基于CC2530和NJL5501R的一種新型反射式血氧模塊的設計*

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基于CC2530和NJL5501R的一種新型反射式血氧模塊的設計*

孔德友①馬繼鵬①*石常遠①

目的：基于新型傳感器開發一種反射式可無線傳輸的血氧監測模塊，作為可穿戴設備的終端監測節點。方法：利用朗伯比爾定律對血氧算法進行數學分析，在硬件上設計終端的原理圖，并對傳感器NJL5501R驅動電路、跨阻放大器以及濾波電路進行分析設計；在軟件上描述軟件流程和算法實現，以福祿克INDEX2XLF模擬血氧飽和度確定Q值，產生Q值和血氧的對應圖。結果：血氧監測模塊實現了血氧數據的采集和無線傳輸，實測血氧數值與使用邁瑞iPM10型患者監護儀測量當前血氧值進行對比分析，其誤差＜2%。結論：反射式血氧監測模塊可實現預期功能，但在抗運動干擾、小型化設計以及低功耗上仍有提升空間，尚需進一步研究。

反射式；血氧模塊；無線傳輸

[First-author’s address] Department of Medical Equipment, The Affiliated Hospital of Jining Medical University, Jining 272000, China.

透射式血氧飽和度儀目前已在臨床上廣泛應用，但透射式傳感器需夾在患者的手指上，且舒適度低、有線接口容易損壞，不便于中心監控[1]。基于此，本研究設計研制一款基于反射式傳感器NJL5501R和CC2530的血氧模塊，實現對血氧飽和度的準確測量和對數據的集中采集。該模塊具有體積小、功耗低以及貼在人體表面使用的特點，模塊作為無線傳感網絡中的終端節點通過Zigbee網絡傳輸到中心網絡節點，中心網絡節點打包數據后上傳至中心監護平臺[2]。

1 新型反射式血氧模塊設計原理

1.1朗伯比爾定律

單色光照射到介質表面，通過一定厚度的介質后，介質吸收一部分光能，透射光的強度減弱。光強度的減弱程度與介質濃度和厚度成正比，反射光同樣遵循朗伯比爾定律，而人體組織是一復雜的光學介質，可分為三部分：①靜態的介質，如人體的組織，靜脈血等；②含氧血紅蛋白；③脫氧血紅蛋白。而含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白是動態的，故也可分為兩部分，即靜態吸光度和動態吸光度。如在均勻介質中，當動脈血管波動時，根據吸光度的加合性，總的吸光度為公式1[3]：

式中I0為入射光強度，I為透射光強度；d為固定的光程；Δd為血管收縮擴張時的變化光程；ξs為靜態組織的光吸收系數；Cs為靜態組織的濃度；ξHbO2，CHbO2為含氧血紅蛋白的光吸收系數和含氧血紅蛋白的濃度；ξHb和CHb分別為脫氧血紅蛋白的光吸收系數和脫氧血紅蛋白的濃度[2]。

脈動吸光率為公式2：

紅光波長=660 nm，紅外光波長=990 nm。對紅光，紅外光的吸光率變化的計算為公式3：

血氧值為人體動脈血內含氧血紅蛋白濃度與總血紅蛋白濃度的比值，帶入公式(3)可得到公式4：

血液中脫氧血紅蛋白和含氧血紅蛋白在紅光、紅外光(600～1000 nm)有獨特的吸收光譜，在紅外光照射時，兩者的吸光系數基本相等，故上式仍可繼續簡化，但在實際應用中人體是一個復雜的光學介質，血氧值并不一定與Q值成線性比列關系和二次函數關系，一般要根據實驗制定Q值和血氧值的數據對應表，取得Q值后再通過查表法獲取血氧值[4]。

1.2 Zigbee技術

Zigbee技術是一種無線通信技術，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗以及低傳輸速率，適合遠程低速率數據的傳輸。如圖1所示，血氧模塊采集的數據通過Zigbee網絡傳輸至中心網絡節點，中心網絡節點再通過串口將數據傳輸給電腦工作平臺，從而實現數據的集中采集[5-9]。

圖1 血氧模塊Zigbee網絡圖

2 新型反射式血氧模塊硬件設計

反射式光電傳感器NJL5501R為NEWJRC公司推出的專業采集血氧和心率信號的新型傳感器，內部集成了紅光及紅外光液晶顯示器(LED)和高靈敏度的檢測器，與普通的光電傳感器相比，其靈敏度較高，負責把光信號轉換為電流信號，其硬件設計如圖2所示[10]。

圖2 血氧模塊結構圖

CC2530為內嵌Zigbee協議的增強型8051內核單片機，在系統中起控制和信號采集處理的作用[11]。內嵌操作系統在協議棧的應用層進行開發，芯片可編程輸出功率高達4.5 dBm，低功耗有5種模式，可在不同環境下選擇不同的低功耗模式，具有5通道DMA，8路ADC等外設功能[12]。

跨阻放大器用運放AD8605，負責將微弱電流變化轉化為電壓變化[13]。前置放大器對電壓信號進行初級放大，采用AD8605型號的芯片，放大倍數通過數字變阻器AD5160實現動態可調節[14]。濾波器對高頻和低頻干擾信號進行濾除，由低通濾波電路、50 Hz限波電路以及高通濾波電路組成[15]。

可調增益放大器采用數字可調電阻AD5160和AD8605組成具有64級放大可調。由于測試位置和測試個體的差異性，信號強度會有很大變化，ADC2采集的信號強度通過控制DAC1反饋調節LED的亮度，放大器的倍數以及偏置電壓的幅度，使得采集的信號始終在ADC1的合理量程內[16-18]。

