便攜式血氧飽和度監測設備的研究

胡欣宇，趙召龍，陳相福，王昕波

(山西農業大學，山西 太谷 030801)

便攜式血氧飽和度監測設備的研究

胡欣宇，趙召龍，陳相福，王昕波

(山西農業大學，山西 太谷 030801)

目前國內臨床使用的血氧飽和度監測設備的體積和重量都比較大，不便攜帶，且大多為有線數據傳輸，給醫生和患者的使用都帶來了很大的不便。本文提出了一種利用指套式傳感器探頭監測血氧飽和度的便攜式方案，相對于傳統的血氧飽和度監測設備而言，它可以隨時隨地通過無線傳輸方式監測人體的血氧飽和度指標。

血氧飽和度；便攜式；指套式傳感器探頭

0 引言

血氧飽和度(SpO2)就是血液中的血氧濃度，即人體血液攜帶氧能力（呼吸循環）的重要生理參數[1]。在監護室急救病房、手術麻醉、病人運動和睡眠研究、以及慢性呼吸循環系統疾病患者的監控上都有很重要的作用[1,2]。

與目前的血氧飽和度監測設備相比，本文中儀器有以下幾方面特點：①便攜設計，體積小；②連續的、無損傷的監測血氧飽和度值；③數據傳輸存儲更加方便。

1 系統設計

基于郎伯-比爾定律和血液中去氧血紅蛋白允許很多的紅外線通過并且吸收大量紅色可見光，且高度含氧血紅蛋白允許多數的紅色光通過且吸收大多的紅外線這一特殊性質，根據感應氧化血紅蛋白以及去氧血紅蛋白對紅外線和紅光的吸收比例來測定血液中的含氧量[3,4]。血氧飽和度的計算公式如下:

式中，A、B、C為定標常數,可以由定標實驗得到

為兩個波長的光吸收比率[5,6]。其中,VREDAC為紅光的交流分量;VREDDC為紅光的直流分量;VIREDAC為紅外光的交流分量;VIREDDC為紅外光的直流分量。

所用光源一般為發光二極管，采用驅動電路的驅動發出紅色可見光和紅外線。常見的測試部位有耳垂、指尖或者腳尖[7]。所用傳感器探頭包含兩個發光二極管和一個光敏二極管。光敏二極管將接收的光信號轉化為電流信號且經兩級放大、濾波、AD轉換、數值計算，最后得到血氧飽和度值。

1.1 探頭及驅動電路

在系統設計中，使用了在指尖測量血氧飽和度的方案，選用指套式傳感器探頭，探頭采用14幀的小型接口，符合小型化設計要求。血氧測量驅動電路設計考慮到以下因素：①易用性，模塊要易用，所需外圍器件要少，降低設計復雜度；②模塊的體積，基于小型化設計要求，模塊的體積要小；③模塊的供電電壓和功耗，低功耗設計也是設計的基本要求之一；④測量精度要高；⑤多參數測量，如可測量脈率、脈搏強度等。基于上述因素的考慮，設計出了血氧監測驅動模塊，尺寸為39×20×5.6 mm，供電的電壓為3.3 V，最大的工作電流30 mA，血氧飽和度的測量精度±2%（正常范圍為70%～100%）。此外，該模塊還包含了脈率測量的功能，其測量范圍為 30～235次/分，精度大致為±2%。模塊還對外提供UART通信接口，其通信波特率為4800。血氧監測驅動模塊以及指套式探頭實物圖如圖1所示。

圖1 血氧監測驅動模塊及指套式傳感器探頭Fig.1 Blood oxygen monitoring drive module and finger-cot sensor probes

在血氧監測的驅動模塊以及指套式傳感器探頭的基礎上，還設計出血氧測量系統的電路。如圖 2所示為血氧測量驅動模塊的電路原理圖。在設計該電路時，將硬件平臺UART接口與血氧監測驅動模塊的P1端口相連接，用來傳輸數據。將傳感器探頭接口管腳對應的電氣信號與P2端口相連接，用作發光二極管的驅動，并且接收光敏二極管會把光信號轉為微弱電流信號。該血氧監測驅動模塊會多級處理其接收到的微弱電流信號，最后會得到相應的血氧飽和度值。

