基于MSP430超低功耗处理器的监护仪脉搏血氧模块

　　1原理简介

　　在危重病人的床头监护和手术过程生理参数的检测中，多参数监护仪是一个重要的监测仪器。血氧饱和度是其中的一个重要参数。它反映了动脉血液流经肺部后，氧合血红蛋白所占血红蛋白总体的比例。血液中的氧含量直接影响了人体新陈代谢，因此快速简捷的无损伤光电检测方法有着重要的现实意义，比起插管提取血液的有损法，指端脉搏血氧信号的光电检测法使病人所花的代价要小得多，并且能应用在健康人的运动、睡眠监测研究中。本文给出了基于监护仪的血氧模块工作原理及软硬件实现方法。

　　人体动脉血中血红蛋白主要以还原(Hb)和氧合(HbO2)形式存在。血氧饱和度定义为：

　　根据光学原理，当发光管发射的单色光透过具有丰富毛细血管床的手指、脚趾和耳垂等部位，另一边光敏管接收的透射光的强度为：

　　式中：

　　下标 1、2 分别表示 Hb 和 HbO2;

　　E、C、D分别为溶液吸光系数、浓度和动脉血的路径长度;

　　系数 a 为组织里非动脉血部分对入射光的衰减作用，包括表皮、皮下组织、静脉血等。

　　当动脉血管搏动时，这部分组织的衰减作用可认为是不变的。D 为光通过动脉血的路径长度，动脉血管搏动时，该部分的长度发生变化，设为 D。设搏动后、前投射光强之比的对数为 W，当 W 较小时:

　　由于 D 及 C1、C2未知，因此需要另一束光，这样我们选用对血氧饱和度的检测有较强的灵敏度和稳健性的波长分别为 940nm 和 660nm 的红外光和红光。若用上标撇号表示另一束红光的对应参数，经一系列运算可解得：

　　当 E2= E1时，可简化为：

　　此时，只需分别检测出两个波长的光电信号，且计算出脉动部分与直流部分的交直流调制比： I/I，即可代入式(5)算出脉搏血氧饱和度，系数 A 和 B 可经定标获得。

　　当 E2与 E1不相等时，SpO2与 P 不成线性关系，但是仍可用 P 的二次函数来拟合，即：

　　式中系数 a、b、c 可用最小二乘法根据实测数据来计算。

　　2 硬件原理

　　MSP430 是 TI 公司近几年推出的超低功耗 16 位系列单片机，集成了多通道 12bit 的 A/D 转换、片内精密比较器、多个具有 PWM 功能的定时器、硬件乘法器、片内 USART、看门狗定时器、片内数控振荡器(DCO)、大量的 I/O 端口以及大容量的片内存储器，它的超低功耗使其在电池供电的便携式设备如监护仪的应用中表现出非常优良的特性。该模块的总体结构如图 1 所示。

　　单片机外围有红光、红外光发射接收时序控制电路，前置放大，红光、红外光分离电路，自动增益控制电路和高低通滤波电路等几部分。