脈搏血氧計(jì)及心率監(jiān)測器

　　心率監(jiān)視和脈搏血氧計(jì)采用的技術(shù)不止一種。本文著重介紹非侵入式光學(xué)體積描記技術(shù)。此類血氧計(jì)采用配有MCU的外部探頭，能夠顯示血氧飽和度及脈搏率。在此應(yīng)用中，同一個(gè)傳感器可同時(shí)用作心率檢測及脈搏血氧測量。該技術(shù)提供了估測動(dòng)脈血氧飽和度和心率的簡單而精確的辦法。探頭置于指尖、耳垂和鼻子等身體不同位置。探頭包含兩個(gè)發(fā)光二極管（LED），其中一個(gè)發(fā)射可見紅光（660nm），另一個(gè)發(fā)射紅外線（940nm）（見圖 3）。光束通過人體組織到達(dá)光電檢測器。在通過人體組織時(shí)，紅血球中的血色素會(huì)吸收部分光線，吸收量因血氧飽和度的不同而不同。首先，通過測量對兩個(gè)波長光線的吸收量，MCU能夠精確計(jì)算出氧化的血色素比例。其次，通過人體組織的光線中含有因心跳造成動(dòng)脈血量不同而產(chǎn)生的脈沖分量。

　　圖3 探頭上配有兩個(gè)LED

　　必須使用恒流源驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)LED，以確保測量過程中保持穩(wěn)定的亮度。具有自動(dòng)增益控制（AGC） 反饋的恒流源可以通過采用內(nèi)部 DAC及簡單MCU算法而獲得。MCU能夠選擇輸出血液脈動(dòng)部分的吸收量，動(dòng)脈血液、非脈動(dòng)靜脈血液或毛細(xì)血管血液以及其它人體組織色素均會(huì)吸收光線。最新測量技術(shù)降低了測量血氧飽和度時(shí)的干擾效應(yīng)。兩個(gè)LED周期性打開，紅光LED開啟，然后紅外線LED開啟，最后兩個(gè)都關(guān)閉，每秒鐘重復(fù)幾次，這種時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)消除了背景噪聲的干擾。相位正交復(fù)用技術(shù)可使紅色光及紅外線先按相位（而不是時(shí)間）分離，隨后又組合。這種更先進(jìn)的技術(shù)有可能消除運(yùn)動(dòng)或電磁干擾產(chǎn)生的大氣干擾，原因是兩種LED信號(hào)在再組合時(shí)相位有差異。

　　5~20s可以測出平均血樣飽和度，通過連續(xù)脈動(dòng)信號(hào)之間的LED周期數(shù)能夠計(jì)算出脈搏率，得出脈搏率平均值大概與得出飽和度平均值的時(shí)間近似，這與具體的監(jiān)控器有關(guān)。

　　MCU根據(jù)兩種頻率光線的吸收比例計(jì)算兩個(gè)參數(shù)的比值。MCU 閃存中存儲(chǔ)了一系列通過實(shí)驗(yàn)得到的血氧飽和值（志愿者在實(shí)驗(yàn)中呼吸氣體的氧氣含量逐漸增加）。MCU將測量到的兩種光線波長吸收率的比值與存儲(chǔ)值比較，然后以百分比顯示血氧飽和度。通常情況下，血氧飽和值在70%~100%之間，低于70%的數(shù)據(jù)是估測得出的，因?yàn)闊o法獲得人體血氧含量低于70%的數(shù)據(jù)。

　　基于MSP430FG461x的脈搏血氧計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。該應(yīng)用具有完整的模擬前端解決方案，其中包括集成運(yùn)算放大器、ADC及 DAC。DAC與片上參考電路形成驅(qū)動(dòng) LED 的恒流源。其中一個(gè)運(yùn)算放大器用作傳感器光電二極管的I/V轉(zhuǎn)換器。通過使用DAC輸出及 MCU 執(zhí)行的軟件算法來調(diào)節(jié)LED 亮度，由此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。ADC將放大后并經(jīng)過濾波的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，而MCU中的軟件則計(jì)算出平均值。至此完成了紅光、紅外線光源及雙方比值的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算。該比值與存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較后得到精確的血氧飽和度值。計(jì)算出的血氧百分比值顯示在LCD上。A/D轉(zhuǎn)換值也含有心率信息，軟件在 5s左右可以計(jì)算出心率平均值，該值也同時(shí)顯示在 LCD上。另外，MCU的PWM輸出驅(qū)動(dòng)壓力蜂鳴器，每心跳一下就發(fā)出一次短暫蜂鳴。通過這種周期性蜂鳴可以判斷傳感器位置及信號(hào)采集是否正常。

　　圖4 基于MSP430FG461x的脈搏血氧計(jì)

　　結(jié)語

　　在上述便攜式醫(yī)療應(yīng)用中，超低功率微控制器MSP430FG461x 作為單芯片解決方案，具有多種優(yōu)勢。ADC的高精度很容易滿足測量類應(yīng)用的需求。片上運(yùn)算放大器及 DAC非常有助于信號(hào)調(diào)節(jié)和自動(dòng)增益控制。為測量類應(yīng)用選擇了合適 的MCU之后 ，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師下一步就要進(jìn)行軟件開發(fā)。由于MCU能夠提供片上仿真功能，所以設(shè)計(jì)人員可以通過JTAG端口進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試。現(xiàn)有多種編譯器及調(diào)試器可用，且調(diào)試器硬件很便宜。調(diào)試器硬件需要一個(gè)簡單的邏輯電平轉(zhuǎn)換器連接至PC并行端口，且無需傳統(tǒng)的ICE接口。全功能實(shí)時(shí)仿真可以在芯片內(nèi)置硬件上設(shè)定斷點(diǎn)，因而在調(diào)試的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)全速運(yùn)行。該器件的高集成度和代碼開發(fā)方便性顯著降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。調(diào)試過程中可以隨時(shí)刷新閃存中的程序代碼，從而極大縮短了開發(fā)時(shí)間，所以，選擇該MCU能夠有效縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。另外，120KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存同時(shí)可以作為數(shù)據(jù)記錄器使用。