便攜式脈動血氧計完整設(shè)計，提供健康監(jiān)護(hù)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(shù)，在臨床診斷中有著十分重要的意義。血氧飽和度的測量方法可分為有創(chuàng)測量和無創(chuàng)測量兩種。有創(chuàng)測量方法是先進(jìn)行人體采血，再利用血?dú)夥治鰞x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(xù)的監(jiān)測。無創(chuàng)測量主要采用雙光束透射式方法，由不同波長的紅光和紅外光通過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(qiáng)散射、弱吸收、各向異性的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng) ，不完全符合經(jīng)典的Beer—Lambert吸收定律，因而導(dǎo)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(shù)學(xué)模型。同時，無創(chuàng)脈搏血氧計內(nèi)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(shè)計針對上述問題進(jìn)行了深入的研究，提出了一種新型無創(chuàng)便攜式脈動血氧計的設(shè)計方案，可以證明，本設(shè)計所研制的脈動血氧計可以提高血氧飽和度的測量精度。

1.2 項目背景/選題動機(jī)

足夠的氧供給是生命的基礎(chǔ)，動脈血氧飽和度是反映血氧的重要參數(shù)，其測定在臨床醫(yī)療中有著十分重要的意義。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(xù)監(jiān)測，測定過程繁瑣，給醫(yī)護(hù)人員帶來了極大的不便，給病人帶來痛苦。脈搏血氧儀Pulse oximeter具有無創(chuàng)傷、連續(xù)、快速、準(zhǔn)確監(jiān)測動脈血氧飽和度SaO2的功能，已得到醫(yī)學(xué)界的承認(rèn)并進(jìn)入了臨床應(yīng)用，尤其適于危重病人手術(shù)監(jiān)護(hù)。脈搏血氧儀可廣泛應(yīng)用于手術(shù)室、恢復(fù)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。在單芯片便攜式醫(yī)療儀器上應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢?？梢詫a(chǎn)品的外圍器件數(shù)量減到最小。本設(shè)計中還可以通過控制LED燈的開啟時間與工作頻率進(jìn)一步減小功耗，使整個系統(tǒng)實現(xiàn)超低功耗，對環(huán)境友好。

二、需求分析

2.1 功能要求

通過外接一個光學(xué)探頭采集血氧飽和度與心率等參數(shù)并通過LCD顯示。光學(xué)探頭包括兩個LED，一個是可見紅光LED，一個是紅外光LED，探頭可以放置在手指尖或是耳垂等部位。當(dāng)兩種LED光線通過身體后，MCU通過檢測這兩種光強(qiáng)度的變化來計算人體內(nèi)的血氧含量。當(dāng)人體內(nèi)的血氧濃度與心率低于某個設(shè)定值時，血氧儀即可發(fā)出某種報警信號提示用戶。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 性能要求

●測量方式：雙波長測量；

●數(shù)值顯示：大屏幕LED或LCD顯示，SaO2、脈搏數(shù)值清晰可見，不受環(huán)境光線限制，適用于各種急救場所；

●脈搏顯示：三色分析系統(tǒng)，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(shù)值，適宜于睡眠分析以及能通過USB等通訊方與PC機(jī)通訊

●可顯示當(dāng)前時間、溫度等信息；

●可電池供電：六節(jié)AA電池，可連續(xù)工作24小時以上 。

三、方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

通過外接一個光學(xué)探頭采集血氧飽和度與心率等參數(shù)并通過LCD顯示。光學(xué)探頭包括兩個LED，一個是可見紅光LED，一個是紅外光LED，探頭可以放置在手指尖或是耳垂等部位。當(dāng)兩種LED光線通過身體后，MCU通過檢測這兩種光強(qiáng)度的變化來計算人體內(nèi)的血氧含量，并將結(jié)果在LCD上顯示。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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：用來記錄當(dāng)時環(huán)境參數(shù)，然后對儀器進(jìn)行補(bǔ)償；

4x20藍(lán)色LCD：顯示血氧飽和度、脈搏等參數(shù)；

JTAG連接器：下載程序；

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

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

其他：用來擴(kuò)展功能。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.4 系統(tǒng)軟件流程

程序運(yùn)行流程圖

3.4 系統(tǒng)預(yù)計實現(xiàn)結(jié)果

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