基于MSP430F149和nRF905的無線血氧指夾的設(shè)計
摘要: 本文提出了一種基于射頻芯片nRF905和超低功耗單片機MSP430F149的血氧飽和度指夾的設(shè)計方法,旨在實現(xiàn)沒有線纜,超長時間監(jiān)護和及時發(fā)送監(jiān)護信息等監(jiān)護功能。
Abstract:
Key words :
血氧飽和度可以反映病人的呼吸功能,并在一定程度上反映動脈血氧的變化,故在臨床監(jiān)護和家庭監(jiān)護中都具有重要意義。用常規(guī)多參數(shù)監(jiān)護儀監(jiān)護血氧飽和度時,通常用一個血氧指夾夾在手指端或者腳趾端來采集光電脈搏波信號,并通過一條線纜將信號傳到監(jiān)護設(shè)備進行處理和計算。由于線纜的影響,病人往往不便翻身,而且線纜容易脫落,造成測量結(jié)果錯誤,嚴(yán)重危害病人的及時搶救。單模塊的血氧飽和度測量設(shè)備雖然便于攜帶,但由于其功耗較高,采用電池供電限制了監(jiān)護的持續(xù)時間:一般此類設(shè)備只能將監(jiān)護信息存儲在設(shè)備內(nèi)部,而無法把監(jiān)護信息及時發(fā)送出去,耽誤病人的搶救時間。為此,本文提出了一種基于title="射頻芯片">射頻芯片nRF905和超低功耗單片機MSP430F149的血氧飽和度指夾的設(shè)計方法,旨在實現(xiàn)沒有線纜,超長時間監(jiān)護和及時發(fā)送監(jiān)護信息等監(jiān)護功能。
1 無創(chuàng)血氧飽和度測量原理
血氧飽和度(SpO2)是血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比,即血液中血氧的濃度,它是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。而功能性氧飽和度(SaO2)為HbO2濃度與HbO2+Hb濃度之比。因此,監(jiān)護中常用SaO2來估計SpO2的水平。SaO2的理論計算公式如下:
其測量方法一般以朗博一比爾定理為基礎(chǔ),利用血液中不同成分的吸光率的不同,采用紅光和紅外光分別照射組織,并通過測量透射光的強度來計算血氧飽和度的值。其公式如下:
式中,△I'max為紅外光的交流分量的最大值,I'max為紅外光的直流分量的最大值,△Imax為紅光交流分量的最大值,Imax為紅光直流分量的最大值。本系統(tǒng)采用的是660 nm的紅光和940 nm的紅外光。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計
圖1所示是本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。本無線血氧指夾以MSP430F149微控制器為主控芯片,用單片機的I/O接口來驅(qū)動發(fā)光二極管。系統(tǒng)采用邁瑞公司生產(chǎn)的手指端血氧指夾,指夾的輸出量為電流信號,可用于反映透射光光強。該電流信號經(jīng)過電流一電壓轉(zhuǎn)換、放大、濾波等信號調(diào)理后,可轉(zhuǎn)換為脈搏波信號,最后由MSP430F149內(nèi)置的12位ADC采樣進入單片機進行處理,并通過計算得到血氧飽和度值,將該值打包后由單片機發(fā)送到nRF905模塊,然后通過天線發(fā)送出去。
3 無創(chuàng)血氧指夾的硬件電路
3.1 信號采集和調(diào)理電路
本系統(tǒng)的信號采集使用邁瑞公司生產(chǎn)的ND78108494手指端血氧指夾,該指夾內(nèi)部有紅光和紅外光發(fā)光二極管各一個,采用反向?qū)拥姆绞竭M行連接;另外有光敏二極管一個,可用以將光強轉(zhuǎn)化為電流強度。
信號調(diào)理電路包括電流一電壓轉(zhuǎn)換電路、放大電路、濾波電路和電壓范圍調(diào)整電路共4部分,輸出是較為光滑的脈搏波信號。其中電流一電壓轉(zhuǎn)換和放大電路如圖2所示,圖3所示是其濾波和電壓調(diào)整電路。
3.2 射頻電路
nRF905射頻芯片是Nordic公司采用VLSIShoctBurst技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品,能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸而不需要昂貴的高速MCU來進行數(shù)據(jù)處理/時鐘覆蓋。通過將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯片內(nèi),nRF905可提供給微控制器一個SPI接口,其速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定。通過SPI接口進行編程配置,可以實現(xiàn)很低的電流消耗。在發(fā)射功率為-10 dBm時,發(fā)射電流為11 mA,接收電流為12.5 mA,且進入PowerDOWN模式后,還將更加節(jié)電。
3.3 控制電路
控制芯片選用Ti公司的超低功耗單片機MSP430系列中的MSP430F149,該型號的單片機具有功耗超低,可支持C語言開發(fā)等優(yōu)點。同時具有非常強的處理能力,其速率最高可以達到2MIPS,且內(nèi)部自帶12位的ADC。是一款功能豐富,運算能力強大的單片機。圖4所示是由MSP430F149構(gòu)成的射頻控制電路。
4 系統(tǒng)軟件流程及測試結(jié)果
圖5給出了本系統(tǒng)的軟件流程圖。筆者用該方案的無線血氧指夾對成人進行了測試。受試者為一健康成年男性。實驗從手指端采集脈搏波,事實上,經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后的脈搏波干擾較小,細(xì)節(jié)丟失較少,完全可以用于血氧飽和度的測量。
將所采集的脈搏波經(jīng)AD采樣后送入單片機再通過一系列計算,最后系統(tǒng)返回的血氧飽和度的值為99%,該結(jié)果與采用邁瑞公司生產(chǎn)的PM-8000便攜式監(jiān)護儀測量的結(jié)果完全一致,說明本系統(tǒng)基本達到了預(yù)期要求。
5 結(jié)束語
本文給出了一種基于MSP430F149和nRF905的無線血氧指夾的硬件電路和設(shè)計方法。該指夾能夠?qū)崿F(xiàn)無線監(jiān)護功能,一方面,它能夠克服連接線纜帶來的諸多問題,另一方面,它也使得家庭監(jiān)護和隨身監(jiān)護更有可能實現(xiàn)。由于本系統(tǒng)具有低功耗等優(yōu)點,可在電池供電條件下實現(xiàn)超長時間的監(jiān)護,因此,更容易發(fā)現(xiàn)偶發(fā)的病癥。
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