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 λ1AC/Iλ1DCI2AC/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ZigbeeCC2530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。

——75了一定的降低。

4、低功耗设计因为我们设计的血氧饱和度检测仪要求具有组成Zigbee无线网络的功能所以只能采用电池供电的方式，所以功耗控制是保证系统长时间、可靠、稳定工作的前提。

我们利用两种方式来达到功耗控制的目的。

其一是硬件方面，主要采取的方法是简化电路，使元器件的数目达到最小，并且选择功耗较小的器件。

其二就是优化系统的工作模式，本文提出了一种多模式的血氧饱和度检测工作状态，它可以使血氧饱和度检测仪根据特定的情况工作在不同的状态下。

我们知道血氧饱和度检测仪最耗能的部分就是红光和红外光驱动电路，所以在光驱动部分我们采取两种工作模式来降低功耗即正常工作模式和检测工作模式。

正常工作模式是指血氧饱和度检测仪实时的对血氧信号进行采集和处理，这样发光管的发光频率较高；检测工作模式是指血氧饱和度检测仪每隔十秒钟对血氧信号检测一次，这样使得发光管的发光频率大大降低，而人体血氧值相对来说不会在很短的时间内从正常值发生很大的改变，所以十秒钟检测一次基本能够满足日常的检测。

这样既能很好的检测病人的血氧饱和度值又能减少发光管的发光次数降低功耗。

具体工作流程如图4所示：图4多模式工作流程图当血氧饱和度检测仪启动以后首先进入正常工作模式，正常工作模式的运行时间为2分钟，然后判断2分钟内的血氧值是否出现过异常情况，如果正常则进入检测模式，如果不正常则循环正常工作模式。

在检测工作模式下计算一次血氧值，然后判断血氧值是否正常，如果正常则看检测工作模式循环次数是否溢出。

在这里我们设定检测工作模式的循环次数是60次，即使血氧饱和度值一直处于正常状态，过一段时间后也要跳出检测工作模式进入正常工作模式，这样进一步提高了血氧饱和度测试仪的可靠性。

如果循环次数达到60次则进入正常工作模式，没有达到60次则继续进入检测工作模式。

如果在检测工作模式下测得血氧值不正常则马上进入正常工作模式。

下面为我们对血氧饱和度测试仪的功耗进行的测试，采用同样的硬件设备，利用容量为350mAh的锂离子电池，其初始电压为4.5v，其中一块血氧饱和度测试仪一直工作在正常模式下，即实时的对血氧饱和度进行采集。

另一块工作在多模式状态下，在两种工作状态下分别测试其在不同时间电压的变化情况，如图5所示为不同工作状态下的血氧饱和度测试仪的电池电压变化情况与工作时间的关系。

图5两种不同工作状态下工作时间与电压的关系从图5我们可以明显的看出采用多模式的工作状态的血氧饱和度测试仪耗电量明显的下降了。

5、可靠性设计5.1滤波算法实现我们在保证血氧饱和度测试仪低功耗的同时，也要保证其测量的准确性和可靠性。

人体血氧饱和度值是一个不断变化的微弱信号，其容易受到外界干扰，且外界干扰信号会对测量结果产生很大的影响。

因此，这里我们采用限幅中值滤波算法对干扰信号进行滤波，保证血氧信号的可靠性和准确性。

这里提到的限幅中值滤波算法是对限幅滤波算法和中值滤波算法的一种改进算法。

限幅滤波算法具有高精度、高可靠性和高稳定性的特点，在单片机系统中被广泛的应用，限幅滤波算法主要对变化相对缓慢的数据有很好的处理能力。

限幅滤波算法实现简单，适用范围广，同时能够有效克服偶然因素引起的脉冲干扰，其算法如下：①将采用的数据按照先后顺序排列得到测量数列：x1,x2,...,x n。

其中x1为测量的第一个数，x n为测量的最后一个值。

②计算相邻测量值的增量y i，y1=|x2-x1|,y2=|x3-x2|,⋯,y n-1 =|x n-x n-1|。

③A是相邻两个采样值的最大允许增量，其值A= y1+y2+,...,+y n-1n。

当y i值大于A时判断y i+1是否大于A，若大于则x i+1为误差采样，若小于则x i为误差采样。

此时我们将剔除误差值，然后我们利用中值滤波算法将剩余的采样值按大小顺序排列，取得这列数组的中间值即为发光管发光一次所获得的光强度值。

若数组长度为偶数则取中间两个数的平均值作为最终的结果。

图6为我们利用一段已知信号来检测限幅中值滤波算法的滤波效果图。

图6不同滤波方式下的滤波效果对比从图中我们可以看出未加滤波算法的采样信号有一定程度的误差，虽然跟原始信号基本吻合但是对于准确性和可靠性要求较高的信号来说显然不能满足其要求。

