血氧飽和度是人體新陳代謝的重要體征指標(biāo)之一，也是人體呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)疾病診斷的重要生理參數(shù)。許多臨床疾病會(huì)造成氧供應(yīng)的缺乏，將會(huì)直接影響細(xì)胞的正常新陳代謝，嚴(yán)重的還會(huì)威脅人的生命，所以動(dòng)脈血氧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在臨床救護(hù)中非常重要。目前，在臨床監(jiān)護(hù)病人的血氧飽和度時(shí)，多使用固定的有創(chuàng)的血?dú)夥治龇▽?duì)病人進(jìn)行血氧檢測(cè)，容易造成干擾，而且不能夠提供連續(xù)、實(shí)時(shí)的血氧飽和度數(shù)據(jù)，難以滿足日益提高的醫(yī)療要求的需要[1]。因此，無(wú)創(chuàng)實(shí)時(shí)連續(xù)地對(duì)病人進(jìn)行血氧飽和度檢測(cè)變得日益廣泛而且重要。

1 近紅外光無(wú)創(chuàng)血氧檢測(cè)的原理
    血氧飽和度是指動(dòng)脈中與氧結(jié)合的氧合血紅蛋白的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白容量的百分比及血液中血氧的濃度[2]。
    近紅外光無(wú)創(chuàng)血氧檢測(cè)的理論依據(jù)是朗伯-比爾光吸收原理。一束單色光照射于一吸收介質(zhì)表面，在通過(guò)一定厚度的介質(zhì)后，由于介質(zhì)吸收了一部分光能，透射光的強(qiáng)度就要減弱。吸收介質(zhì)的濃度越大，介質(zhì)的厚度愈大，則光強(qiáng)度的減弱愈顯著，其關(guān)系為：
    
    人體血液中的氧合血紅蛋白和沒(méi)被氧合的還原血紅蛋白對(duì)于不同波長(zhǎng)光的吸收系數(shù)是不同的[3]。在波長(zhǎng)600~700 nm的紅光R范圍內(nèi)，還原血紅蛋白的吸收系數(shù)比氧合血紅蛋白的大，而在800~1 000 nm的紅外光范圍內(nèi)，還原血紅蛋白的吸收系數(shù)比氧合血紅蛋白小[4]。這樣通過(guò)檢測(cè)人體組織對(duì)光強(qiáng)的吸收情況，便可以計(jì)算出血液中的含氧量。還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白對(duì)紅光和近紅外光的吸收系數(shù)曲線如圖1所示。

    本文采用波長(zhǎng)為660 nm的紅光和940 nm的近紅外光作為入射光源，通過(guò)測(cè)定穿過(guò)手指的光強(qiáng)度來(lái)計(jì)算血氧飽和度[5]。
2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
    基于S3C2440A的無(wú)創(chuàng)血氧檢測(cè)系統(tǒng)，其硬件主要包括血氧檢測(cè)傳感器和驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)調(diào)理電路、精密的A/D和D/A接口模塊、S3C2440A處理控制模塊，觸摸屏和RS232通信模塊。圖2是系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖。

    系統(tǒng)通過(guò)I2C接口控制D/A模塊與PWM模塊搭配工作，來(lái)驅(qū)動(dòng)血氧傳感器，血氧傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，經(jīng)A/D模塊采集并送至S3C2440A控制中心，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析和處理后，在觸摸屏上顯示，并將結(jié)果送至上位機(jī)進(jìn)行保存。   
     S3C2440A是基于ARM9核心的處理器，具有豐富的外設(shè)接口和強(qiáng)大的處理和控制性能。其功耗低，處理速度最高可到400 MHz，具有片上I2C、SPI、LCD接口及UART接口，極大地方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展。
3 傳感器及接口硬件設(shè)計(jì)
3.1 血氧檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)
     血氧傳感器檢測(cè)的部位是人體手指,這是因?yàn)槭种覆课缓穸容^薄，易于光的透射。而采用透射方式的檢測(cè)技術(shù)也較之漫反射技術(shù)的檢測(cè)精度更好，受到的干擾也較小。血氧傳感器采用Nellcor的指套式血氧探頭，其內(nèi)部采用波長(zhǎng)為660 nm的紅光發(fā)光二極管和波長(zhǎng)為940 nm的紅外光發(fā)光二級(jí)管作為入射光源，而接收器件則為與之匹配的光敏二極管（PIN管）。
3.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的采樣周期設(shè)置為2 ms，在這2 ms之內(nèi)，紅光二極管和紅外光二極管交替各導(dǎo)通一次，中間還要留出一定的死區(qū)時(shí)間。通過(guò)ARM處理器的PWM輸出來(lái)控制兩個(gè)發(fā)光二極管R LED和IR LED輪流導(dǎo)通,通過(guò)S3C2440A的I2C接口，調(diào)節(jié)D/A模塊的輸出電壓，D/A的輸出電壓決定了三極管的導(dǎo)通電流，從而可以控制發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度。如圖3為H橋LED驅(qū)動(dòng)電路，兩個(gè)PNP三極管Q1A、Q1B充當(dāng)了開(kāi)關(guān)管的作用，在一個(gè)采樣周期中，各導(dǎo)通一次，在PWM1輸出為低電平時(shí)，Q1A導(dǎo)通，并處于飽和狀態(tài)，控制DAC2輸出，使NPN三極管Q2B導(dǎo)通，調(diào)節(jié)DAC2的輸出電壓來(lái)控制Q2B的導(dǎo)通電流，也就是控制流過(guò)IR LED的電流，從而可以控制IR LED的發(fā)光強(qiáng)度。控制R LED的工作狀態(tài)時(shí)，使Q1B處于飽和開(kāi)通狀態(tài)。Q2A的工作情況與Q2B類似，通過(guò)調(diào)節(jié)DAC1的輸出電壓，進(jìn)而可以控制R LED的發(fā)光強(qiáng)度。

