反射式血氧饱和度测试仪的设计

科技信息

1、前言

无创伤血氧饱和度检测已经广泛应用于临床患者的监护和手术中

的麻醉监护。随着人们健康意识的不断提高，日常的健康监护、康复监

护甚至有些运动员的体征检测和在高危环境下作业人员的体征检测都

需要用到血氧饱和度数据。所以血氧饱和度的研究具有广泛的研究价

值和应运前景。目前在临床上我们广泛使用的血氧饱和度检测工具基

本上都是生命参数测试仪，这类仪器体积庞大携带不方便而且需要固

定电源，虽然这些年也出现了大量便携式的透射光法血氧计，并且技术

已经相对成熟，国内外很多研究机构都对其软件和硬件做了充分的探

讨，并且已经出现大量成熟的产品，但由于透射式血氧饱和度测试仪一

般只能夹在手指上，测试位置比较单一，不能测试人体多个位置的血氧

饱和度甚至很多时候都会影响到被测试者的日常活动，很不方便。根

据这些局限我们设计出了一种基于Zigbee的反射式血氧饱和度测试

仪，并对以往的透射式的血氧饱和度测试仪电路进行了改进，使电路更

简单，功耗更小，并通过Zigbee网络使血氧饱和度数据能够实现无线数

据传输和远程监护的目的。

2、反射式血氧饱和度的检测原理

透射式血氧饱和度检测中，光检测器与发光二极管分别置于被检

测部位的两侧，通过发光二极管发出的光透过人体组织然后被光检测

器接收，通过接收到的光强度来计算血氧饱和度值。而反射式血氧饱

和度检测仪的光检测器和发光二极管是在同一侧的，光波在通过人体

组织时除了一部分被人体组织吸收以外，还会有另外一部分散射出

来。根据光的传播理论，光子的传播可用组织光学特性参数来描述，这

些特性参数定量的描述了组织光学效应。反射式血氧饱和度检测仪就

是通过这部分散射光对血氧饱和度进行计算的，反射式血氧饱和度检

测原理如图1所示：

图1反射式血氧饱和度检测原理

由于透射式和反射式都是利用人体对于光的吸收和未吸收量的比

例来计算人体血氧饱和度值的，所以本质上没有太大差别，根据Lan-

bert—Beer定律我们得到的透射式血氧饱和度计算公式在原理上与反

射式的推导公式是相同的。所以根据透射光推导方式同样可以得到反

射式血氧饱和度的计算公式，反射式血氧饱和度的计算公式如式（1）所

示：

SpO2=A-B⋅I λ1

AC

/Iλ1DC

I2AC/I2DC （1）

3、反射式血氧饱和度检测仪的硬件设计

基于微型化、低功耗、便携式和网络化的要求我们设计的反射式血氧饱和度检测仪采用CC2530芯片作为检测仪的主控芯片，它主要具有数据采集和处理，功耗控制，无线数据传输和组网的功能。为了使检测仪更微型化，电路更加简单，准确性更高我们放弃了传统的光电接收器而采用数字光频转换接收器，这样省去了大量的模拟器件，使电路大大简化，并且数字化的信号采集器件使得信号受到的电磁干扰更少，可靠性得到了提高。整个系统主要包括电源管理电路，反射式血氧探头，探头驱动电路，自动增益控制电路，Zigbee无线发送模块等，其系统框架如图2所示：

图2反射式血氧饱和度检测仪结构框图

3.1反射式探头的设计

发光管我们采用常用的血氧饱和度发光管，光接收器采用的是TSL235光频转换器，它是一种高度集成的器件，内部包含了光电二极管、放大器、限幅器、积分电路、带通滤波器、比较器等，它可以直接将光信号转换成频率信号输出，与传统的光信号采集电路相比省去了放大滤波等电路，使电路得到了很大的简化，并且可靠性得到了进一步的提高，有利于小型化和低功耗的设计。TSL235光频转化在600nm到900nm光频范围内的响应率相对较高很适合应用到血氧饱和度的采集中。

3.2LED驱动电路的设计

LED驱动电路作为血氧饱和度测试仪的重要组成部分，驱动电路的设计对于整个系统的工作性能有很大的影响。为了使系统达到微型化和低功耗的目的，我们要使电路尽量的简单和使用低功耗的器件。此处我们采用660nm和905nm双波长的LED灯，两个波长的LED灯交替发光。并且在此驱动电路中我们加入了自动增益控制模块，能根据不同的测试者自动的调节发射光强度，使其达到最适合血氧饱和度测量的条件，并且可以使LED灯消耗的能量达到最小，节省了功耗。驱动电路如图3所示：

图3红光、红外光驱动电路

3.3无线收发模块

本检测仪的设计是基于Zigbee网络的，所以具有组成Zigbee网络的能力，网络化是该检测仪的最大特点。在设计中我们采用CC2530芯片作为主控芯片，它包含了一个增强型工业标准的8051内核为系统提供数据处理，自动增益控制，驱动控制等功能，并且还包含一颗CC2530射频收发器，其工作频率范围为2.4-2.4835GHz，采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式，采用O-QPSK调制方式，灵敏度达到-94dBm。这样使系统具有很高集成度的同时也使系统的功耗得到

反射式血氧饱和度测试仪的设计

重庆邮电大学生物医学工程研究中心李章勇刘亚东姜瑜王伟

［摘要］反射式血氧饱和度测试仪是利用人体血液对特定波长光的吸收强度的关系结合扩散传输理论得出反射式血氧饱和度的计算公式，据此研究出一种基于Zigbee网络的血氧饱和度检测系统。本文通过硬件和软件的改进大大降低了系统的功耗，并且通过加入相应的滤波算法，使得系统在简单电路下便能达到理想的滤波效果。最后通过对Zigbee网络的应用使得本文设计的反射式血氧饱和度的应用范围得到了进一步的扩展。

［关键词］反射式血氧饱和度低功耗Zigbee

CC2530

基金项目：本文受工信部重大项目（2011）353和重庆市教委KJ100502项目支持。

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