经过滤波算法处理过的信号跟原始信号有很高的吻合度，基本能够满足血氧饱和度对准确性和可靠性的要求。

5.2可靠性验证图7生理参数测试仪与反射式血氧饱和度检测仪结果对比上面为我们对系统的功耗和滤波算法效果进行的验证，其结果达到了我们设计的目的，下面我们对系统性能做综合验证，证明系统的可靠性和准确性。

我们采用的验证方法是：通过生理参数测试仪采集一个人的血氧饱和度同时也通过我们设计的反射式血氧饱和度测试仪采集此人的血氧饱和度。

生理参数测试仪采用的是指夹式的方式测量血氧饱和度。

反射式血氧饱和度采集的是人体额头的血氧饱和度。

从图7可以看出生理参数测试仪测得的血氧饱和度的数据跟反射式血氧饱和度测试仪测得的数据基本吻合，有些地方还存在着一些偏差，存在偏差的原因有以下几个方面：生理参数测试仪虽然技术已经很成熟，但是也会（下转第78页）——76［10］Shiraki K ，Sugimoto K ，Yamanaka Y ，et al.Overexpression of X-linked inhibitor of apoptosis in human hepatocellular carcinoma.Int J Mol Med,2003,12(5):705-708.［11］Berezovskaye O ，Schimmer AD ，Glinskii AB ，et al.Increased ex-pression of apoptosis inhibitor protein XIAP contributes to anoikis resis-tance of circulating human prostate cancer metastasis precursor cell ［J ］.Cancer Res ，2005，65(6):2378-2386.［12］Braybrooke JP ，Vallis KA ，Houlbrook s ，et al.Evaluation of tore-mifene for reversal of multidrug resistance in renal cell cancer patients treat-ed with vinblastine.Cancer Chemother Pharmacol ，2000，46(1)：27-34.［13］来卫东，胡娜，刘琳琳等.As 2O 3对肾癌细胞786-0凋亡抑制蛋白XIAP 表达的影响［J ］.山东医药，2011，51(46)：4-6.［14］刘泰荣，杨罗艳.XIAP 反义寡核苷酸对肾癌细胞的作用及对其化疗敏感性的影响［J ］.中华实验外科杂志，2010，27(5):672-673.［15］Oost TK ，Sun C ，Armstrong RC ，et al.Discovery of potent an-tagonists of the antiapoptotic protein XIAP for the treatment of cancer.J Med Chem,2004;47:4417-4426.［16］Chawla-Sarkar M ，Bae SI ，Reu FJ ，et al.Downregulation of Bcl-2，FLIP or IAPs (XIAP and survivin)by siRNAs sensitizes resistant melanoma cells to Apo2L/TRAIL-induced apoptosis.Cell Death Differ ，2004，11:915-923.［17］Li Y ，Jian Z ，Xia K ，et al.XIAP is related to the chemoresistance and inhibited its expression by RNA interference sensitize pancreatic carci-noma cells to chemotherapeutics.Pancreas,2006;32:288-296.［18］Hatano M ，Mizuno M ，Yoshida J.Enhancement of C2-ce-ramide antitumor activity by small interfering RNA on X chromo-some-linked inhibitor of apoptosis protein in resistant human glioma cells.J Neurosurg,2004;101:119-127.［19］Wu TY ，Wagner KW ，Bursulaya B ，Schultz PG ，Deveraux QL.Development and characterization of nonpeptidic small molecule inhibitors of the XIAP/caspase-3interaction.Chem Biol,2003;10:759-767.［20］Berezovskaya O ，Schimmer AD ，Glinskii AB ，Pinilla C ，Hoffman RM ，Reed JC ，Glinsky GV.Increased expression of apoptosis inhibitor protein XIAP contributes to anoikis resistance of circulating human pros-tate cancer metastasis precursor cells.Cancer Res,2005;65:2378-2386.［21］Schimmer AD ，Welsh K ，Pinilla C ，Wang Z ，Krajewska M ，Bon-neau MJ ，Pedersen IM ，Kitada S ，Scott FL ，Bailly-Maitre B ，Glinsky G ，Scudiero D ，Sausville E ，Salvesen G ，Nefzi A ，Ostresh JM ，Houghten RA ，Reed JC.Small-molecule antagonists of apoptosis suppressor XIAP exhibit broad antitumor activity.Cancer Cell,2004;5:25-35.［22］Vassilev LT ，Vu BT ，Graves B ，Carvajal D ，Podlaski F ，Filipovic Z ，Kong N ，Kammlott U ，Lukacs C ，Klein C ，Fotouhi N ，Liu EA.In vivo activation of the p53pathway by small-molecule antagonists of MDM2.Science,2004;303:844-848.（上接第74页）产生一定的误差，所以我们设计的反射式血氧饱和度测试仪不可能跟生理参数测试仪测得的结果完全吻合；生理参数测试仪测量的是手指上的血氧饱和度，而我们的反射式血氧饱和度测量的是额头的血氧饱和度，这两个地方的血氧饱和度本身存在一定误差；反射式和透射式的测量原理有一定的区别不能完全等同。