具有无线传输功能的腕戴式血氧采集系统设计

王建林， 孙 佳， 姜子庠

(1. 上海东海职业技术学院 数字传媒系， 上海 200241；2. 上海交通大学 电子信息与电气工程学院， 上海 200240； 3. 上海电力科技园股份有限公司， 上海 200082)

具有无线传输功能的腕戴式血氧采集系统设计

王建林1， 孙 佳2， 姜子庠3

(1. 上海东海职业技术学院 数字传媒系， 上海 200241；2. 上海交通大学 电子信息与电气工程学院， 上海 200240； 3. 上海电力科技园股份有限公司， 上海 200082)

介绍了基于MSP430FG439的脉搏血氧仪设计与实现。通过对系统需求的分析，完成了血氧仪所需的信号采集、信号处理部分硬件设计，搭建了以MSP430为核心的具有多功能血氧检测模块。该血氧仪的特点：采用一个外围探头结合MSP430 MCU进行信号采集和处理；具有良好的人机界面，可在OLED屏上实时显示心跳脉动波形和人体血氧含量；具有检测手指是否夹入和根据心率和血氧进行报警；集成基于文件系统的SDHC存储卡，可以将运行参数实时记录存储。经过该血氧仪的设计流程，可以进行有关电力电子以及嵌入式开发等一系列的实验设计。

脉动式血氧仪; SD卡驱动; 文件系统; MSP430FG439

0 引 言

血氧饱和度作为人体第五大重要的生理健康指标，能反映人体呼吸功能以及含氧量，对于新生儿、孕妇以及老人的健康监护有着重要的作用。而随着近年来空气质量的下降，该指标变得越来越受到重视。通常情况下，人体血氧量的监控是通过血氧仪来实现的。通过测量氧气水平和心率，血氧仪可以在低于预设水平时发出警报声。血氧仪可以用于对运动健康提供科学参考和心脏病、高血压等患者的健康监护仪器。但是，目前的血氧仪都不便于随身携带，而且功能较为单一，并不能切实地做到实时监控人的健康状态。

本文设计了基于MSP430FG439，低成本、便携式的血氧仪。实现了方便携带、快速测量，安全报警，运动检测以及便携存储等一系列功能。

1 系统方案

1.1 理论基础

SaO2为血氧含量，定义为氧合血红蛋白水平和总的血红蛋白水平(包含含氧和贫氧血红蛋白)的比例，即：

身体组织对光吸收总量的不同，依赖于身体组织的氧含量，所以，身体的含氧量可以通过先测量两种频率的光分别通过身体后的强度，再计算这2个强度间的比率得到[1-4]，通过采样技术提高测量精度[5-7]。

本设计采用的两种频率的光分别为波长660 nm的可见红光和波长940 nm的红外光，通过2个发光二极管交替闪烁，2种光分别通过电路达到测量的效果，测得数据后，计算公式如下：

其中：λ1和λ2分别代表使用的两种光的波长;Iac为对应波长的交流电流值;R为中间参数，血氧饱和度SaO2正比于R。

在测量中有一个直流分量和一个交流分量。直流分量被看作是身体组织和静脉吸收的结果;交流分量是动脉吸收的结果。

1.2 设计实现

图1描绘了系统设计的结构图[8]。主控制器使用MSP430[9-10]，探头Probe中的2个LED灯以500次/s的速度时分复用，MCU通过GPIO和DAC0连接一个H桥，从而分别控制其内部LED灯的开关和光强。

图1 系统设计的模块图

PIN二极管被不同的LED等交替激励，输出的信号交流分量被运算放大器OA0和OA1放大，直流分量被有效滤除。

2 系统硬件设计

2.1 信号采集与放大电路

设计中，信号采集部分主要参考了TI(美国德州仪器公司)的如下参考设计，如图2所示。

图2 信号采集与放大电路

2.2 OLED显示与蜂鸣器

设计中，选用分辨率为128×64的OLED显示屏进行本地显示。同时配合一个有源蜂鸣器进行报警提示。

2.3 SDHC卡

设计中，采用了大容量高速度的SDHC卡，同时集成了文件系统，可以方便地读取和存储数据。同时，为了兼容其他存储设备，将SPI接口进行引出。

3 系统软件设计

3.1 系统的初始化

系统的初始化流程如图3所示。

图3 系统的初始化流程图

3.2 系统中断服务函数

系统中断服务函数负责血氧仪模式下的血氧含量测量，其执行流程见图4。

3.3 血氧饱和度计算方法

系统通过分时复用分别控制波长660 nm的可见红光和波长940 nm的红外光发光二极管闪烁[11-16]，再通过耳机方法电路对原始信号进行放大。同时在放大过程中分别滤除其直流分量，再通过数字滤波器进一步滤除直流信号。

图4 系统中断流程图

最终，可以分别得到波长660 nm的可见红光和波长940 nm的红外光投射过人体后的交流分量，对该分量进行对比后即可得到人体血氧饱和度。流程如下：① 获取可见红光交流分量对数值；② 获取红外光交流分量对数值；③ 计算以上对数值的商，该商对应一个可以反映血氧含量的中间变量；④ 通过与标准血氧仪对比校准，确定③中获取的中间变量对应的准确血氧仪，制定查询表；⑤ 完成校准后，通过使用③中中间变量查表方式即可获取血氧含量。

系统实物展示如图5所示。

图5 系统实物总体展示

4 结 语

基于MSP430FG439的便携式血氧仪，可以方便携带和进行快速测量，当血氧值或心率低于预定安全范围后将进行报警。另外，SD卡作为大容量的便携存储设备，可以应用于该系统。例如，可以记录大量数据信息用于医生对长期病情的监控掌握。

该血氧采集系统具有测试精度高、实时监测、便于携带、人机界面交互友好等特点。该系统实用性强，对人体的健康起到有力的保证作用，具有广阔的前景。

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Design of Wrist-wearing Oxygen Acquisition System with Wireless Transmission Function

WANGJianlin1,SUNJia2,JIANGZiyang3

(1. Digital Media Department, Shanghai Donghai Vocational & Technical College, Shanghai 200241, China; 2. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 3. Shanghai Electric Power of Science Park Co., Ltd., Shanghai 200082, China)

This paper introduces the design and implementation of pulse oximetry based on MSP430FG439. Based on the analysis of the system requirements, the signal acquisition and signal processing hardware design of the oximeter are completed. The multi-functional blood oxygen detection module with MSP430 as the core is set up. The oximeter has features: a peripheral probe combined with MSP430 MCU is used to signal acquisition and processing; has a good man-machine interface, real-timely displays the OLED screen pulse waveform and human blood oxygen heart rate; and detects of finger clip. And according to heart rate and blood oxygen alarm which are integrated by file system-based SDHC memory card, one can run the real-time recording and storage parameters. The design of the oxygen meter can be carried out on the power electronics and embedded experiment design.

pulsoximeter; SDHC card; file system; MSP430FG439

2016-05-10

王建林(1957-)，男，上海人，讲师，主要研究方向:软件工程、遗传算法。Tel.:021-64391764; E-mail:906857244@qq.com

TP 212.1

A

1006-7167(2017)02-0091-03