處于熄滅狀態，高電平表示對應的二極管處于導通狀態，發光二極管發光.在A時間段內紅光二極管點亮，光-頻轉化器件對光進行自動處理，將輸出的信號傳輸給微處理器，微處理器通過計數得到相應的頻率，從而得到A時間段內的光強度.在B時間段內，紅光和紅外發光二極管都不發光，通過光-頻轉化器件和微處理器可以得到B時刻的光強，這時的光強度主要為背景光的暗光強度，使用A時刻的光強度減去B時刻的光強度，就可以消除背景暗光的影響.同理，紅外光也可以用此方法來消除背景暗光造成的影響.

3 系統軟件設計

在研究比較國內外相關算法的基礎上，本設計實現了脈搏血氧儀的軟件設計.系統由Atmega16單片機來完成系統單元的控制、血氧飽和度的采集濾波和算法處理、結果輸出，并將結果顯示出來，軟件流程見圖6.

圖6 軟件流程圖

對采集數據的處理中，本設計使用紅光和紅外光兩種不同波長的信號光透射手指后，通過光頻轉換器直接將人體組織接受的光信號轉換成其頻率和透射光強度成比例的電脈沖信號，對電脈沖信號進行頻率計數并進行數字信號處理[10].

通過對頻率轉換器輸出的脈沖信號進行計數，并利用連續采樣周期的脈沖計數平均值代表直流分量，和每一采樣周期脈沖計數值的變化量來代表交流分量[11- 13]這種方式來進一步處理.可以得到四個變化量，紅光信號直流分量，紅光信號交流分量，紅外信號直流分量，紅外信號交流分量，分別用IRD_DC，IRD_AC，IIR_DC，IIR_AC來表示，由這四個變化量可以計算出R比值：

其中:信號的直流分量IIR_DC、IRD_DC和交流分量IRD_AC、IIR_AC可通過式(10)～(13)計算得到：

通過上面的式子，可以進一步濾波和數據處理得到R值，進而就可以計算出血氧飽和度.對于心率的計算本系統采取閥值判斷的方法來確定脈搏波的前沿和后沿，其基本思路是：通過差分閥值來找到脈搏波的前后沿，進一步可以搜索得到兩個拐點.這樣就可以分別得到脈搏波的波峰值和波谷值，這兩個拐點對應的值之差就是脈搏波的幅度.利用這兩個拐點，可以連續采集幾次相鄰波的拐點，通過滑動平均值的方法，進而可以計算出更加精確的脈沖周期.最后將處理得到的脈率，血氧飽和度等數據通過單片機串口向外傳送到計算機.

4 系統測試與結果

本設計通過大量實驗對式(7)中的常量A和B進行標定后，為了檢測樣機得到血氧飽和度的結果與標準數據的誤差，用樣機和美國FLUKE的Index- 2xlf型血氧飽和度模擬器分別對6名測試者進行檢測，將測得血氧飽和度值進行對比，如表1所示.由于正常人體的血氧飽和度為94% ～ 99%，通過數據可以得到正常范圍內的誤差相對較小.

表1 血氧飽和度檢測結果%

從表中數據可以得知，當血氧飽和度處于94% ～ 99%的人體正常范圍時誤差小于1%，在血氧偏低的情況下，誤差有加大的趨勢.同時系統的穩定性對使用有一定的要求，應處于平靜的狀態，不能有明顯的動作.

5 結論

本脈搏血氧裝置電路結構簡單，功耗低，抗干擾能力強，系統成本低，通過對血氧信號采集探頭，系統脈沖驅動電路和血氧脈搏波信號的處理方法等方面進行了研究，充分利用AVR單片機豐富的內部資源對采集的信號進行處理，并將數據傳輸到計算機上.經大量實驗證明，本系統工作狀態穩定，有較高的精度，滿足實際使用的需求，具有良好的市場前景.

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Design of Light-Frequency Converting Pulse Oximeter based on AVR Microprocessor

SHI Ju,SHENG Hu

(School of Electrical and Information Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

A design of pulse oximeter is introduced based on the hardware platform of AVR microcontroller. A high anti-jamming capability optical frequency conversion sensor TSL237 is adopted. According to basic principle of infrared spectroscopy measuring oxygen saturation, the drive circuit of H-Bridge to drive dual-wavelength diode is used, and Light-to-Frequency Converter TSL237 is applied to convert light intensity to frequency signal. Then the frequency signal is transmitted to AVR MEGA16 for data processing. Microprocessor uses the pulse count average value of continuous sampling period and variation of the pulse count value of each sampling period to calculate the oxygen saturation. Compared to the traditional method of analog circuits, the design has the advantages of simple structure, strong anti-interference ability and accurate measurement of blood oxygen saturation.

oxygen saturation of blood; light-frequency-conversion; pulse oximeter

1673- 9590(2017)01- 0103- 05

2016- 01- 04

國家科技支撐計劃資助項目(2015BAF20B02)

時局(1988-),男，碩士研究生；盛虎(1978-),男，副教授,博士，主要從事信號與信息處理方面的研究

E-mail:shiji19880215@163.com.

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