基于京微雅格CAP系統的便攜式血氧儀解決方案

摘要：CAP系統是京微雅格將純硬件的MCU處理器與可編程邏輯器件的有機結合，即能提供高性能處理器（增 強型8051）又提供了靈活的邏輯資源，客戶(hù)可以在一個(gè)平臺上完成FPGA與MCU的結合，能夠節省系統電路板面積并減少系統的芯片數量。本文介紹了在京微雅格CAP系統上設計的便攜式血氧儀方案。

　　隨著(zhù)便攜醫療電子產(chǎn)品市場(chǎng)迅速發(fā)展，脈搏血氧儀日益廣泛地被應用到病人多參數監護 領(lǐng)域，為臨床提供實(shí)時(shí)數據。脈搏血氧儀是根據還原血紅蛋白，氧合血紅蛋白在紅光和紅外光區域的吸收光譜特性，運用朗柏-比爾（Lambert-Beer） 定律建立數據處理經(jīng)驗公式通過(guò)光電轉換獲取測量結果。

　　原理如下：D=In（Ii/Io）=kCd

　　其中，C為血液濃度，d為光透視血液經(jīng)過(guò)路徑，K為血液光吸收系數，Ii為透射光強度，Io為發(fā)射光強度。

　　血液中的HbO2（氧合血紅蛋白）和Hb對不同波長(cháng)的光吸收系數是不一樣的，在波長(cháng)600~700納米的紅光（RED）區，Hb的吸收率遠比HbO2大，但在波長(cháng)為800~1000納米的紅外光（IR）區，Hb的吸收率遠比HbO2的小，在805納米附近是等吸收點(diǎn)。

　　發(fā)光二極管工作時(shí)發(fā)出660紅光和940的紅外光，光電二極管檢測器透過(guò)手指的動(dòng)脈血管的紅光和紅外光通過(guò)光電轉化成電信號，經(jīng)過(guò)放大和濾波后，分別由模數轉換器（ADC）轉換成數字量。

　　血氧飽和度為SaO2=K1R’+K2R’+K3。其中，K1，K2，K3 是經(jīng)驗常數值，而R’是在很小的時(shí)間間隔上，兩種光電信號的幅度變化量之比，即R’=△RED/△IR

　　血氧儀一般包括血氧飽和度檢測模塊，主控制器，血氧檢測探頭三個(gè)主要部分，典型結構如圖2。

圖1脈搏血氧儀夾指示意圖
　　
圖2血氧儀的電路構成

　　血氧檢測探頭光電二極管檢測器，能產(chǎn)生正比于透視到它上面的紅光和紅外強度的電流，但它不能區分這兩種光，可用一個(gè)定時(shí)電路來(lái)交替控制兩個(gè)LED的發(fā)光時(shí)序。

　　圖2所示脈搏血氧儀硬件電路以京微雅格M1（衡山）系列FPGA作為主控制器，整個(gè)硬件系統包括血氧檢測頭，LED橋式驅動(dòng)電路，濾波放大電路，系統外部電路組成。

　　由M1引出的兩個(gè)驅動(dòng)信號交替控制LED橋式驅動(dòng)器三極管的開(kāi)啟和關(guān)斷，并有定時(shí)器輸出兩路PWM脈寬調制信號驅動(dòng)LED橋式電路，用于驅動(dòng)探頭內的紅 光與紅外光LED 發(fā)光，并產(chǎn)生周期性光信號。探頭內的光電二極管檢測器采集含有血氧的光信號，經(jīng)光電轉化產(chǎn)生電信號，濾波放大電路將得到的電信號進(jìn)行低通濾波和信號放大。

　　FPGA對放大后的信號進(jìn)行A/D轉換，其中一路A/D采樣值用于檢測LED橋式驅動(dòng)信號的幅度，另外一路A/D用于系統計算血氧值信號。同時(shí)用于接口擴展鍵盤(pán)、LCD等。

　　CME系列FPGA含有增強型8051內核，具有200MHz的運算速度，豐富的外設，豐富的FPGA邏輯資源，物盡所用，真正意義上實(shí)現了SoC，是滿(mǎn)足用戶(hù)多樣化設計需求的最佳選擇方案。

　　參考文獻：

　?。?］ 劉波文，黎勝容.ARM嵌入式項目開(kāi)發(fā)三位一體實(shí)戰精講［M］。北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，2011