圖2 血氧監測單元電路原理Fig.2 Circuit schematics of blood oxygen monitoring unit

1.2 數據傳輸設計

如圖3所示，是血氧監測驅動模塊的監測數據處理流程。第一步，利用一個跨阻放大電路（電阻反饋放大器電路）將從P2口接收的電流信號進行初級放大，并轉換電流-電壓信號，同時濾除高頻信號，最后放大器輸出一個交直流疊加的信號[8]。第二步，利用一個差分放大器，消除直流分量并實現交流分量放大的功能。第三步，濾波處理，濾除掉一些小直流偏置信號。第四步，進行A/D轉換,得到數字信號。第五步，處理數據得到血氧飽和度值及脈率值等信息。第六步，串口輸出傳送給硬件平臺。

圖3 血氧監測數據處理流程Fig.3 data processing flow chart of blood oxygen monitoring

1.3 SD卡存儲單元電路設計

為實現監測數據的本地存儲功能，在設計血氧和體溫集成監測節點時還集成了 SD卡存儲單元。當前，SD卡有三種類型，即標準SD卡，Mini SD卡和Micro SD卡。這三種卡的尺寸依次變小，micro SD卡的尺寸僅有15×11×1.0毫米。此外，不同SD卡的引腳數目也各不相同，標準SD卡有9針引腳，Mini SD卡有11針引腳，Micro SD的針腳數最少僅有8個引腳。基于系統的小型化設計需求，存儲單元電路設計使用了較小尺寸的Micro SD卡。另外，Micro SD卡重量較輕，僅有0.5克；工作電壓僅為2.7～3.6 V；與標準SD卡以及Mini SD卡兼容（但需專用適配器），Micro SD的外觀及引腳分布如下圖4所示[9-10]。

圖4 Micro SD卡外觀示意圖Fig.4 Appearance diagram of Micro SD card

Micro SD卡（以下簡稱SD卡）包含兩類通信模式—SPI模式和SD模式。兩類通信的模式不同，所使用的引腳定義及引腳數目也不同。表1給出兩類模式的引腳定義。通過表1可看出，SD卡在SPI通信模式下僅僅使用了6個引腳，第1、8引腳并未使用，采用SD模式能有效減少MCU通用引腳使用的數量。同時，還減少了電路板的走線，也降低了PCB的布線復雜度，這些特性在小尺寸的電路設計中是非常重要的。所以，在本系統電路設計中，SD卡使用了 SPI模式來與硬件平臺通信[11-12]。該 SD卡存儲單元電路原理如圖5所示，其外圍電路很簡單，只需要一個退偶電容連接在 SD卡供電電源的輸入端。

表1 SD卡引腳定義Tab.1 Pin definition of SD card

圖5 SD卡存儲單元電路原理Fig.5 Circuit schematics of SD card memory unit

2 系統測試及優化

2.1 血氧測試以及優化

剛開始，我們測的血氧容積波形中有些許異常現象，就是波形中有些地方比較粗糙，圖中波形下降階段常常會出現干擾，如圖6所示。

經仔細研究分析，發現血氧探頭在同一個探測周期內、不同時間下對電流消耗是不相同的，會出現電流瞬時較大的情況。我們之前使用的電源芯片LTC4088輸出電流僅僅只有100mA并不能夠滿足整個電路板的需求，因此我們初始化了電源芯片的編程，將其調整到 1A以后完美的解決了該問題，如圖7所示[13]。

為能參考心電圖形以及血氧容積波形獲得血壓的數據，將兩種數據集中在一起進行了對比處理研究分析，如圖8所示。目前我們還在研究中。

圖7 處理之后血氧容積波形Fig.7 Processed blood oxygen volume waveform

圖8 心電圖和血氧容積波同一時刻顯示Fig.8 Electrocardiogram and blood oxygen volume wave at the same time

