一种基于光-频率转换的单片数字式脉搏血氧仪

透射（或反射）光的强度．这类组织都是由皮肤、血液、肌
肉、骨骼等组成的混合组织，对光的吸收特性是在—个很大 的稳定分量（或称直流分量ＤＣ）上选加一个较小的脉动分 量（亦称为交流分量ＡＣ）。其交流分量是由于血液充盈动脉 引起，直流分量则是血液流过动脉的同时．由非脉动部分（即 肌肉、静脉血、皮肤、骨昭等）组织对光的吸收结果。通过 对两束光透射（或反射）量的测量可以得到四个变量，即红 光直流分置ＲＤ＿ＤＣ、红光交流分量ＲＤ．＿ＡＣ、红外直流分量
４．直接数字式脉搏血氧仪
针对模拟设计的这一问题，人们开始尝试用高分辨率的
模数转换器直接将光敏器件所检测到的光电流脉冲信号转 换为数字信号，此后的过程可由数字信号处理完成。这就是 所谓的直接数字式脉搏血氧仪。如前分析，要直接将光敏器 件所检测到的光电流脉冲信号转换为数字信号并满足剥量 精度的要求，则所采用的模数转换器的分辨率至少要达到 ２０位，最好在２２位以上。虽然目前普遍使用的￡－Ａ型模数 转换器可满足电压分辨率的要求，但由于其在对脉冲信号采 样时的延迟特性，限制了其在该场合的应用。目前的数字式 脉搏血氧仪仍然采用１６位以上的逐次比较型模数转换器。 为了去噪和提高抗干扰性能，模数转换器前的信号输入级常 采用电荷积分器代替电流电压转换器。为弥补系统动态范围 的不足，可在模数转换器前增加增益可编程放大器或用数模 转换器调节发光管的驱动电流。这种方案大大简化了硬件设 计和调试，提高了系统性能。但由于所采用的高分辨章的数 模转换器价格较高，这种设计对社区医疗和家庭保健的应用 场合还缺乏成本优势“】。 直接数字化脉搏血氧仪设计的另一方法是用光一频率 转换器（ＬＦＣ）直接将从人体组织接收的光信号转换成其频 率和透射（或反射）光强度成比例的电脉冲信号，对电脉冲 信号进行频率计数并进行数字信号处理，求出血氧饱和度和 心率值脚。但目前可用的ＬＦＣ的频率范围为１Ｍｌｔｚ以下， 要让频率计数值达到计算交、直流分量比值所要求的分辨 率，就需要自动调节发光管的驱动电流．使ＬＦＣ输出脉 冲的频率对于任何厚度的组织都保持在接近满度值的范 围内，同时驱动脉冲的宽度至少要在２０毫秒以上．这样 的功耗和采样率都是脉搏血氧仪设计不能接受的。如果采 用脉冲周期测量的方法取代频率测量．则要自动调节发光 管的驱动电流使得对于任何厚度的组织ｕ℃输出脉冲都 具有足够的宽度以保持周期捌量的精度。但要傲到这一 点，在当测量较薄组织时发光管的驱动电流和脉冲光强度
２．脉搏血氧仪的工作原理
脉搏血氧仪的工作原理是根据氧台血红蛋白ｍｂ０｜２）和 还原血红蛋白ｄＩｂ）对红光和近红外光具有不同的吸收光谱 特性，用两束不同被长的光（铡如６６０ａｍ的红光和９４０ａｍ的 近红外光）照射手指、脚指或耳垂等部位，由光敏元件探测
３．模拟式脉搏血氧仪
脉搏血氧仪的光敏器件所检测到的光电容积脉搏波是 在一个很大的直流分量上叠加的很小的交流分量。由于人体 待测各部分组织及人体个体的差异．光电容积脉搏波直流分 量本身的变化范围就达到１００－２００倍．而其上叠加的交流分
一种基于光．频率转换的单片数字式脉搏血氧仪
孙卫新，金捷，白朝军，郭萍，孔澍 （西安交通大学医学院医学电子工程研究所，生物医学信息工程教育部重点实验室，７１００６１）
摘要；本文给出了一种基于光．频率转换的单片式数字脉搏血氧仪设计方法。这种直接数字式脉搏血氧仪既能满足专业脉 搏血氧仪各项技术指标，特别是抗干扰和弱灌注测量性能的要求，又具有极低的成本和功耗．特别适台家庭和社区普及使用． 关键词；血氧饱和度，脉搏血氧仪，光一频率转换器
Ｃａｌｌ
