MSP430單片機無創(chuàng)血氧飽和度測量系統(tǒng)原理

1、4嶺輛疑制電埠1MSP430單片機和nRF905的無線血氧指夾系統(tǒng)無創(chuàng)血氧飽和度測量原理血氧飽和度(SpO2)是血液中被氧結合的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的濃度，它是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。而功能性氧飽和度(SaO2)為HbO2濃度與HbO2+Hb濃度之比。因此，監(jiān)護中常用SaO2來估計SpO2的水平。SaO2的理論計算公式如下：其測量方法一般以朗博一比爾定理為基礎，利用血液中不同成分的吸光率的不同，采用紅光和紅外光分別照射組織，并通過測量透射光的強度來計算血氧飽和度的值。其公式如下：式中，ATmax為紅外光的交流分量的最大值，Ima

2、x為紅外光的直流分量的最大值，Almax為紅光交流分量的最大值，Imax為紅光直流分量的最大值。本系統(tǒng)采用的是660nm的紅光和940nm的紅外光。2MSP430單片機系統(tǒng)總體設計圖1所示是本系統(tǒng)的總體結構框圖。本無線血氧指夾以MSP430F149微控制器為主控芯片，用單片機的I/O接口來驅(qū)動發(fā)光二極管。系統(tǒng)采用邁瑞公司生產(chǎn)的手指端血氧指夾，指夾的輸出量為電流信號，可用于反映透射光光強。該電流信號經(jīng)過電流一電壓轉換、放大、濾波等信號調(diào)理后，可轉換為脈搏波信號，最后由MSP430F149內(nèi)置的12位ADC采樣進入單片機進行處理，并通過計算得到血氧飽和度值，將該值打包后由單片機發(fā)送到nRF905模

3、塊，然后通過天線發(fā)送出去。3無創(chuàng)血氧指夾的硬件電路31信號采集和調(diào)理電路本系統(tǒng)的信號米集使用邁瑞公司生產(chǎn)的ND78108494手指端血氧指夾，該指夾內(nèi)部有紅光和紅外光發(fā)光二極管各一個，采用反向?qū)拥姆绞竭M行連接；另外有光敏二極管一個，可用以將光強轉化為電流強度。信號調(diào)理電路包括電流一電壓轉換電路、放大電路、濾波電路和電壓范圍調(diào)整電路共4部分，輸出是較為光滑的脈搏波信號。其中電流一電壓轉換和放大電路如圖2所示，圖3所示是其濾波和電壓調(diào)整電路。32射頻電路nRF905射頻芯片是Nordic公司采用VLSIShoctBurst技術開發(fā)的產(chǎn)品，能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸而不需要昂貴的高速MCU來進行數(shù)據(jù)處

4、理/時鐘覆蓋。通過將與RF協(xié)議有關的高速信號處理放到芯片內(nèi)，nRF905可提供給微控制器一個SPI接口，其速率由微控制器自己設定的接口速度決定。通過SPI接口進行編程配置，可以實現(xiàn)很低的電流消耗。在發(fā)射功率為-10dBm時，發(fā)射電流為11mA,接收電流為12.5mA,且進入PowerDOWN模式后，還將更加節(jié)電。3.3MSP430單片機和nRF905的無線血氧指夾系統(tǒng)控制電路控制芯片選用Ti公司的超低功耗單片機MSP430系列中的MSP430F149，該型號的單片機具有功耗超低，可支持C語言開發(fā)等優(yōu)點。同時具有非常強的處理能力，其速率最高可以達到2MIPS，且內(nèi)部自帶12位的ADC。是一款功能

5、豐富，運算能力強大的單片機。圖4所示是由MSP430F149構成的射頻控制電路。佬如K-SAS耐出TJ.XCNNiXJT-HlOrIACX.K：PlJTiWPl伽PlElPl43MrLKH_LncMXr5ll5XIXSts-離LEISFWD-V4F莖一亙Md舊迄dn?_-Kfcswin,mLDrmoaROSQai畐一.HlyrXJVQM匕CVMd-4疽一盲VYEgwrnovJJRr-lai】z|r4-7-1LL+fa-ii-|E.FPS.WCI-KJP5.Z-MIlP.MTBiF4Mfti1.Kpjatim心FBriTiwF42T1M已J2PihTDIMEWPl川哪Ip沁”亦IPl劃皿加關MI

6、SO45-側聽4cshdjTXHKHlTH-KCF彌m訕nCOXSt:JDif|住gglg4系統(tǒng)軟件流程及測試結果圖5給出了本系統(tǒng)的軟件流程圖。筆者用該方案的無線血氧指夾對成人進行了測試。受試者為一健康成年男性。實驗從手指端采集脈搏波，事實上，經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后的脈搏波干擾較小，細節(jié)丟失較少，完全可以用于血氧飽和度的測量。將所采集的脈搏波經(jīng)AD采樣后送入單片機再通過一系列計算，最后系統(tǒng)返回的血氧飽和度的值為99%，該結果與采用邁瑞公司生產(chǎn)的PM8000便攜式監(jiān)護儀測量的結果完全一致，說明本系統(tǒng)基本達到了預期要求。5結束語本文給出了一種基于MSP430F149和nRF905的無線血氧指夾的硬件電路和設計方法。該指夾能夠?qū)崿F(xiàn)無線監(jiān)護功