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 1

2）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60.00

unsigned int group_heart_rate[8];//最近8秒内的脉率，循环队列，初始化为6000

int 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