脉搏血氧饱和度

脉搏血氧饱和度的测量一、测量值：脉搏血氧饱和度、脉率二、测量原理：以两路光线（红光vs，红外光ir）高频交替照射被测部位，两路透射光经光电转换得到两路变化的光电流信号，两路光电流信号经过放大、去直流、去工频干扰得到两路信号的交流部分，交流部分的平均功率之比即为动脉血的含氧量，通过线性拟合得到脉搏血氧饱和度；其中任何一路信号交流部分即为脉搏波，测得其周期可计算出脉率。

三、测量电路及其参数。

电路包括三部分：探头驱动电路、光电流放大和去直流电路、计算电路。

探头驱动电路实现两路光线由对称的两组三极管构成，与计算电路的两个IO端口和两个DA端口相连，分别控制两路光线的交替开关和幅值。

光电流放大和去直流电路由两级运放构成，一级运放将光电流信号放大为电压信号，这个电压信号包含交流分量和较大的直流分量（分别对应着测量部位的动脉血和其他成分），因此需要二级运放去直流处理。

计算电路接受两个运放的输出，作为反馈为探头驱动电路和去直流电路提供参考电压幅值。

探头接口说明：1为地线，6、7分别为外屏蔽和内屏蔽线，2为红外光输入正极，红光输入负极，3为红光输入正极，红外光输入负极，9为光电管输出正极，5为光电管输出负极。

四、测量流程基本测量流程如下图。

200Hz定时器中断，两路LED交替通断，即1秒内两路光各有100次采样。

以红外光这一路为例：每次开启红外光LED，根据OA0输出改变LED的幅度ir_LED_level（Q3 的基极），根据OA1输出改变去直流电路的直流参考电压ir_dc_offset (OA1的正向输入端)，得到的OA1的输出作为计算电路的输入，关灯，原始信号去工频处理后得到ir_heart_signal，数字去直流后得到ir_heart_signal_ac，该信号进入脉搏波周期判断的队列group_caculate[64]，同时计算ir_heart_signal_ac信号的平方和，并且采样计数，同时进行脉搏周期的判断。

数字信号直流跟随可表达为：跟随系数×（输入信号-直流分量）+直流分量=更新的直流分量。

脉搏周期的判断过程：队列相当于在脉搏波信号上一个滑动的窗口，窗口应有一定宽度，大于噪声时间，但需小于脉搏周期。

判断过程如下：当最小值位置处于窗口中部位置时则判定为一个波谷，检测到波谷以后窗口继续滑过10个采样点，但不再检查最小值，确保上一个波谷已经离开窗口中心，然后继续检查最小值位置确定下一个波谷。

可以分为三种状态分别称之为确定波谷、离开波谷、寻找波谷。

如下图。

利用局部特征实时判断脉搏周期的三个阶段：1）确定波谷，确定周期，计算血氧饱和度和脉率，清空计数；2）离开波谷，开始计数，计算信号平方和；3）寻找波谷，保持计数，计算平方和，确定窗口中最小值位置五、测量程序实现（可参考pulsoximeter.c文件）1、变量设置1）全局参量根据运放一的输出经AD转化后判断LED是否过亮过暗，2500到3000之间为合适亮度，否则进行调节，快速调节步长为2，细调步长为1，可根据实际电路修改。

