專利名稱：一種脈搏血氧儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型專利涉及一種脈搏血氧儀，尤其涉及一種電子脈搏血氧儀。
背景技術(shù)：
血氧儀的適用人群較廣泛，除心血管及呼吸系統(tǒng)疾病的病人外，還可適用于老年人、長時間工作人群、極限運(yùn)動及高山缺氧環(huán)境下人群。心血管及呼吸系統(tǒng)疾病的病人，用脈搏血氧檢測血氧含量，能有效預(yù)防危險(xiǎn)發(fā)生， 如果出現(xiàn)缺氧狀況，第一時間做出補(bǔ)氧決定，大大減少疾病發(fā)作機(jī)會，降低發(fā)病率。老年人及長時間工作人群，用脈搏血氧檢測血氧含量，一旦血氧低于警戒水平，可及時補(bǔ)氧，確保心腦安康。極限運(yùn)動及高山缺氧環(huán)境下人群，通過脈搏血氧儀，對血氧進(jìn)行監(jiān)測可以提前發(fā)現(xiàn)血液攜氧或供氧的問題，避免由高山反映引起紫紺對身體造成危害?，F(xiàn)有的血氧儀，通過檢測充血人體末梢組織如手指或耳垂等部位對不同波長的紅光和紅外光的吸光度變化率之比(RAR值)推算出組織的動脈血氧飽和度(SaC^)。由于生物組織是一種強(qiáng)散射、弱吸收、各向異性的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，紅光和紅外光吸光度相對變化測量值RAR，與動脈血氧飽和度(SaC^)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型建立困難。只能通過實(shí)驗(yàn)的方法來確定RAR與&102的對應(yīng)關(guān)系，即定標(biāo)曲線。而現(xiàn)有的血氧儀采用各種電路及方法對于紅光與紅外光相關(guān)信號的處理，但是普遍存在所測量的血氧濃度與實(shí)際血氧濃度之間存在不同程度的差異問題，且現(xiàn)有設(shè)備的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集成度不高，不僅精度無法滿足需求，而且成本相應(yīng)比較高。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于，提供一種脈搏血氧儀。它的硬件結(jié)構(gòu)簡單，外圍部件少， 且測量精度高。本實(shí)用新型的技術(shù)方案一種脈搏血氧儀，其特征在于包括微控制單元MCU，微控制單元MCU與探頭及LCD顯示器相連，微控制單元MCU內(nèi)置的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC與探頭內(nèi)的紅外光LED和紅光LED相連，探頭內(nèi)還設(shè)有PIN 二極管(光電二極管)，并依次與微控制單元MCU內(nèi)置的，放大器OAO和OAl以及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC相連。前述的脈搏血氧儀中，所述微控制單元MCU為MSP430主控芯片。前述的脈搏血氧儀中，所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC通過互補(bǔ)電路與紅外光LED和紅光 LED相連。前述的脈搏血氧儀中，所述數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC與微控制單元MCU內(nèi)置的直流跟蹤濾波器相連。前述的脈搏血氧儀中，所述直流跟蹤濾波器為UR濾波器。其中，微控制單元MCU控制紅外光LED和紅光LED的開關(guān)以及電流，從而控制LED 的光輸出水平，而PIN 二極管受到紅外光LED和紅光LED的發(fā)光激活，產(chǎn)生電流信號，并依次經(jīng)過放大器OAO和OAl的放大及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC的轉(zhuǎn)化，再經(jīng)過直流跟蹤濾波器，去除直流信號，最后經(jīng)過MCU處理單元進(jìn)行計(jì)算，得出心率及血氧濃度，并顯示在LCD顯示器上。[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用內(nèi)置豐富集成模塊的MCU為基本構(gòu)架，利用內(nèi)部豐富的集成模塊功能，完成對血氧濃度以及心率的測量，并將其測量結(jié)果顯示在LCD。因此所需要的其他外部器件較少，這可以大大降低成本，且采用內(nèi)置的運(yùn)放等模塊，保證了測