3.3 血氧信號(hào)檢測(cè)調(diào)理電路
    血氧的光電信號(hào)的檢測(cè)電路和信號(hào)調(diào)理電路是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵,其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響信號(hào)采集的質(zhì)量。傳感器采用對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的PIN管作為接收管,為了滿足其高速的要求,使PIN管工作于光電導(dǎo)模式,通過(guò)2.5 V的基準(zhǔn)電壓芯片分壓,提供一個(gè)0.3 V的偏置電壓，從而可以使其工作于高速狀態(tài)，但是其產(chǎn)生的暗電流和噪聲就需要通過(guò)后級(jí)電路設(shè)計(jì)予以抑制。
    光電二極管具有高阻抗特性，其產(chǎn)生的電流信號(hào)十分微弱，要求前置放大器具有很高的低偏置電流特性，為了方便信號(hào)的傳輸，必須通過(guò)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，將PIN管的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，光電二極管的電流信號(hào)十分微弱，只有幾十微安，要求采用很大的反饋電阻,才能將其轉(zhuǎn)換為伏級(jí)別的電壓信號(hào)供后級(jí)電路采樣，并保證其不失真。為了抑制其產(chǎn)生的噪聲，放大電路采用了一級(jí)放大，將轉(zhuǎn)換得到的電壓連接至A/D轉(zhuǎn)換器，就可以得到血氧信號(hào)的直流信號(hào)。為了提高血氧飽和度計(jì)算的精確度，需要檢測(cè)血氧信號(hào)的波動(dòng)特性。通過(guò)控制D/A轉(zhuǎn)換器DAC3輸出合理的電壓定標(biāo)值，對(duì)血氧信號(hào)和定標(biāo)差值進(jìn)行再次放大，從而測(cè)得血氧信號(hào)的交流信號(hào)值。圖4為信號(hào)檢測(cè)調(diào)理電路。

4 ARM處理控制單元及外圍接口設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的控制單元是以S3C2440A為核心來(lái)設(shè)計(jì)的。S3C2440A是三星公司推出的基于ARM920T的RISC處理器，其提供了豐富的外設(shè)接口，有2路SPI接口、1路I2C接口、4路PWM輸出、3路UART接口和觸摸屏接口，并提供了大量的I/O口。這些豐富的外設(shè)可以使系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更加方便，而且其包含了大部分接口器件的接口標(biāo)準(zhǔn)，兼容性好，為系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)良好的硬件擴(kuò)展平臺(tái)。
    無(wú)創(chuàng)血氧檢測(cè)對(duì)血氧電壓信號(hào)的采集要求精度較高、采樣速度快、精確地對(duì)采集的電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換的精度和速度直接關(guān)系到系統(tǒng)結(jié)果的準(zhǔn)確度。本系統(tǒng)利用S3C2440A的SPI接口外接了精密的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8331。ADS8331是TI公司出品的16位中等轉(zhuǎn)換速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,有4路A/D輸入， 最大轉(zhuǎn)換速率為500 kS/s，具有精確度高,功耗低等特點(diǎn),適用于醫(yī)療設(shè)備。
    系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用了TI公司的DAC7573芯片，12位精度，其自帶的I2C接口可以與S3C2440A的I2C直接連接，最大傳輸速度為3.4 Mb/s，轉(zhuǎn)換速度快，功耗小。ADS8331和DAC7573的外圍電路都采用TI公司提供的經(jīng)典設(shè)計(jì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。
    系統(tǒng)將血氧傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路之后，通過(guò)ADS8331對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)SPI接口送至ARM處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。ARM處理器根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，通過(guò)I2C接口，發(fā)送數(shù)據(jù)至DAC7573來(lái)控制對(duì)應(yīng)的電壓輸出口輸出電壓值以控制血氧傳感器內(nèi)部發(fā)光二級(jí)管的輸出功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)其發(fā)光強(qiáng)度，以保證采集到的信號(hào)更準(zhǔn)確。ARM處理器將處理結(jié)果通過(guò)觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)經(jīng)過(guò)RS232接口送至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件部分主要包括各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序和血氧飽和度的算法。
    S3C2440A主程序流程圖如圖5所示。

6 系統(tǒng)結(jié)果分析
    通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機(jī)采集系統(tǒng)之后保存成數(shù)據(jù)文件得到的采集數(shù)據(jù)波形圖如圖6所示。采樣得到的血氧飽和度信號(hào)波形與人體的脈搏信號(hào)十分吻合，準(zhǔn)確地反應(yīng)了人體的血氧飽和度信息，所以系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理的。

    本文設(shè)計(jì)了基于S3C2440A的無(wú)創(chuàng)血氧檢測(cè)系統(tǒng)。依據(jù)近紅外光譜技術(shù)的理論，設(shè)計(jì)了血氧傳感器，并根據(jù)傳感器的特性，設(shè)計(jì)信號(hào)檢測(cè)和調(diào)理電路，配合以高精度的ADC和DAC模塊， 以及S3C2440A處理器的支持，成功實(shí)時(shí)檢測(cè)到了血氧信號(hào)。系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，并且檢測(cè)方便，無(wú)創(chuàng)傷，其在臨床的應(yīng)用前景十分廣闊。雖然系統(tǒng)的血氧算法精度不高，但是血氧數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)保存，為下一步血氧濃度算法研究和分析提供了強(qiáng)有力的支持。
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