便攜式脈動(dòng)血氧計完整設計，提供健康監護保障

一、項目概述

1.1 引言

血氧飽和度(SaO2)是衡量人體血液攜帶氧能力的生理參數，在臨床診斷中有著(zhù)十分重要的意義。血氧飽和度的測量方法可分為有創(chuàng )測量和無(wú)創(chuàng )測量?jì)煞N。有創(chuàng )測量方法是先進(jìn)行人體采血，再利用血氣分析儀進(jìn)行電化學(xué)分析，測出血氧分壓PO2，計算SaO2。該方法比較麻煩，且不能進(jìn)行連續的監測。無(wú)創(chuàng )測量主要采用雙光束透射式方法，由不同波長(cháng)的紅光和紅外光通過(guò)生物組織的吸光度相對變化值之比推算SaO2。

由于生物組織是一種強散射、弱吸收、各向異性的復雜光學(xué)系統 ，不完全符合經(jīng)典的Beer—Lambert吸收定律，因而導致了紅光和紅外光吸光度相對變化測量值之比(R／IR 值)與動(dòng)脈血氧飽和度(SaO2 )之間的關(guān)系只能采用近似的方法建立數學(xué)模型。同時(shí)，無(wú)創(chuàng )脈搏血氧計內部產(chǎn)生的光源的非理想性引起的誤差也使得測量精度普遍低于有創(chuàng )測量的精度。本設計針對上述問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，提出了一種新型無(wú)創(chuàng )便攜式脈動(dòng)血氧計的設計方案，可以證明，本設計所研制的脈動(dòng)血氧計可以提高血氧飽和度的測量精度。

1.2 項目背景/選題動(dòng)機

足夠的氧供給是生命的基礎，動(dòng)脈血氧飽和度是反映血氧的重要參數，其測定在臨床醫療中有著(zhù)十分重要的意義。盡管采用范斯勒克法對血樣進(jìn)行精確的測量是有效的，但該法不能連續監測，測定過(guò)程繁瑣，給醫護人員帶來(lái)了極大的不便，給病人帶來(lái)痛苦。脈搏血氧儀Pulse oximeter具有無(wú)創(chuàng )傷、連續、快速、準確監測動(dòng)脈血氧飽和度SaO2的功能，已得到醫學(xué)界的承認并進(jìn)入了臨床應用，尤其適于危重病人手術(shù)監護。脈搏血氧儀可廣泛應用于手術(shù)室、恢復室、急救病房以及體育鍛煉和睡眠等方面的研究。AVR32系列微控制器具有低功耗與高模擬性能等優(yōu)點(diǎn)。在單芯片便攜式醫療儀器上應用具有很大的優(yōu)勢?？梢詫a(chǎn)品的外圍器件數量減到最小。本設計中還可以通過(guò)控制LED燈的開(kāi)啟時(shí)間與工作頻率進(jìn)一步減小功耗，使整個(gè)系統實(shí)現超低功耗，對環(huán)境友好。

二、需求分析

2.1 功能要求

通過(guò)外接一個(gè)光學(xué)探頭采集血氧飽和度與心率等參數并通過(guò)LCD顯示。光學(xué)探頭包括兩個(gè)LED，一個(gè)是可見(jiàn)紅光LED，一個(gè)是紅外光LED，探頭可以放置在手指尖或是耳垂等部位。當兩種LED光線(xiàn)通過(guò)身體后，MCU通過(guò)檢測這兩種光強度的變化來(lái)計算人體內的血氧含量。當人體內的血氧濃度與心率低于某個(gè)設定值時(shí)，血氧儀即可發(fā)出某種報警信號提示用戶(hù)。系統架構如圖1所示：

圖1 系統架構

2.2 性能要求

●測量方式：雙波長(cháng)測量；

●數值顯示：大屏幕LED或LCD顯示，SaO2、脈搏數值清晰可見(jiàn)，不受環(huán)境光線(xiàn)限制，適用于各種急救場(chǎng)所；

●脈搏顯示：三色分析系統，LED快捷地顯示脈搏質(zhì)量；

●測量范圍：血氧飽和度：0—100% 心率：18—300搏/分鐘；

●測量精度：血氧飽和度：±1S.D 心率：±3%；

●可連接成人、兒童、新生兒的探頭；

●能儲存資料，快速靈敏的SaO2數值，適宜于睡眠分析以及能通過(guò)USB等通訊方與PC機通訊

●可顯示當前時(shí)間、溫度等信息；

●可電池供電：六節AA電池，可連續工作24小時(shí)以上 。

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

通過(guò)外接一個(gè)光學(xué)探頭采集血氧飽和度與心率等參數并通過(guò)LCD顯示。光學(xué)探頭包括兩個(gè)LED，一個(gè)是可見(jiàn)紅光LED，一個(gè)是紅外光LED，探頭可以放置在手指尖或是耳垂等部位。當兩種LED光線(xiàn)通過(guò)身體后，MCU通過(guò)檢測這兩種光強度的變化來(lái)計算人體內的血氧含量，并將結果在LCD上顯示。

系統硬件結構框圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

硬件平臺選用：EVK1100

資源配置：光照、溫度等傳感器：用來(lái)記錄當時(shí)環(huán)境參數，然后對儀器進(jìn)行補償；

4x20藍色LCD：顯示血氧飽和度、脈搏等參數；

JTAG連接器：下載程序；

Nexus、USART、USB 2.0接口，TWI接口、SPI：與外設（AD、DA等）和主機通訊；

SD和MMC讀卡器：與外部存儲器通訊，記錄測量數據，供離線(xiàn)分析；

其他：用來(lái)擴展功能。

3.3系統軟件架構

3.4 系統軟件流程

程序運行流程圖

3.4 系統預計實(shí)現結果

能夠測量出人體的動(dòng)脈血氧飽和度和脈搏，將測量結果及環(huán)境參數值在LCD上顯示，對輸入的參數進(jìn)行比較，超過(guò)范圍報警；并且測量的結果和環(huán)境參數等信息存儲到SD卡或其他非易失性大容量存儲器中（U盤(pán)等）；能通過(guò)USB或以太網(wǎng)口（串口）與PC機通訊。