2.2 功耗測試及優化

因ZigBee模塊電路部分的功耗明顯比較大，需盡量降低 ZigBee模塊的功耗，我們先測試 ZigBee模塊的電流，如下表2所示。從表中可看出，在不同的工作狀態下 ZigBee模塊所使用的電流差距非常大，為了降低系統的功耗，盡可能讓ZigBee模塊在沒有工作任務時立刻進入休眠的工作狀態且少發送信息[10]。

表2 功耗測試Tab.2 Power consumption test

血氧系統的功耗測試如表3所示。血氧系統休眠狀態時的漏電現象很嚴重，原因是單片機的 I/O口有漏電流給電路板中的其他模塊消耗了。血氧系統的漏電流是從SPI口的MISO和CLK管腳流出并被血氧模塊和AD7783消耗的。在未改善時，電流消耗還是比較大的[14]。我們在其進入休眠前做了如下設置來進一步降低功耗：

表3 血氧系統功耗測試Tab.3 Power consumption test of blood oxygen system

首先，將 CC2530的非普通I/O口全部設置為普通I/O口；

其次，設置CC2530的普通I/O為輸出屬性，設置CC2530的普通I/O輸出低電平，通過CC2530控制晶體管用來切斷節點電路中其余所有電路的電源；

最后，設置 CC2530寄存器，使其進入休眠的工作狀態。

當外部產生中斷且需要喚醒的時候，需恢復休眠前所修改的設置，以使得系統能夠正常運行。設置之后，血氧系統的功耗比原來降低了90倍之多，如表3所示。

血氧節點正常工作時的電流相對較高，主要因素為血氧模塊需將較多電能轉為光能才可以監測出人們體內血氧濃度等數據。

2.3 系統臨床測試對比分析

我們對系統進行臨床測試，且與對比設備進行對比。測試的環境為25 ± 1℃, 60 ± 2%RH。生理參數測試選用的對比設備如表4所示。

表4 系統臨床測試對比設備Tab.4 Contrast equipment of clinical test for system

我們對七位志愿者進行了血氧濃度的臨床測試對比，其測試結果分別如表5所示。

表5 血氧濃度臨床測試數據記錄Tab.5 Clinical test data record of blood oxygen saturation

從志愿者的血氧濃度測量對比數據中可以看出，系統和對比設備的單點血氧測量值最大差值在2%以內，七位志愿者的血氧濃度測量差值的均值為0.71%。

3 結論

隨著人們對疾病預防和醫療保健的高度重視，便攜式醫療設備逐漸成為每個家庭必不可少的一部分。本文設計了以連續的、無損傷的脈搏血氧飽和度監測為導向，在血氧探頭的設計、脈搏波信號處理的方法、系統的硬件結構以及系統的可靠性、便攜性等方面進行研究，完成了脈搏血氧飽和度監測設備樣機的研制，同時實驗的初步結果表明了系統具備一定的測量精度和穩定性。

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Monitoring Device for Blood Oxygen Saturation

HU Xin-yu, ZHAO Zhao-long, WANG Xin-bo, CHEN Xiang-fu
(Shanxi Agricultural University, Taigu, Shanxi, 030801)

At present, the monitoring devices for blood oxygen saturation used clinically have large size and weight, and also are inconvenient to carry.Data transmission of traditional monitoring devices can only be accomplished by cable, which can bring some trouble to doctors and patients.This paper presented a portable solution that can be used to monitor blood oxygen saturation with finger-cot sensor probes.Compared with traditional monitoring device, the new portable device can wirelessly monitor blood oxygen saturation whenever and wherever.

Blood oxygen saturation; Portable; Finger-cot sensor probe

R318.6

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.03.013

教育部產學合作專業綜合改革項目(20150107)；山西農業大學科技創新基金項目(2015YJ09)

胡欣宇，男，博士，山西農業大學副教授，研究方向為可穿戴健康監護、物聯網；趙召龍，女，山西農業大學軟件學院，軟件工程大三學生；陳相福，男，山西農業大學軟件學院，軟件工程大三學生；王昕波，男，山西農業大學軟件學院，軟件工程大三學生。

本文著錄格式：胡欣宇，趙召龍，陳相福，等.便攜式血氧飽和度監測設備的研究[J].軟件，2017，38（3）：60-64