便携式多参数监护仪的研制与开发

摘 要：便携式多参数监护仪在医院、急救和家庭监护系统中扮演着越来越重要的角色。系统以Intel XScale 处理器的嵌入式平台作为数据处理和显示平台,脉搏信号的采集端通过无线射频集成芯片nRF905与嵌入式平台实现数据通信。在硬件上实现了光传感器的双光束时序控制、数据采集和无线通信,在嵌入式平台上运用了数字信号处理算法和计算脉率、血氧饱和度的算法,有效地克服了测量信号的噪声干扰。



关键词：血氧饱和度；脉搏；C8051；Windows CE；无线射频通信

Research and Development of the Portable Multiparameter Monitor

——Pulse Oximeter

LUO Jian,LEI Yong,TU Guoqiang,HOU Haijun

(School of Electrical Engineering and Information,Sichuan University,Chengdu,610065,China)

Abstract：The portable multiparameter monitor plays a more and more important part in the fields of hospital,first-aids and home security.The central platform used to process and display data is based on the processor of Intel XScale.The pulse signals transfer between measure end and central platform with radio frequency communication.For the hardware,the system achieves controlling sequence of two beams of light of light sensor,sampling data and wireless communication.For the central platform,using the arithmetic of digital signals process,calculating pulse rate method and oxygen saturation to overcome the signal noise and interference effectively.

Keywords：oxygen saturation;pulse;C8051;Windows CE;radio frequency communication



1 引 言

现在多参数监护仪已经在医院护理和急救系统中得到广泛的应用。随着传感器技术、计算机技术以及无线网络的快速发展,使得人体多参数监护仪向微型化、远程化的实现成为可能^［1］。这种监护仪的监护对象不仅是病人,健康者也可能成为监护对象,通过对健康者的生理参数进行监护,使用者随时可以了解自身的身体状况并做出相应的调整,更有助于疾病的早期发现和及时治疗^［1-3］。它还可以应用于一些特殊的场合,比如：对特殊环境下的工作人员进行身体状态监测；在战时,对士兵的人体状态监护等。

本文提出的便携式多参数监护仪,是将嵌入式平台和多个测量端构成一个无线局域网(如图1所示)。期望这种监护仪能够在户外急救中提供一个可行的解决方案。本文将其中一个通路(脉搏血氧测量)做重点介绍,其他通路类似。本文密切结合实际应用,又着眼于有潜力的新技术,研究内容涉及无线射频、C8051F350/330单片机应用、动态监护、嵌入式软件开发等技术,是生物医学与电子技术的交叉学科。

2 脉搏血氧测量原理和方法

脉搏血氧饱和度测量原理是依据郎伯-比尔(Lambert-Beer)定律^［4］：当一束单色光通过溶液介质时,吸光度与溶液的浓度和溶液层的厚度的乘积成正比。根据该定律及血红蛋白吸收特征曲线,通过数学方法可以推导出血氧饱和度的测量模型：

(1) 使用红外光(660 nm)和近红外光(925 nm)作为测量光；

(2) 测量部位为人体指尖；

(3) 脉搏的计算式：PR＝(60×采样率)／两波峰间点数。脉搏波峰的确定：在采集的脉搏数据段中,如果某点满足下面条件,则认为此点为波峰。此点及前后n个点,共2n+1个样本点,此点是2n+1个样本中的局部最大值。

(4) 计算血氧饱和度的数学式^［4］。其中a,b为常系数,可以通过数学统计方法拟合标定。

(660)和AC(925)分别是两路透射光信号的交流成分,DC(660)和DC(925)分别是两路透射光信号的直流成分。

925 nm近红外光吸光量的变化主要由氧合血红蛋白含量影响；而660 nm红光吸光量的变化主要由还原血红蛋白含量影响。根据上述分析,综合人体生理特征及测量的简便性,本文系统采用的测量方法是双波长测量法,即：将含动脉血管的部位指尖安置在两个发光管和一个光探测器之间,控制两个发光管交替发光,光探测器接收透射光信号,得到脉搏波。通过相关数字处理,首先确定脉搏波准确周期,其次从该复合信号中分解出交流和直流成分,最终通过式(1)求出血氧饱和度。