ｓａａｓｆｙ蛆ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ埘ｅ觚ｍ地ｍ矗吐ｏｆｐｌｌｌｓｅｂｌｏｏｄｏｘｙｇｅｎ ｓａｍｘａ６０ｎ．ｅｓｐｅｄ业ｙｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙｏｆａａｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｔｅａｃｅ柚ｄ
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ｏｎ
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Ｗｅｉｘｉｎ，Ｊｉｎ
Ｊｉｅ，Ｂａｉ Ｃｈａｏ Ｊｕｎ，Ｇｕｏ Ｐｉｎｇ，Ｋｏｎｇ Ｓｈｕ
（Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＭｅｄｉｃａｌ Ｅｌｅｃ仕ｏｎｉｃｓ ｉｎ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｃｈｏｏｌ ０ｆⅪ’绷Ｊｉａｏｔｏａｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
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图一ｔ单片数字式脉搏血氧仪原理框圈
的占时是否落在如果１士０．３ｍｓ的计时窗口中。如果脉冲
串占时在此窗口中．测量将正常进行，否则将重新测定Ｎ 值． 本文所描述的方法已成功应用于佩带式脉搏血氧仪和 无线监护血氧模块的设计。其各项技术指标均达到较高的水 平，特别是成本、体积、功耗和抗干扰性能等指标明显优于 传统设计。
量变化范围一般为直流分量的０．５ｔ触Ｏ％．要求较高的脉搏
血氧仪设计要求当交流分量为直流分量的０．１％时也能较好 地描记脉搏波，检出心事和计算脉搏血氧饱和度．这样－要 直接从原始的光电容积脉搏波测量交直流分量的比值则对 铡蠡系统的动态范围、分辨率及信噪比都很高。早期的模拟
式脉搏血氧仪所采取的信号处理方法是用时分复用的红光 和红外光脉冲照射待测组织，用电流电压转换器将光敏器件 所检涣ｉ到的脉冲光电流信号转换为电压脉冲信号，将时分复 用的红光和红外光脉冲序列分离．然后用高阶低通滤波器分 别将两路脉冲序列还原为连续的容积波信号，最后将每一路 的交直流分量分离并分别调节每一路的增益以保证信号幅 度满足后续模数转换器测量精度的要求。直流通道的增益调 节也可以部分或全部用调节驱动光强度的方法代替。这种方 法的模拟电路复杂。各模拟通道的参数匹配性要求高，所达 到的性能指标也受到很大限制。
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１．引言
脉搏血氧仪是一种无刨伤、连续监测人体动脉血氧饱和 度的医学仪器，已成为医院中麻醉监测和ＩＣＵ监护的常规 配置设备，也广泛用于医院外的各种移动监护和睡眠监护． 家庭和杜区医疗保健体系的发展对脉搏血氧仪的设计和制 造提出了新的要求，即希望能提供低价位、高性能的佩戴式 脉搏血氧仪广泛用于家庭和杜区医疗罔．
脉冲串的预定计数值Ｎ是这样确定的ｔ在仪器上电复
Ｉ光频率转换嚣
位后．微处理器预设—个脉冲串预定计数值ＮＯ，按上述方
法依次驱动红光发光管和红外发光管，测量相应的ＬＦＣ
—●磊ｎ
参考文献：
Ｉ壁苎塑堂，
脚十捕捉
输出脉冲周期．用预定计时窗口的中值１娜除以ＬＦＣ
输出脉冲周期就得到对应于红光和红外光的预定计数值 Ｎ．在后续的每一采样周期中，都检测ＬＦＣ输出脉冲串
【１】中国发明专利，ＺＬ９９８１３９８６．６，直接数字式血氧仪和用 来计算氧合值的方法。 【２】Ｊｅｆｆ Ｂａｃｈｉｏｃｈｉ’ＴＳＬ２３０Ｒ－Ｂａｓｅｄ
Ｐｕｋｅ
Ｑｄｍｅｔ％ＣＩＲＣＵＩＴ
ＣＥＬＬＡＲ，Ｉｓｓｕｅｌ７３。Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２００４，Ｐ２６．
