基于MSP430單片機的脈搏血氧測量儀的研究

文/陳茁

1 引言

隨著醫學的不斷進步與發展，以及人們對健康要求逐漸增高，血氧飽和度這一名詞逐漸走入我們的視野中，成為人們對健康衡量的一項重要指標。顧名思義，血氧飽和度就是血液在運輸過程中能夠攜帶氧氣的能力，人體在進行新陳代謝時，是生物進行氧化的一個重要過程，也就是把有用的氧氣帶入體內，因此攜帶氧氣多少的能力就會對人們的身體健康造成一個重要的影響。在臨床實驗中，一些疾病會使得體內缺少氧氣的供給，這就會使得人體內無法進行正常的新陳代謝，影響人體機能，造成嚴重的后果，因此能夠準確的檢測出血氧的飽和度對于人體的生命健康有著至關重要的作用，同時對于醫學救護也有著里程碑似的重要意義，由此，對測量血氧的儀器也是有一定的要求，這就需要人們去研究，下面針對這一問題展開了分析與討論，最終得到一個既精確，又經濟的測量儀器。

2 血氧測量的相關原理

在血氧飽和度的測量過程中，脈搏血氧測量儀的工作原理主要分為兩種，其主要根據光電傳感器接受到的光的類型，即透射光和反射光，即光線射到介質上，然后分別進行反射和透射，傳播信號，通過光電原理采集信號，又對采集到的信號進行相應的處理，最終反饋出結果。圖1兩種電路原理圖，反映了這兩種方式的采集原理。

透射式和反射式兩種信號采集方式在結果的準確度和抗干擾性等方面各有優缺點，表1 對兩種方式的優缺點做了簡單的對比。

圖1：透射式與反射式的信號采集方式

圖2：透射式

圖3：反射式

脈搏血氧儀主要是通過光電晶體管進行接收和發出信號，圖2、圖3是這兩種血氧儀的結構組成圖。

透射式與反射式的不同在于在于采集光線的方向不同，透射式是從光線射入的另一側采集射入的信號，而反射式是從光線射入的同側采集反射出來的信號；因此，基于這兩種不同的采集信號的方式，為方便測量，保障測量結果的準確性，透射式的測量部位應選擇在較薄的部位，通常指尖是人們選擇的比較多的一個部位，測量的結果也相對而言較穩定；而反射式根據其測量方式的反射，可選擇的身體部位較多，在測量位置上有絕對性的優勢，基于這個優勢，可以在電路設計上提高集成化程度，在健康監護領域受到了廣泛關注。透射式和反射式測量方法原理基本相同，但是基于測量原理所導致的測量部位和測量的難易程度卻不盡相同，因此為了測量結果的準確性，優先選取透射式測量方法，下面將針對透射式的測量方法對脈搏血氧儀進行設計。

3 系統硬件設計

系統選用 TI 公司的 MSP430FG4619 單片機為處理核心，它是一款超低功耗的混合信號處理器 。MSP430FG4619 內部的 DAC12 周期性地輸出 2 路 100 Hz 占空比 1：4 的脈沖 ，被點亮的信號，由光電接收器將其傳遞到單片機內部的OA 放大器進行放大，緊接著進入A/D 進行采樣。DAC12 根據 A/D 采樣信號的大小調節光源驅動的強度 ；整個硬件結構通過電源模塊TPS62007DGS 進行能量供應，單片機輸出的信息一方面通過OLED 顯示模塊顯示，另一方面通過無線通信模塊CC2500 傳遞信息到PC 端。另外還選取了外部接口串口調試和TAG 下載接口進行信息輸出。該設計降低了光源的不穩定性，增加精度及可靠性。由此可以開始進行周期及幅值的分析進而計算出血氧飽和度。

這一應用解決了電壓及供電等問題，如圖4所示系統硬件結構圖。

表1

圖4：系統硬件結構圖

圖5：系統軟件流程圖

圖6：光調制流程圖

4 系統的軟件設計

該系統的設計共分為五個模塊，分別是主控程序模塊，無線通信模塊，信號調制模塊，信號處理模塊及顯示模塊，各個模塊間相互傳遞，各自控制，主控程序啟動后，完成初始化功能，通過光調制、直流跟蹤與交流放大，數字濾波、計算血氧飽和度與心率，OLED 顯示及無線發送等過程，具體的系統流程如圖5所示。

光電傳感器的輸出信號是由兩部分組成的，分別是紅光和紅外光，也是交流分量和直流分量，其中直流分量占據的比例較大，交流分量也只占據了很小的一部分比例，只有5%左右。為了簡便計算，需認為兩路信號中的直流分量相同，這時就需要將其調到一個預設范圍，但是由于個體的不同，會出現一些差異，如信號微弱，此時就需要加強信號，即使如此信號也不會達到初始設定的閾值 ，既然不能達到初始設定的闕值，那就只能降低該值，這樣就能滿足要求，因此需要采用光調制這一方法，光調制的流程如圖6所示。

5 結束語

隨著人們對醫療的需求越來越高，脈搏血氧飽和儀的適用性也越來越受到人們的重視，因此儀器的精確性和便攜性顯得尤為重要。本文通過對比反射式和透射式兩種電路原理的血氧飽和測量儀，得出了透射式的測量儀的精確性更高，充分利用AVR 單片機豐富的內部資源對采集信號進行處理，經大量實驗證明，本系統工作狀態穩定，具有良好的市場前景。