血氧飽和度是人體新陳代謝的重要體征指標(biāo)之一，也是人體呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)疾病診斷的重要生理參數(shù)。許多臨床疾病會造成氧供應(yīng)的缺乏，將會直接影響細(xì)胞的正常新陳代謝，嚴(yán)重的還會威脅人的生命，所以動脈血氧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，在臨床救護(hù)中非常重要。目前，在臨床監(jiān)護(hù)病人的血氧飽和度時(shí)，多使用固定的有創(chuàng)的血?dú)夥治龇▽Σ∪诉M(jìn)行血氧檢測，容易造成干擾，而且不能夠提供連續(xù)、實(shí)時(shí)的血氧飽和度數(shù)據(jù)，難以滿足日益提高的醫(yī)療要求的需要[1]。因此，無創(chuàng)實(shí)時(shí)連續(xù)地對病人進(jìn)行血氧飽和度檢測變得日益廣泛而且重要。

1 近紅外光無創(chuàng)血氧檢測的原理
    血氧飽和度是指動脈中與氧結(jié)合的氧合血紅蛋白的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白容量的百分比及血液中血氧的濃度[2]。
    近紅外光無創(chuàng)血氧檢測的理論依據(jù)是朗伯-比爾光吸收原理。一束單色光照射于一吸收介質(zhì)表面，在通過一定厚度的介質(zhì)后，由于介質(zhì)吸收了一部分光能，透射光的強(qiáng)度就要減弱。吸收介質(zhì)的濃度越大，介質(zhì)的厚度愈大，則光強(qiáng)度的減弱愈顯著，其關(guān)系為：
    
    人體血液中的氧合血紅蛋白和沒被氧合的還原血紅蛋白對于不同波長光的吸收系數(shù)是不同的[3]。在波長600~700 nm的紅光R范圍內(nèi)，還原血紅蛋白的吸收系數(shù)比氧合血紅蛋白的大，而在800~1 000 nm的紅外光范圍內(nèi)，還原血紅蛋白的吸收系數(shù)比氧合血紅蛋白小[4]。這樣通過檢測人體組織對光強(qiáng)的吸收情況，便可以計(jì)算出血液中的含氧量。還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白對紅光和近紅外光的吸收系數(shù)曲線如圖1所示。

    本文采用波長為660 nm的紅光和940 nm的近紅外光作為入射光源，通過測定穿過手指的光強(qiáng)度來計(jì)算血氧飽和度[5]。
2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
    基于S3C2440A的無創(chuàng)血氧檢測系統(tǒng)，其硬件主要包括血氧檢測傳感器和驅(qū)動電路、信號調(diào)理電路、精密的A/D和D/A接口模塊、S3C2440A處理控制模塊，觸摸屏和RS232通信模塊。圖2是系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖。

    系統(tǒng)通過I2C接口控制D/A模塊與PWM模塊搭配工作，來驅(qū)動血氧傳感器，血氧傳感器采集的信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，經(jīng)A/D模塊采集并送至S3C2440A控制中心，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和處理后，在觸摸屏上顯示，并將結(jié)果送至上位機(jī)進(jìn)行保存。   
     S3C2440A是基于ARM9核心的處理器，具有豐富的外設(shè)接口和強(qiáng)大的處理和控制性能。其功耗低，處理速度最高可到400 MHz，具有片上I2C、SPI、LCD接口及UART接口，極大地方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展。
3 傳感器及接口硬件設(shè)計(jì)
3.1 血氧檢測傳感器設(shè)計(jì)
     血氧傳感器檢測的部位是人體手指,這是因?yàn)槭种覆课缓穸容^薄，易于光的透射。而采用透射方式的檢測技術(shù)也較之漫反射技術(shù)的檢測精度更好，受到的干擾也較小。血氧傳感器采用Nellcor的指套式血氧探頭，其內(nèi)部采用波長為660 nm的紅光發(fā)光二極管和波長為940 nm的紅外光發(fā)光二級管作為入射光源，而接收器件則為與之匹配的光敏二極管（PIN管）。
3.2驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的采樣周期設(shè)置為2 ms，在這2 ms之內(nèi)，紅光二極管和紅外光二極管交替各導(dǎo)通一次，中間還要留出一定的死區(qū)時(shí)間。通過ARM處理器的PWM輸出來控制兩個(gè)發(fā)光二極管R LED和IR LED輪流導(dǎo)通,通過S3C2440A的I2C接口，調(diào)節(jié)D/A模塊的輸出電壓，D/A的輸出電壓決定了三極管的導(dǎo)通電流，從而可以控制發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度。如圖3為H橋LED驅(qū)動電路，兩個(gè)PNP三極管Q1A、Q1B充當(dāng)了開關(guān)管的作用，在一個(gè)采樣周期中，各導(dǎo)通一次，在PWM1輸出為低電平時(shí)，Q1A導(dǎo)通，并處于飽和狀態(tài)，控制DAC2輸出，使NPN三極管Q2B導(dǎo)通，調(diào)節(jié)DAC2的輸出電壓來控制Q2B的導(dǎo)通電流，也就是控制流過IR LED的電流，從而可以控制IR LED的發(fā)光強(qiáng)度。控制R LED的工作狀態(tài)時(shí)，使Q1B處于飽和開通狀態(tài)。Q2A的工作情況與Q2B類似，通過調(diào)節(jié)DAC1的輸出電壓，進(jìn)而可以控制R LED的發(fā)光強(qiáng)度。

