基于PIC单片机的脉搏血氧测量仪的研制

　　血氧饱和度是指动脉血中与氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比.传统的血氧饱和度测量方法是对人体采血,再利用血气分析仪进行电化学分析,测出氧分压,计算血氧饱和度.这种方法虽然精确,但操作繁琐,且不能进行连续的监测.本文研制了以PIC18C252单片机为核心的脉搏式血氧测量仪.

　　现常用的基于8051内核的单片机是从原来的微型计算机CPU的基础上改造来的,内核复杂,在使用上具有一定的局限性.而采用哈佛总线结构和硬件乘法器的DSP器件,在内部设置了多个并行操作的功能单元和大量的片内存储器,进一步提高了运算速度,虽能够实时处理复杂控制,但其成本价格较高.美国微芯科技股份有限公司推出的采用RISC和哈佛结构的PIC系列单片机,具有内核简单、低价、高速、体积小、抗干扰能力强等特点.较DSP及51系列有很高的市场效率.脉搏血氧测量仪主要实现的是对一定时间内采集到的脉搏波形进行判断和分析,所涉及的数据量在1 k左右,程序主要实现的是波形的处理算法,其对乘法有极大的需求.基于以上分析本文系统选择了PIC18C252作为核心芯片.该芯片片内除具有MCU的基本模块外还封装了同步异步串行通信口、10位A/D、硬件乘法器、较大容量的RAM(1. 5 kB),系统的集成度高,运行时钟最高可达40 MHz,可满足大数据量和复杂算法的实时处理.

　　1　脉搏血氧测量原理和方法

　　脉搏血氧饱和度测量原理是依据Lambert2Beer定律:当一束单色光通过溶液介质时,吸光度与溶液的浓度和溶液层的厚度的乘积成正比.该定律的意义:只要选择适宜的波长光,测定它通过溶液的吸光度就可以求出溶液的浓度和物质的含量[1].根据该定律及血红蛋白吸收特征曲线(图1),通过数学方法可以推导出血氧饱和度的测量模型: a)使用红外光(660 nm)和近红外光(940 nm)作为测量光; b)测量部位为人体指尖; c)脉搏波峰的确定:在采集的脉搏数据段中,寻找最大值Max,定义门限t=0. 8Max.如果某点满足下面两个条件,则认为此点为波峰.首先,此点及前后5个点,共11个样本均值大于门限t,其次,此点是11个样本中的局部最大值. d)计算血氧饱和度的数学式SaO2=AR+B[2].其中A,B为常系数,可以通过数学统计方法拟合标定.R由两路透射光最大光强Imax和I′max以及某一脉搏周期内由于脉搏搏动而引起透射光强最大变化量ΔImax和ΔI′max来确定,实际上就是由两路透射光信号中的交流和直流成分来确定.有:

　　式(1)[3]中的IR和IIR是红光和近红外光的脉动增量光强度,反映经动脉血后透射光的信号强度.AC(660)和AC(940)分别是两路透射光信号的交流成分,DC(660)和DC(940)分别是两路透射光信号的直流成分.