//反馈控制LED驱动幅度时的上下界和调节步长#define FIRST_STAGE_TARGET_HIGH 3000#define FIRST_STAGE_TARGET_LOW 2500#define FIRST_STAGE_TARGET_HIGH_FINE 3500#define FIRST_STAGE_TARGET_LOW_FINE 2000#define FIRST_STAGE_STEP 2#define FIRST_STAGE_FINE_STEP 12）全局变量//脉搏血氧信号，存储脉搏血氧几个处理方法后的值int32_t ir_heart_signal;//红外光，OA1输出经过平均滤波后，等待数字去直流int32_t vs_heart_signal;// 红光，OA1输出经过平均滤波后，等待数字去直流int32_t ir_heart_signal_ac;//红外光，经过数字去直流，进入计算窗口，参加平方和的累加int32_t vs_heart_signal_ac;// 红光，经过数字去直流，进入计算窗口，参加平方和的累加int32_t sum_ir_heart_signal_ac = 0;//红外光，信号平方和累加值，一个周期计算平均功率int32_t sum_vs_heart_signal_ac = 0; //红光，信号平方和累加值，一个周期计算平均功率//计算过程信号int group_wave[512];//用于显示，循环队列，存储几个周期内的ir_heart_signal_ac信号int offset_wave = 0;//循环队列队列头int flag_initial = 1;//初始化标志位int sample_count = 0;//采样计数，每个周期清空，重新计数int num_beat = 0;//初始值为1，下一个脉搏后为2，计算平均功率和血氧饱和度，重新置1 int flag_jump = 0;//脉搏波周期判断，是否处于离开波谷的状态int sample_jump = 0;//离开波谷时的采样计数，到20则已离开波谷，置0 ，flag_jump 置1//循环队列，以滑动窗口的形式判断当前是否为脉搏波波谷int group_caculate[64];//用于脉搏周期判断的循环队列，存储64 个ir_heart_signal_ac信号int offset_caculate = 0;//队列头位置int min;//队列中最小值int location_min;//最小值位置int location_min_adjust;//最小值相对与队列头的位置，如果是32则确认一个波谷//最终结果//脉率unsigned int heart_rate = 6000;//脉率最终测量结果，初始值为60.00unsigned int group_heart_rate[8];//最近8秒内的脉率，循环队列，初始化为6000int offset_heart_rate=0;//队列头unsigned int sample_heart_rate;//脉率当前原始结果，经过一定调整后进入group_heart_rate[8] int32_t sum_heart_rate;//最近8秒的脉率累加值，除以8得到新的heart_rate//脉搏血氧饱和度unsigned int SpO2 = 9500;//血氧饱和度最终测量结果，初始值为95.00unsigned int group_SpO2[8]; //最近8秒内的血氧饱和度，循环队列，初始化为9500int offset_SpO2=0;//队列头int32_t sum_SpO2; //最近8秒的血氧饱和度累加值，除以8得到新的heart_rate//控制参数int fresh=0; //调试使用，无意义//反馈控幅和OA1参考电压的参数int led_tab=0; //控制开启红光还是红外光，每次中断切换状态int ir_LED_level;//ir驱动幅度，控制Q3基极，范围1到2500，数字越大，亮度越弱int vs_LED_level;//vs驱动幅度，控制Q4基极，范围1到4095，数字越大，亮度越弱int ir_dc_offset = 4095;//ir灯直流参考电压，开启红外LED时，控制OA1正向输入端int vs_dc_offset = 4095;// /vs灯直流参考电压，开启红光LED时，控制OA1正向输入端int ir_dc_offset_second = 0;//数字去直流时的直流跟随量int vs_dc_offset_second = 0; //数字去直流时的直流跟随量//运放输出的输出int ir_sample;//ir灯，OA0的输出，根据该输出改变ir_LED_levelint vs_sample;//vs灯，OA0的输出，根据该输出改变vs_LED_level3）子函数unsigned long isqrt32(register unsigned long h);//开方运算int16_t ir_filter_test(int16_t sample);//平均滤波器_红外int16_t vs_filter_test(int16_t sample);//平均滤波器_红光2、程序主体（请参照pulsoximeter.c文件）1）晶振、电源设置2）初始化操作：group_heart_rate[8]初始化为6000，sum_heart_rate 初始化为48000，group_SpO2[8]初始化为9500，sum_SpO2初始化为76000。

3）DAC设置，ir_LED_level初始化为2500，vs_LED_level初始化为900。

ADC设置。

定时器设置，200Hz采样中断，1600Hz用于PWM输出。

4）设置完，进入低功耗模式5）中断处理程序，200Hz中断，中断进入后或者进入红光LED流程，或者进入红外LED 流程，都要根据输入调整相应参数，进行平均滤波，去直流处理。

两种流程其他计算上有所不同：在红光流程中主要进行两路信号平方和累加、采样计数、脉搏血氧饱和度和脉率的计算；红外流程里主要进行的是脉搏周期的判断。

两个流程的具体操作如下。

红光流程：关闭两路灯，设置参数，开启红光LED，读取输入，关闭红光LED，根据输入调整参数，平均滤波，去直流，循环队列更新，是否处于找到波谷的状态（num_beat由1变为2，找到，否则未找到），未找到则计算两路平方和，采样计数累加，找到则计算脉搏血氧饱和度和脉率，平方和、采样计数置0。

红外流程：关闭两路灯，设置参数，开启红光LED，读取输入，关闭红光LED，根据输入调整参数，平均滤波，去直流，循环队列更新，是否处于离开波谷的状态（flag_jump==0时为寻找状态，flag_jump==0时为离开状态），寻找状态找到循环队列中最小值及位置，判断是否波谷，不是波谷继续寻找，是波谷则进入离开状态，离开状态仅计数，计数满20次进入寻找状态。