驅動橋電路負責驅動光電傳感器的紅光或紅外光LED[17]。鋰電池及充電電路中，鋰電池采用18650型號，具有限流保護功能。天線采用PCB天線，負責發射和接受無線信號。

2.1血氧傳感器及驅動電路

NJL5501R交替發射紅光及紅外光到介質處，其紅光峰值波長為(660±3) nm，紅外光為(940±10) nm，由于光敏三極管的存在，典型紅光照射時電流輸出能達到1000～4300μA，典型紅外光照射時電流輸出為145～580μA，與光電二極管相比具有較高的靈敏度[10](如圖3所示)。

圖3 NJL5501R原理圖

LED_SWITCH_CONTROL為CC2530通過定時器輸出的方波控制信號，該控制信號頻率為1 kHz，通過控制開關芯片ADG779使得紅光及紅外光LED交替發光。OP281處于深度負反饋，通過DAC_LED_ DRIVER_CONTROL的電位，來精確控制流過2個發光二極管的電流[17](如圖4所示)。其計算為公式5：

圖4 傳感器驅動電路圖

2.2跨阻放大器與濾波電路

跨阻放大器，采用運放AD8605，輸入偏置電壓＜65 μV，輸入偏置電流＜1 pA，開環增益高達1000 V/mV，是一款低噪聲、低功耗、高精度以及軌對軌單端供電運算放大器，非常適合搭建跨阻放大電路[13]。跨阻放大器將流過光敏三極管的電流變化轉化為電壓變化[5](如圖5所示)；其輸出電壓如公式6：

圖5 跨阻放大器電路圖

濾波電路，分別由低通濾波電路、50 Hz限波電路以及高通濾波電路組成[15](如圖6所示)。

圖6 濾波電路圖

二階高通濾波電路截止頻率在685.25 mHz處，有源帶阻濾波器在50 Hz處的衰減為-45.846 dB，滿足對低頻血氧信號的濾波需求。通過Mulitisim軟件進行仿真，其波特圖如圖7、圖8所示。

圖7 二階高通濾波電路波特圖

圖8 50 Hz陷波器波特圖

3 新型反射式血氧模塊軟件設計流程與算法

血氧模塊程序流程如圖9所示。終端初始化后，加入Zigbee網絡，入網成功后，進入循環狀態，定時采集血氧值并發送[3]。其算法如圖10所示，打開ADC采集通道，設定采樣率為512 Hz，采集1024個數據，在實際測量中的Q值為公式7：

圖9血氧模塊程序流程圖

圖10血氧算法流程圖

交流電壓值為3個周期信號中幅度信號的最大值和最小值之差。在模擬前端交流信號進行了放大，公式中的交流信號為實測輸出幅度信號除以對交流信號的放大倍數，包括可調增益放大倍數和前端放大倍數；直流電壓值為3個周期信號所有數據的求和平均。

血氧值正比于Q值，但不一定與Q值成線性關系，只能通過實驗制定經驗數據表格。以福祿克INDEX2XLF模擬血氧飽和度為85%～100%的數據供設備進行測試，得到實驗機Q值對應的血氧飽和度經驗曲線圖[13]，如圖11所示。sample_count為3個信號周期內的采樣點數，其心律的計算為公式8[14-15]：

HR=512×60÷3/sample_count (8)

圖11 Q值與血氧值對應關系圖

4 結論

本研究論述了一種基于CC2530和NJL5501R的新型反射式血氧模塊的軟硬件設計，并取得了較好的實驗成果，與邁瑞IPM10機器進行對比，誤差率為2%[16-18]。但是在實際應用中，仍然存在著許多問題：①模塊的抗運動干擾能力有待加強，算法過于簡單；②Zigbee協議是2.4 G的無線波，穿透能力弱，難以在復雜環境中布網，只在空曠環境如監護室的效果較好；③待機時間有待加長，可進一步加強低功耗設計，或選擇能力密度更高的電池。為此，在后續的研究工作中加強對上述問題的研究，盡早解決工程問題。

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A design of new reflection-type blood oxygen module based on CC2530 and NJL5501R/

KONG De-you, MA Ji-peng, SHI Chang-yuan//China Medical Equipment,2017,14(1):8-11.

Objective: To develop a reflection-type blood oxygen monitor module can transmit message by a new wireless sensor and be used as a terminal monitoring node in wearable devices. Methods: The blood oxygen algorithm is mathematically analyzed by Lambert Beer law; the terminal schematic diagram of hardware, drive circuit, transimpedance amplifier and filter circuit of sensor NJL5501R are analyzed and designed to use in the module; the software process and algorithm implementation is described by special software; the Fluke INDEX2XLF is used to simulate blood oxygen saturation and determine the Q value and then to establish relevant relationship between blood oxygen saturation and Q value. Results: The module can collect blood oxygen data and transmit them by wireless method. And detection result error was less than 2% when this module was compared with the MINDRAY IPM10. Conclusion: The module achieves the expected effect although it still need be improved in some aspects, such as anti movement interference, miniaturization design and low power consumption.

Reflection-type; Blood oxygen module; Wireless transmission

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.01.003

1672-8270(2017)01-0008-04

R197.324

A

2016-03-16

濟寧醫學院附屬醫院科研苗圃項目(MP-2014-028)“基于GPRS和被動RFID的醫療設備管理終端的研究與設計”

①濟寧醫學院附屬醫院醫學裝備處 山東 濟寧 272000

*通訊作者：573908266@qq.com

孔德友,男,(1971- ),本科學歷，高級工程師。濟寧醫學院附屬醫院醫學裝備處，從事設備論證、維修以及科研教學管理工作。