便攜式脈動(dòng)血氧計(jì)完整設(shè)計(jì)，提供健康監(jiān)護(hù)保障

一、項(xiàng)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(cè)量方法可分為有創(chuàng)測(cè)量和無(wú)創(chuàng)測(cè)量?jī)煞N。有創(chuàng)測(cè)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(cè)出血氧分壓PO2，計(jì)算SaO2。該方法比較麻煩，且不能進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)。無(wú)創(chuàng)測(cè)量主要采用雙光束透射式方法，由不同波長(zhǎng)的紅光和紅外光通過(guò)生物組織的吸光度相對(duì)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(duì)變化測(cè)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(shù)學(xué)模型。同時(shí)，無(wú)創(chuàng)脈搏血氧計(jì)內(nèi)部產(chǎn)生的光源的非理想性引起的誤差也使得測(cè)量精度普遍低于有創(chuàng)測(cè)量的精度。本設(shè)計(jì)針對(duì)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(jì)的設(shè)計(jì)方案，可以證明，本設(shè)計(jì)所研制的脈動(dòng)血氧計(jì)可以提高血氧飽和度的測(cè)量精度。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

足夠的氧供給是生命的基礎(chǔ)，動(dòng)脈血氧飽和度是反映血氧的重要參數(shù)，其測(cè)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(duì)血樣進(jìn)行精確的測(cè)量是有效的，但該法不能連續(xù)監(jiān)測(cè)，測(cè)定過(guò)程繁瑣，給醫(yī)護(hù)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(xù)、快速、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)動(dòng)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(diǎn)。在單芯片便攜式醫(yī)療儀器上應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢(shì)?？梢詫a(chǎn)品的外圍器件數(shù)量減到最小。本設(shè)計(jì)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)超低功耗，對(duì)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(shù)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(dāng)兩種LED光線通過(guò)身體后，MCU通過(guò)檢測(cè)這兩種光強(qiáng)度的變化來(lái)計(jì)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(gè)設(shè)定值時(shí)，血氧儀即可發(fā)出某種報(bào)警信號(hào)提示用戶(hù)。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(cè)量方式：雙波長(zhǎng)測(cè)量；

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

●脈搏顯示：三色分析系統(tǒng)，LED快捷地顯示脈搏質(zhì)量；

●測(cè)量范圍：血氧飽和度：0—100% 心率：18—300搏/分鐘；

●測(cè)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(chǔ)存資料，快速靈敏的SaO2數(shù)值，適宜于睡眠分析以及能通過(guò)USB等通訊方與PC機(jī)通訊

●可顯示當(dāng)前時(shí)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(shí)以上 。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)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(shù)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(dāng)兩種LED光線通過(guò)身體后，MCU通過(guò)檢測(cè)這兩種光強(qiáng)度的變化來(lái)計(jì)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(tái)選用及資源配置

硬件平臺(tái)選用：EVK1100

資源配置：光照、溫度等傳感器：用來(lái)記錄當(dāng)時(shí)環(huán)境參數(shù)，然后對(duì)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(chǔ)器通訊，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，供離線分析；

其他：用來(lái)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(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

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