3.3 血氧信號檢測調(diào)理電路
    血氧的光電信號的檢測電路和信號調(diào)理電路是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵,其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響信號采集的質(zhì)量。傳感器采用對應(yīng)波長的PIN管作為接收管,為了滿足其高速的要求,使PIN管工作于光電導(dǎo)模式,通過2.5 V的基準(zhǔn)電壓芯片分壓,提供一個(gè)0.3 V的偏置電壓，從而可以使其工作于高速狀態(tài)，但是其產(chǎn)生的暗電流和噪聲就需要通過后級電路設(shè)計(jì)予以抑制。
    光電二極管具有高阻抗特性，其產(chǎn)生的電流信號十分微弱，要求前置放大器具有很高的低偏置電流特性，為了方便信號的傳輸，必須通過電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，將PIN管的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，光電二極管的電流信號十分微弱，只有幾十微安，要求采用很大的反饋電阻,才能將其轉(zhuǎn)換為伏級別的電壓信號供后級電路采樣，并保證其不失真。為了抑制其產(chǎn)生的噪聲，放大電路采用了一級放大，將轉(zhuǎn)換得到的電壓連接至A/D轉(zhuǎn)換器，就可以得到血氧信號的直流信號。為了提高血氧飽和度計(jì)算的精確度，需要檢測血氧信號的波動特性。通過控制D/A轉(zhuǎn)換器DAC3輸出合理的電壓定標(biāo)值，對血氧信號和定標(biāo)差值進(jìn)行再次放大，從而測得血氧信號的交流信號值。圖4為信號檢測調(diào)理電路。

4 ARM處理控制單元及外圍接口設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的控制單元是以S3C2440A為核心來設(shè)計(jì)的。S3C2440A是三星公司推出的基于ARM920T的RISC處理器，其提供了豐富的外設(shè)接口，有2路SPI接口、1路I2C接口、4路PWM輸出、3路UART接口和觸摸屏接口，并提供了大量的I/O口。這些豐富的外設(shè)可以使系統(tǒng)的開發(fā)更加方便，而且其包含了大部分接口器件的接口標(biāo)準(zhǔn)，兼容性好，為系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)提供了一個(gè)良好的硬件擴(kuò)展平臺。
    無創(chuàng)血氧檢測對血氧電壓信號的采集要求精度較高、采樣速度快、精確地對采集的電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換的精度和速度直接關(guān)系到系統(tǒng)結(jié)果的準(zhǔn)確度。本系統(tǒng)利用S3C2440A的SPI接口外接了精密的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8331。ADS8331是TI公司出品的16位中等轉(zhuǎn)換速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,有4路A/D輸入， 最大轉(zhuǎn)換速率為500 kS/s，具有精確度高,功耗低等特點(diǎn),適用于醫(yī)療設(shè)備。
    系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用了TI公司的DAC7573芯片，12位精度，其自帶的I2C接口可以與S3C2440A的I2C直接連接，最大傳輸速度為3.4 Mb/s，轉(zhuǎn)換速度快，功耗小。ADS8331和DAC7573的外圍電路都采用TI公司提供的經(jīng)典設(shè)計(jì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。
    系統(tǒng)將血氧傳感器檢測的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理電路之后，通過ADS8331對電壓信號進(jìn)行采集，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)SPI接口送至ARM處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。ARM處理器根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，通過I2C接口，發(fā)送數(shù)據(jù)至DAC7573來控制對應(yīng)的電壓輸出口輸出電壓值以控制血氧傳感器內(nèi)部發(fā)光二級管的輸出功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)其發(fā)光強(qiáng)度，以保證采集到的信號更準(zhǔn)確。ARM處理器將處理結(jié)果通過觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)經(jīng)過RS232接口送至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件部分主要包括各個(gè)模塊的驅(qū)動程序和血氧飽和度的算法。
    S3C2440A主程序流程圖如圖5所示。

6 系統(tǒng)結(jié)果分析
    通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機(jī)采集系統(tǒng)之后保存成數(shù)據(jù)文件得到的采集數(shù)據(jù)波形圖如圖6所示。采樣得到的血氧飽和度信號波形與人體的脈搏信號十分吻合，準(zhǔn)確地反應(yīng)了人體的血氧飽和度信息，所以系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理的。

    本文設(shè)計(jì)了基于S3C2440A的無創(chuàng)血氧檢測系統(tǒng)。依據(jù)近紅外光譜技術(shù)的理論，設(shè)計(jì)了血氧傳感器，并根據(jù)傳感器的特性，設(shè)計(jì)信號檢測和調(diào)理電路，配合以高精度的ADC和DAC模塊， 以及S3C2440A處理器的支持，成功實(shí)時(shí)檢測到了血氧信號。系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，并且檢測方便，無創(chuàng)傷，其在臨床的應(yīng)用前景十分廣闊。雖然系統(tǒng)的血氧算法精度不高，但是血氧數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)保存，為下一步血氧濃度算法研究和分析提供了強(qiáng)有力的支持。
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