中断程序代码如下所示：//红光流程if(led_tab==0)// led_tab==0，打开红光LED{led_tab=1;//切换led_tab，下一次进入红外流程P2OUT |= BIT2;//关灯P2OUT |= BIT3;//关灯DAC12_0CTL &= ~DAC12ENC;//开启DAC，根据vs_LED_level给出幅度DAC12_0CTL &= ~DAC12OPS;DAC12_0CTL |= DAC12ENC;DAC12_0DAT = vs_LED_level;//红光LED驱动幅度DAC12_1DAT = vs_dc_offset;//红光去直流电路的参考电压，OA1正向输入P2OUT &= ~BIT3;//开灯，红光LEDADC12CTL0 &= ~ENC;//开启DAC，读取OA0、OA1输出ADC12CTL0 |= ENC;for(m=1;m<=1500;m++)//伪循环提供DAC转换时间，红光LED保持开{}vs_sample = ADC12MEM0;//OA0输出结果i = ADC12MEM1;//OA1输出结果//OA0输出，根据全局参量控制LED的驱动幅度if (vs_sample>=FIRST_STAGE_TARGET_HIGH||vs_sample<= FIRST_STAGE_TARGET_LOW){if (vs_sample >= FIRST_STAGE_TARGET_HIGH){if (vs_sample >= FIRST_STAGE_TARGET_HIGH_FINE)vs_LED_level += FIRST_STAGE_STEP;elsevs_LED_level += FIRST_STAGE_FINE_STEP;if (vs_LED_level >= 4095)vs_LED_level = 4095;}else{if (vs_sample <= FIRST_STAGE_TARGET_LOW_FINE)vs_LED_level -= FIRST_STAGE_STEP;elsevs_LED_level -= FIRST_STAGE_FINE_STEP;if (vs_LED_level <= 1)vs_LED_level = 1;}}//OA1输出，控制OA1输入的参考电压if (i >= 4095){if (vs_dc_offset > 0)vs_dc_offset--;}else if (i <100){if (vs_dc_offset < 4095)vs_dc_offset++;}DAC12_0CTL &= ~DAC12ENC;//关闭DAC_NOP();_NOP();P2OUT |= BIT2;//关灯P2OUT |= BIT3;//关灯//实时处理vs_heart_signal = vs_filter_test(i);//OA1输出，平均滤波处理vs_dc_offset_second += ((vs_heart_signal - vs_dc_offset_second)>>7);//数字直流跟随vs_heart_signal_ac = vs_heart_signal - vs_dc_offset_second;//去直流group_wave[offset_wave] = ir_heart_signal_ac+4000; //加4000保证脉搏波信号为正offset_wave = (offset_wave + 1) & 0x1ff; //循环队列更新，用于显示group_caculate[offset_caculate] = ir_heart_signal_ac;//循环队列更新，用于脉搏判断offset_caculate = (offset_caculate + 1) & 0x3f;if(num_beat>=1)// num_beat是否为1{sample_count++;//采样计数//两路信号平方和累加sum_vs_heart_signal_ac += ((vs_heart_signal_ac * vs_heart_signal_ac)>>10);sum_ir_heart_signal_ac += ((ir_heart_signal_ac * ir_heart_signal_ac)>>10);}if(num_beat>=2) // num_beat是否为2，为2表示找到一个新的波谷{int32_t x = isqrt32(sum_vs_heart_signal_ac);//平方和开方int32_t y = isqrt32(sum_ir_heart_signal_ac);//平方和开方int32_t w = 100 * x / y;//平均功率之比R×100sum_SpO2 -= group_SpO2[offset_SpO2];//8秒内血氧饱和度之和减去8秒前的值//计算当先新的脉搏血氧饱和度，拟合公式110-25×R，R为平均功率之比group_SpO2[offset_SpO2] = 11000 - 25 * w;//调整新的脉搏血氧饱和度，变化不能超过3个百分点，范围在85到100之间if(group_SpO2[offset_SpO2]>(group_SpO2[(offset_SpO2-1)&0x07]+300)){group_SpO2[offset_SpO2] = group_SpO2[(offset_SpO2-1)&0x07]+300;}else if(group_SpO2[offset_SpO2]<(group_SpO2[(offset_SpO2-1)&0x07]-300)){group_SpO2[offset_SpO2] = group_SpO2[(offset_SpO2-1)&0x07]-300;}else{}if(group_SpO2[offset_SpO2]>10000){group_SpO2[offset_SpO2] = 10000;}else if(group_SpO2[offset_SpO2]<8500){group_SpO2[offset_SpO2] = 8500;}else{}sum_SpO2 += group_SpO2[offset_SpO2]; //8秒内血氧饱和度之和加上当前的值offset_SpO2 = (offset_SpO2+1) & 0x07;SpO2=sum_SpO2/8;//计算平均值，得到最终结果//清空计数和变量重置sum_vs_heart_signal_ac = 0;//平方和累加值置零sum_ir_heart_signal_ac = 0; //平方和累加值置零//脉率的计算sample_heart_rate = 600000 / sample_count;//由脉搏周期换算成脉率num_beat = 1;//脉搏计数重置成1sample_count = 0;//采样计数置0if(sample_heart_rate<1000||sample_heart_rate>18000)//明显错误的结果{}else{//8秒内脉率之和减去8秒前的值sum_heart_rate -= group_heart_rate[offset_heart_rate];//循环队列更新，得到当前脉率group_heart_rate[offset_heart_rate] = sample_heart_rate;//8秒内脉率之和加上当前值sum_heart_rate += group_heart_rate[offset_heart_rate];offset_heart_rate = (offset_heart_rate+1) & 0x07;//求平均值，为脉率最终结果heart_rate=sum_heart_rate/8;}fresh=1;}}//红外流程else{//前面部分与红光部分一致，关灯，设置参数，开灯，读取运放输出，关灯，平均滤波，去//直流，不再做注释，注释的主要是脉搏周期的判断部分led_tab=0;P2OUT |= BIT2;//关灯P2OUT |= BIT3;//关灯DAC12_0CTL &= ~DAC12ENC;DAC12_0CTL |= DAC12OPS;DAC12_0CTL |= DAC12ENC;DAC12_0DAT = ir_LED_level;//红外LED驱动幅度DAC12_1DAT = ir_dc_offset;//OA1输入参考电压P2OUT &= ~BIT2;//开灯ADC12CTL0 &= ~ENC;ADC12CTL0 |= ENC;for(m=1;m<=1500;m++){}ir_sample = ADC12MEM0;//OA0输出，用以控制LED驱动幅度i = ADC12MEM1;//OA1输出，初始未处理的信号j = ADC12MEM2;k = ADC12MEM3;//OA0输出，控制LED驱动幅度if (ir_sample >= FIRST_STAGE_TARGET_HIGH || ir_sample <= FIRST_STAGE_TARGET_LOW){if (ir_sample >= FIRST_STAGE_TARGET_HIGH){if (ir_sample >= FIRST_STAGE_TARGET_HIGH_FINE)ir_LED_level += FIRST_STAGE_STEP;elseir_LED_level += FIRST_STAGE_FINE_STEP;if (ir_LED_level >= 2500)ir_LED_level = 2500;}else{if (ir_sample <= FIRST_STAGE_TARGET_LOW_FINE)ir_LED_level -= FIRST_STAGE_STEP;elseir_LED_level -= FIRST_STAGE_FINE_STEP;if (ir_LED_level <= 1)ir_LED_level = 1;}}//OA1输出，控制OA1输入的参考电压if (i >= 4095){if (ir_dc_offset > 0)ir_dc_offset--;}else if (i < 100){if (ir_dc_offset < 4095)ir_dc_offset++;}DAC12_0CTL &= ~DAC12ENC;_NOP();_NOP();P2OUT |= BIT2;//关灯P2OUT |= BIT3;//关灯T_body_signal =j;T_enviroment_signal = k;ir_heart_signal = ir_filter_test(i);//初始信号滤波处理ir_dc_offset_second += ((ir_heart_signal - ir_dc_offset_second)>>7); ir_heart_signal_ac = ir_heart_signal - ir_dc_offset_second;//是否为程序启动状态，此时flag_initial == 1if(flag_initial == 1){if(offset_wave>=500){flag_initial=0;}}else{//脉搏周期的判断if(flag_jump==0)// flag_jump==0，表示处在寻找波谷状态{sample_jump = 0;// 离开波谷时的采样计数置0//寻找group_caculate [64]循环队列中的最小值及其位置min = group_caculate[0];location_min = 0;for(int i=1;i<64;i++){if(min<group_caculate[i]){min = group_caculate[i];location_min = i;}}//计算最小值位置距离队列头距离if(location_min<=offset_caculate){location_min_adjust = offset_caculate - location_min;}else{location_min_adjust = offset_caculate + 64 - location_min;}//最小值是否在队列正中if(location_min_adjust==31||location_min_adjust==32){flag_jump=1;//如果是，找到波谷，进入离开波谷状态//脉搏计数增加，如果是程序第一次找到，则由0到1，以后则总是由1到2 num_beat++;P1OUT ^= BIT0;}}else// flag_jump==1，表示处在离开波谷状态{sample_jump ++;// 离开波谷时的采样计数if(sample_jump>=20) // 离开波谷时的采样计数到达20{flag_jump = 0;//认为已离开波谷，则重新寻找下一个波谷}}}6）子程序子程序主要有两个，一是平均滤波，二是开方运算。