量精度。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的脈沖產(chǎn)生電路圖；圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的直流跟蹤濾波器示意圖。附圖中的標(biāo)記為1-探頭，2-LCD顯示器，3-紅外光1^0，4-紅光1^0，5寸頂二極管，6-直流跟蹤濾波器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明，但并不作為對本實(shí)用新型限制的依據(jù)。實(shí)施例。一種脈搏血氧儀，如圖1所示，包括微控制單元MCU，微控制單元MCU與探頭1及IXD顯示器2相連，微控制單元MCU內(nèi)置的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC與探頭1內(nèi)的紅外光LED3和紅光LED4相連，探頭內(nèi)還設(shè)有PIN 二極管5，并依次與微控制單元MCU內(nèi)置的放大器OAO和OAl以及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC相連。所述微控制單元MCU為MSP430主控芯片，如 MSP430FG439.所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC通過互補(bǔ)電路與紅外光LED3和紅光LED4相連。所述數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC與微控制單元MCU內(nèi)置的直流跟蹤濾波器6相連。所述直流跟蹤濾波器6為UR濾波器。工作原理本實(shí)用新型是通過檢測充血人體末梢組織如手指或耳垂等部位對不同波長的紅光(660nm)和紅外光(940nm)的吸光度變化率之比，推算出組織的動脈血氧飽和貞(Sa02, Saturation ofOxygen ；SP02, Saturation of Peripheral Oxygen)。用于 UlJfi 白勺紅光和紅外發(fā)光二極管位于探頭內(nèi)，采用MSP430芯片，利用其低功耗特點(diǎn)以及內(nèi)部模擬器件的高度集中，需要的外部器件較少，對于降低成本具有重要意義。工作過程中，輪流打開紅光和紅外光發(fā)光二極管，這也將有助于降低系統(tǒng)功耗。兩個LED每秒復(fù)用500次，PIN 二極管也因此輪流由上述兩個發(fā)光二極管激活。PIN 二極管信號由內(nèi)置放大器0A0和OAl進(jìn)行放大。ADC對0A0和OAl兩個放大器的結(jié)果進(jìn)行采樣，ADC硬件對采樣信號排序，MCU通過軟件方法對紅光和紅外光部分進(jìn)行區(qū)分。血氧濃度和心率值可以通過LCD顯示，除了 MCU 和個晶體管以外，在本設(shè)計(jì)中只需要一些無源器件。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC通過互補(bǔ)電路與紅外光LED3和紅光LED4相連形成的LED脈沖產(chǎn)生電路LED脈沖產(chǎn)生電路中有兩個LED，一個為可見紅光波長，另一個為紅外波長，位于通過DB9相連的探頭內(nèi)部，采用橋式驅(qū)動。如圖2所示為LED脈沖產(chǎn)生電路，上述兩個LED 通過RSl的2腳和3腳與該部分電路相連。通過P2. 2和P2. 3驅(qū)動此互補(bǔ)電路，DACO控制流經(jīng)LED的電流以及它們的光輸出水平，整個電路采用時分復(fù)用方式。通過軟件上配置 MSP430FG439內(nèi)部DAC的控制寄存器，可以將12位DACO與MCU的引腳5或引腳10相連接，沒有被選擇輸出DACO信號的引腳，應(yīng)當(dāng)設(shè)置成高阻抗或低輸出。采樣與觸發(fā)PIN 二極管信號電路PIN 二極管(光電二極管)接收到光以后，產(chǎn)生一個電流信號，該電流信號經(jīng)過 MCU內(nèi)置的跨阻放大器OAO進(jìn)行放大。由于光電二極管產(chǎn)生的該電流信號比較小，要求對其進(jìn)行放大的跨阻放大器的漂移電流非常小。OAO的輸出信號包括兩個部分，一是大約IV的直流部分，還有峰峰值大約IOmv的較小交流部分。直流部分是由于身體組織含氧量較少部位及散射光形成的，這部分與LED發(fā)出光的強(qiáng)度成一定比例。身體含氧量較高部位，例如動脈，它們的光調(diào)制與50/60HZ環(huán)境光帶來的噪聲構(gòu)成OAO輸出信號的交流部分，這部分信號就是需要提取及放大的部分。LED光控制部分通過圖2所示電路部分，使OAO輸出保持在一定范圍內(nèi)，分別對紅光及紅外光的范圍進(jìn)行控制，在一定誤差允許范圍內(nèi)，兩個LED的輸出可認(rèn)為是相匹配的。第二級放大器OAl對OAO輸出信號的交流部分進(jìn)行提取和放大，直流跟蹤濾波器提取出信號的直流部分，該直流部分作為OAl的偏移輸入。OAl只放大兩個輸入端之間不同的部分，即只放大信號的交流部分，濾除信號的直流部分。同樣，OAl的偏移部分也被放大， 并被疊加到了輸出部分，在后面電路中需要濾除這部分。交流信號處理部分電路ADC以lOOOsps速率對OAl的輸出部分進(jìn)行采樣，由于紅光LED和紅外光LED輪流打開，所以對每個LED信號的采樣速率為500sps。由于OAl輸出部分的采樣信號需要去除直流部分，需要的截止頻率非常低，因此不能選擇高通濾波器，我們采用HR濾波器對直流部分進(jìn)行跟蹤，為了得到真實(shí)的交流信號，我們將從輸入信號中減去該部分直流信號。為了濾除50HZ及以上環(huán)境噪聲，我們對采樣信號進(jìn)行數(shù)字濾波，我們選擇截止頻率為6HZ，在50HZ以上時存在50dB衰減的低通HR濾波器，這時的信號與通過動脈的心跳脈沖相似。該直流跟蹤濾波器(如圖3所示)為HR濾波器，該濾波器將把輸入和最后輸出信號之間的差異疊加到最后輸出部分，若輸入部分有變化，輸出部分也將調(diào)整，使其在一定時間內(nèi)保持與輸入一致。調(diào)整的比率由系數(shù)K控制，K由實(shí)驗(yàn)獲得。