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(多图) 基于MSP430F149和nRF905的无线血氧指夹的设计

电子元器件应用 西安交通大学 贾佳 马春排?? 2009年12月16日 ?? 收藏0

  0 引言

  血氧饱和度可以反映病人的呼吸功能,并在一定程度上反映动脉血氧的变化,故在临床监护和家庭监护中都具有重要意义。用常规多参数监护仪监护血氧饱和度时,通常用一个血氧指夹夹在手指端或者脚趾端来采集光电脉搏波信号,并通过一条线缆将信号传到监护设备进行处理和计算。由于线缆的影响,病人往往不便翻身,而且线缆容易脱落,造成测量结果错误,严重危害病人的及时抢救。单模块的血氧饱和度测量设备虽然便于携带,但由于其功耗较高,采用电池供电限制了监护的持续时间:一般此类设备只能将监护信息存储在设备内部,而无法把监护信息及时发送出去,耽误病人的抢救时间。为此,本文提出了一种基于射频芯片nRF905和超低功耗单片机MSP430F149的血氧饱和度指夹的设计方法,旨在实现没有线缆,超长时间监护和及时发送监护信息等监护功能。

  1 无创血氧饱和度测量原理

  血氧饱和度(SpO2)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比,即血液中血氧的浓度,它是呼吸循环的重要生理参数。而功能性氧饱和度(SaO2)为HbO2浓度与HbO2+Hb浓度之比。因此,监护中常用SaO2来估计SpO2的水平。SaO2的理论计算公式如下:

公式

  其测量方法一般以朗博一比尔定理为基础,利用血液中不同成分的吸光率的不同,采用红光和红外光分别照射组织,并通过测量透射光的强度来计算血氧饱和度的值。其公式如下:

公式

  式中,△I'max为红外光的交流分量的最大值,I'max为红外光的直流分量的最大值,△Imax为红光交流分量的最大值,Imax为红光直流分量的最大值。本系统采用的是660 nm的红光和940 nm的红外光。

  2 系统总体设计

  图1所示是本系统的总体结构框图。本无线血氧指夹以MSP430F149微控制器为主控芯片,用单片机的I/O接口来驱动发光二极管。系统采用迈瑞公司生产的手指端血氧指夹,指夹的输出量为电流信号,可用于反映透射光光强。该电流信号经过电流一电压转换、放大、滤波等信号调理后,可转换为脉搏波信号,最后由MSP430F149内置的12位ADC采样进入单片机进行处理,并通过计算得到血氧饱和度值,将该值打包后由单片机发送到nRF905模块,然后通过天线发送出去。

本系统的总体结构框图

  3 无创血氧指夹的硬件电路

  3.1 信号采集和调理电路

  本系统的信号采集使用迈瑞公司生产的ND78108494手指端血氧指夹,该指夹内部有红光和红外光发光二极管各一个,采用反向对接的方式进行连接;另外有光敏二极管一个,可用以将光强转化为电流强度。

  信号调理电路包括电流一电压转换电路、放大电路、滤波电路和电压范围调整电路共4部分,输出是较为光滑的脉搏波信号。其中电流一电压转换和放大电路如图2所示,图3所示是其滤波和电压调整电路。

电流一电压转换和放大电路

滤波和电压调整电路

  3.2 射频电路

  nRF905射频芯片是Nordic公司采用VLSIShoctBurst技术开发的产品,能够提供高速的数据传输而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理/时钟覆盖。通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内,nRF905可提供给微控制器一个SPI接口,其速率由微控制器自己设定的接口速度决定。通过SPI接口进行编程配置,可以实现很低的电流消耗。在发射功率为-10 dBm时,发射电流为11 mA,接收电流为12.5 mA,且进入POWERDOWN模式后,还将更加节电。

  3.3 控制电路

  控制芯片选用Ti公司的超低功耗单片机MSP430系列中的MSP430F149,该型号的单片机具有功耗超低,可支持C语言开发等优点。同时具有非常强的处理能力,其速率最高可以达到2MIPS,且内部自带12位的ADC。是一款功能丰富,运算能力强大的单片机。图4所示是由MSP430F149构成的射频控制电路。

由MSP430F149构成的射频控制电路

  4 系统软件流程及测试结果

  图5给出了本系统的软件流程图。笔者用该方案的无线血氧指夹对成人进行了测试。受试者为一健康成年男性。实验从手指端采集脉搏波,事实上,经过信号调理电路处理后的脉搏波干扰较小,细节丢失较少,完全可以用于血氧饱和度的测量。

本系统的软件流程图

  将所采集的脉搏波经AD采样后送入单片机再通过一系列计算,最后系统返回的血氧饱和度的值为99%,该结果与采用迈瑞公司生产的PM-8000便携式监护仪测量的结果完全一致,说明本系统基本达到了预期要求。

  5 结束语

  本文给出了一种基于MSP430F149和nRF905的无线血氧指夹的硬件电路和设计方法。该指夹能够实现无线监护功能,一方面,它能够克服连接线缆带来的诸多问题,另一方面,它也使得家庭监护和随身监护更有可能实现。由于本系统具有低功耗等优点,可在电池供电条件下实现超长时间的监护,因此,更容易发现偶发的病症。


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