总之,血氧饱和度的测量关键是：能否得到正确的脉搏波形,能否有可行的分析脉搏周期和幅度的算法。

3 硬件系统设计

本系统设计为一个脉搏血氧测量仪,脉搏波信号经过信号调理模块后,通过无线收发射器构成的小型无线局域网发送到嵌入式平台,再由嵌入式平台对数据进行处理,并显示分析结果和脉搏波形,系统框图如图2所示。

3.1 传感器模块

传感器是由光发射器和光探测器组成^［4］,如图3所示。

光发射器由红光和近红外光两个发光二极管组成,发光二极管具有很好的单色性和亮度。当单色光照射到生物组织上时,会引起生物组织比普通光照射时更为明显的效应。并且发光二极管具有体积小、重量轻、低功耗(低电压、小电流)驱动、寿命长等一系列优点。光探测器采用光电池,它的显著特点是输出的光电流与受照辐射光强成线性关系,所以,系统中选用光电池输出的短路电流作为光电转换的输出信号。

3.2 LED驱动电路设计

驱动电路的任务是在单片机控制下依照一定时序依次产生红外光、红光和暗光三种工作状态。发光管点亮和熄灭的工作时序如图4所示。

“ON”表示单片机发光脉冲,相应的二极管导通。“OFF” 表示不发光脉冲,二极管处于截止状态。T1为驱动红光发光二极管的脉冲宽度,T3为驱动近红外光发光二极管的脉冲宽度,T1=T2=T3=T4。T2,T4为暗光时间,即两个二极管均处于截止状态的时间。

3.3 前置滤波放大

在生物医学信号的提取、处理过程中,模拟滤波器作为预处理电路是必不可少的。用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器的性能要远远优于无源滤波器,因为运算放大器具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗等特性,所以组成的有源滤波器不但能提供一定的增益,并具有缓冲作用。考虑到参数调节和调试的方便性,系统采用了同相结构的二阶模拟低通滤波器。

3.4 无线通信模块

无线通信模块由射频芯片nRF905和控制芯片C8051F350以及天线、复位电路、电源等电路组成。nRF905通过SPI接口和单片机进行数据传送。发送端的作用是发送传感器检测的数据信息,而接收端不断的接收来自发送端的信息,并通过串口传给上位机(嵌入式平台)处理。射频芯片nRF905由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体震荡器和一个调节器组成。

3.5 串口通信

无线接收端接收到数据后通过串行口UART把数据发送到嵌入式平台。此部分在硬件上比较简单,由于接收端和嵌入式平台是在一块的,所以UART接口直接是TTL电平连接的,不需要进行电平转换。

3.6 嵌入式平台

本系统使用的上位机是由亿道公司提供的Liod嵌入式平台,它采用Intel XScale系列处理器,提供了丰富的接口,移植上了微软的Windows CE系统,此系统界面友好,功能强大,应用软件就是针对这个系统开发的。

4 系统功能的实现与算法

4.1 A/D转换的实现算法

系统中的A/D转换部分完全是由单片机C8051F350控制并完成的。8051F350内置有24位A/D转换器,并且可以使用内置参考电压,大大减少了电路的复杂度,抗干扰能力也有所增强。

A/D转换一个很重要的参数就是采样频率,为了保证被转换信号不失真,采样频率要满足奈奎斯特采样定理。本系统所测的人体外周血液循环的信号是血红蛋白和氧合血红蛋白对红光和红外光的反射光经过光电池转换以后的电信号,其中脉搏波信号的频率一般都在5 Hz以下,正常成人脉率在安静、清醒的情况下为1～2 Hz,但本系统采用120 Hz的采样频率(由于分时采样,实际采样速率为480 Hz),主要有以下几点考虑：

(1) 脉搏信号中一般都带有比较强的50 Hz工频干扰信号,一起采进来利用数字滤波算法将其滤除。

(2) 可以更加真实的体现脉搏波形细节,有助于诊断。

4.2 C8051F350片内固件设计

单片机的程序采用C51程序语言编写。整个程序划分为主程序和定时中断服务程序。A/D中断服务程序负责A/D 数据读取、双光束分离、去背景光干扰、数据打包、数据的发送等一系列工作。主程序则要完成辅助变量定义、系统初始化、采样控制。