会调节到很小的值．这将导致信噪比的严重降低。计时分 辨率越低，所要求的脉冲宽度值越大，信噪比的下降也越 严重。
５．基于定数脉冲串计时法的单片式数字血
氧仅
本文提出了一种定数脉冲串累计计时法．有效解决了上 述测量ｕ℃输出脉冲频率和周期测量所遇到的速度和功耗 的问题，用低功耗和低成本微处理器实现了单片式数字脉搏 血氧仪设计。 定数脉冲串累计计时的基本思路是：对在发射光脉冲作 用下ＬＦＣ输出的脉冲串预设此脉冲串应包含的脉冲个数Ｎ， 使该脉冲串的累计占时落在规定的时问范围Ｔ－ｉ－ＡＴ内。启 动发光管驱动并对ＬＦＣ输出的脉冲串同时进行累积计数和 捕捉计时，一旦脉冲计数值达到预定数目Ｎ就立＆口记下捕 捉计时值并停止发光管驱动。所得到的捕捉计时值等于Ｎ 个脉冲周期的累计值，由此可计算出ＬＦＣ输出脉冲的周期、 频率及所代表的交直流分量。 该方法的优点是：系统对透射（或反射）光强的测量分 辨率只取决于系统对Ｔ土ＡＴ的计时精度而和ＬＦＣ输出频率 无关．例如．对于一般的１６ＭＩ－Ｉｚ时钟频率，计时分辨率为 ６２．５璐的低价位徽处理器而言，只要设置Ｔ±Ａ。ｒ－１±０３
琢Ｄｃ和红外交流分量ＩＲ＿，ＡＣ。
由这四个量可以算出所谓的Ｒ—Ｒ比值：
Ｒ－Ｒ＝ｏｌＤ＾ｃ瓜Ｄ
ｐｏ，Ⅲｔ＾Ｃ您Ｄ回
对于—特定发射波长配置的传感器，Ｒ－Ｒ比值和动脉血 氧饱和度有一特定的函数关系。这种函数关系很难用理论公 式表达出来，一般是通过临床和有刨方法比对实验的方法获 得定标数据绘制出所谓的，Ｒ－Ｒ比值和动脉血氧饱和度关系 的定标曲线。定标曲线的数据可以甩列表的方式存储在脉搏 血氧仪的数字信号处理单元中．仪器在测量和计算出Ｒ－Ｒ 比值后，可用查表方法求出动脉血氧饱和度值。
脚的计时窗口并由此确定Ｎ值，则无论ＬＫ输出脉冲周期
是多少，都能保证系统对脉动光强的测量分辨率达到 ０．０１％。显然，按该方法设计的脉搏血氧仪不需要调节驱动 光强度，这也简化了设计，提高了信噪比。 图一是本发明的硬件电路原理框图。本设计的中心处理 单元可驻是任一种带有脉冲捕捉输入口、液晶驱动单元及通 用串行通信接口的微处理器。系统时钟为１６ＭＨｚ。计时分 辨率为６２．５ ｎｓ。微处理器周期性地按顺序输出两路脉冲信 号驱动红光发光管和红外发光管，发光管发出的光脉冲经人 体组织衰减和调制后为光频率转换器ＬＦＣ所接收并转换成 频率和脉冲光强成线性比例关系的脉冲串传送至微处理器 脉冲捕捉输入口。微处理器利用内部的时钟和计时器对Ｉ．，ＦＣ 输出的脉冲串同时进行累积计数和捕捉计时。当脉；申计数值 达到预定数目Ｎ时立即记下捕捉计时值并停止发光管驱动。 微处理器根据所检涮到的每路光脉冲周期及其波动量计算 出相应的直流分量和交流分量，从而按通常的脉搏血氧仪算 法求得容积脉搏波数据、脉搏血氧饱和度及心率值．所得结 果一方面可通过液晶驱动电路驱动液晶显示器显示心率、血 氧饱和度以及脉搏波棒图，另一方面可通过通用的串行接口 将数据传送给中央她毽单元或无线发射单元，实现遥测功 能。
Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ＯｆＢｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｉｎ．ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ
Ｍｉｎｉｓｔｒｙ，７１００６１）
Ａｌ培ｌｒａｅｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅ出掣ｅ＿蛳ｄｉｇｉｔａｌｐｕｌｓｅｏｘｉｌｎ哪ｂａｓｅｄｏｎｌｉｇｈｔｔｏｆｒｅｑｕ髓ｃｙ ｃｏｌｌｖｅｃｔ茂，Ｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