如果輸入包括直流和交流部分，將設(shè)置系數(shù)K足夠小，產(chǎn)生一個與交流部分頻率相關(guān)的時間常量，交流部分在一定時間的累積過程中自身抵消，輸出將只跟蹤輸入的直流部分。為了保證足夠的動態(tài)范圍，計(jì)算采用雙倍精度32位，只使用最高16位有效位。操作原理脈搏血氧儀，通過測量被人體組織吸收的光線強(qiáng)度計(jì)算血樣濃度。血樣濃度 (Sa02)定義為氧化血紅蛋白(Hb02)含量與血紅蛋白總量之比，可用公式(1)進(jìn)行計(jì)算。血氧濃度=氧化血紅蛋白/總血紅蛋白 (1)人體組織對穿過光線的吸收能力取決于血液的含氧量，這兩者之間的關(guān)系是非線性的。設(shè)計(jì)中采用兩種不同波長的光，假設(shè)波長分別為λ 1和λ 2，對它們輪流進(jìn)行測量，這樣可以降低測量的復(fù)雜性。血氧濃度(SaC^)與采用的兩種光的波長比率R’存在下面的關(guān)系。[0035]K = --Sa02 = α R' (2)
!0g( Jac )^2，測量中存在直流部分和交流部分，直流部分是身體組織和靜脈吸收的結(jié)果，而交流部分是動脈吸收的結(jié)果。由R’與&i02關(guān)系可知，理論上R’與&ι02存在線性關(guān)系，實(shí)際上由于生物組織是一種強(qiáng)散射、弱吸收、各向異性的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)并不是公式所示的線性關(guān)系，一般采用查表的方式獲得正確的結(jié)果。血氧濃度及心率計(jì)算由于要處理兩個LED的脈沖信號，替代傳統(tǒng)的模擬信號處理方法，我們選擇數(shù)字信號處理方法。為了濾除50/60HZ噪聲，采用低通濾波。針對不同波長的光，我們都是將直流部分濾除，保留反映動脈血樣濃度的交流信號。對一定心跳周期內(nèi)的信號的平方求平均， 可以通過這種方法計(jì)算有效值。直流部分測量，可以通過對一定數(shù)量心跳周期的信號進(jìn)行平均的方法。每個LED的驅(qū)動能力是可控的，所以PIN 二極管獲得的直流部分在一定誤差范圍內(nèi)可以滿足目標(biāo)要求，兩個LED在一定的誤差范圍內(nèi)，可以達(dá)到相匹配。一旦直流部分達(dá)到匹配，血氧濃度可以通過對有效值的對數(shù)相除來計(jì)算。對于心跳，可以通過3次心跳內(nèi)的采樣數(shù)來計(jì)算，每分鐘的心跳數(shù)可以通過下式計(jì)算 每分鐘心跳數(shù)=500*60/ (采樣計(jì)數(shù)/3)。
權(quán)利要求1.一種脈搏血氧儀，其特征在于包括微控制單元MCU，微控制單元MCU與探頭(1) 及LCD顯示器⑵相連，微控制單元MCU內(nèi)置的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC與探頭⑴內(nèi)的紅外光 LED(3)和紅光LED(4)相連，探頭內(nèi)還設(shè)有PIN 二極管(5)，并依次與微控制單元MCU內(nèi)置的放大器OAO和OAl以及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈搏血氧儀，其特征在于所述微控制單元MCU為MSP430主控芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的脈搏血氧儀，其特征在于所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC通過互補(bǔ)電路與紅外光LEDC3)和紅光LED (4)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的脈搏血氧儀，其特征在于所述數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC與微控制單元MCU內(nèi)置的直流跟蹤濾波器(6)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的脈搏血氧儀，其特征在于所述直流跟蹤濾波器(6)為UR濾波器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種脈搏血氧儀，其特征在于包括微控制單元MCU，微控制單元MCU與探頭(1)及LCD顯示器(2)相連，微控制單元MCU內(nèi)置的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC與探頭(1)內(nèi)的紅外光LED(3)和紅光LED(4)相連，探頭內(nèi)還設(shè)有PIN二極管(5)，并依次與微控制單元MCU內(nèi)置的放大器OA0和OA1以及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC相連。本實(shí)用新型的硬件結(jié)構(gòu)簡單，外圍部件少，且測量精度高。
文檔編號A61B5/1455GK201987557SQ20112005195
公開日2011年9月28日 申請日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月2日
發(fā)明者劉林霞, 沈秀清, 陳冰 申請人:利爾達(dá)科技有限公司