(1) 采样控制。为降低A/D输出噪声,在对A/D的初始化当中,A/D转换器内部的可编程数字滤波器选择sinc3类型。考虑到双脉冲调制信号的高频成分频谱特性,A/D的转换设定在高速工作状态(如19.2 kHz),发光脉冲的定时控制和双脉冲调制下脉搏波信号的采样控制均通过A/D转换计数器产生中断来完成。

(2) 双光束分离。在单片机的控制下,信号被调制成了脉冲调幅波。从A/D读取到的双光脉冲调制下的数字信号中分离出不发光、红光和红外对应的脉搏波信号,该部分是A/D中断服务程序的主体。

5 终端软件系统设计

本软件系统运行于Windows CE操作系统环境下,采用EVC进行多线程设计^［6］,主要用于从嵌入式平台的串口读取采集到的数据,并对数据进行处理。

数据的读取占用一个线程而数据处理则在主线程中的定时器中断函数中进行,流程图如图5所示。

程序初始化 打开系统定时器,初始化并打开串口,创建线程和信号事件。

减去背景光数据 测得的信号中,除了包含有用信息外,一些干扰成分,例如环境光、暗电流的影响也必然包括在内。由于环境光、暗电流是串模干扰,并且脉搏波频率低,变化较缓慢,如果在暗光时采集信号的话,该信号必然能反映此时环境光、暗电流的情况。因此,我们在单片机的控制下,对红光、红外光发光二极管点亮时以及暗光时三个工作状态分别进行采样,得到三个数字量这样便可消除环境光、暗电流的影响。同时,对其他干扰也可起到一定的抑制作用。

数字滤波 数字滤波器是具有一定传输选择特性的数字信号处理装置,其输入、输出均为数字信号,实质上是一个由有限精度算法实现的线性时不变离散时间系统。本系统采用无限长单位冲激响应数字滤波器(IIR)。

数据比较与计算 分别找出红光和红外光状态下采样点中的最大值和最小值,找出两波谷间的点数。根据计算公式,得出脉搏和血氧饱和度的诊断。

本软件系统是在EVC编程环境下完成的,EVC是针对Windows CE操作系统的类似VC的编程环境。在这里可以方便的使用C++语言编写滤波器等算法和显示界面。

6 结 语

本文介绍了便携式脉搏血氧测量仪的系统设计和软件算法,并完成了样机制作,通过本系统得到的脉搏波波形及数据处理的结果(如图6所示),证明本文系统已较好地克服了噪声干扰等核心问题,测量及处理的结果数据具有较高的可信度。本系统具有便于携带、体积小、使用方便、可靠性高等诸多优点,特别是测量端和嵌入式端之间通过无线通信模块连接,使得多参数监护仪在医院、急救和家庭监护等系统中具有更广泛的应用前景。

参 考 文 献

［1］唐伟,黄晓庆,杨常清.多参数监护仪的发展与未来［J］.北京生物医学工程,2003,22(1):72-73.

［2］Korhonen I,Parkka J,Van Gils M.Health Monitoring in the Home of the Future［J］.Engineering in Medicine and Biology Magazine,IEEE.2003,22(3):66-73.

［3］Jovanov E,O′Donnell,Lords A,et al.Stress Monitoring Using a Distributed Wireless Intelligent Sensor System［J］.Engineering in Medicine and Biology Magazine,IEEE.2003,22(3):49-55.

［4］高遵伯.基于DSP的脉搏血氧饱和度测量仪的研制［D］.长沙:国防科学技术大学,2002.

［5］王博亮,刘迎春,刘安之,等.医用传感器及其接口设计［M］.北京：国防工业出版社,1998.

［6］Douglas Boling.Windows CE 程序设计［M］.北京博彦科技发展有限公司,译.北京：北京大学出版社,1999.



作者简介 罗 剑 男,1982年出生,江西樟树人,硕士研究生。主要研究方向为机器人和智能控制。

雷 勇 男,1966年出生,四川内江人,教授,博士。主要研究方向为智能测试与控制,机器人控制。

涂国强 男,1963年出生,四川三台人,工程师。主要研究方向为计算机应用。

侯海军 男,1983年出生,湖南桂阳人,硕士研究生。主要研究方向为机器人和智能控制。