基于STM32的数字血氧饱和度检测系统设计欣（上海）

中国医学物理学刊物Jul．,．29．No．4基于STM32的数字血氧饱和度监测系统设计欣（上海医疗器械高等专科学校医用电子信息系，上海）摘要：目的：血氧饱和度指血液中氧合血红蛋白占总血红蛋白的比列，直接反映人体的氧代谢状况，是医学监护的重要指标。本文以嵌入式ＡＲＭ系统为核心，设计出一个低功耗、低成本和高精度的血氧饱和度监测系统。它充分利用嵌入式处理器丰富的片上外设的优势，对血氧饱和度参数进行采集、分析和显示处理，整体设计方案可为家庭监护产品设计提供根据。方法：本文以ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６芯片作为核心处理器，采用ＩＡＲＥＷＡＲＭ的软件开发平台，实现血氧饱和度系统的设计。硬件设计方面，采用芯片的内部时钟进行光电讯号的驱动，并用其内部定时器实现讯号的取样。信号处理方面血氧饱和度测试仪 品牌，设计出自适应的参数训练算法，提高血氧值估算的有效性。结果：系统可实现讯号采集、信号处理、实时显示、报警、数据储存、自动断电、实时时钟等功能。数字化血氧探头的设计，可有效降低模拟电路处理，降低电路噪音的影响。结论：实现了数字血氧饱和度监测设备的软硬件设计，通过模拟设备检测证明，该系统具有精确度高、重复性好等优点，实用性关键词：血氧饱和度；嵌入式系统；红外波谱ＤＯＩ编码：ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５-２０２Ｘ．２０１２．０４．０１７中图分类号：Ｒ３１８．６文献标识码：文章编号：１００５-２０２Ｘ（２０１２０４-３５３３-０４ＬＩＵＨｏｎｇ，ＭＯＧｕｏ－ｍｉｎ，ＺＨＡＮＧＸｉｎ（ＳｈａｎｇｈａｉＭｅｄｉｃａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＣｏｌｌｅｇｅ，ＭｅｄｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３，Ｃｈｉｎａ）::Ｂｌｏｏｄｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｏｆｏｘｙｇｅｎａｔｅｄｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎｖｅｒｓｕｓｔｏｔａｌｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎｉｎｂｌｏｏｄ．Ｔｈｉｓｉｎｄｅｘｄｉｒｅｃｔｌｙｒｅｆｌｅｃｔｓｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｈｕｍａｎｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ，ａｎｄｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｆｏｒｍｅｄｉｃａｌｍｏｎｉｔｏｒ．Ｗｉｔｈｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍａｓｃｏｒｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ａｂｌｏｏｄｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｗｉｔｈｌｏｗｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｎｄｃｏｓｔｗｈｉｌｅｗｉｔｈｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｂｙｆｕｌｌｙｕｔｉｌｉｚｉｎｇｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓｉｎｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｃａｎｄｏｂｌｏｏｄｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓａｍｐｌｉｎｇ，ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｉｓｐｌａｙ．Ｔｈｅｗｈｏｌｅｓｏｌｕｔｉｏｎｃａｎｂｅａｓａｍｐｌｅｔｏｆｕｒｔｈｅｒｂｕｉｌｄｕｐｆａｍｉｌｙｎｕｒｓｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓ．:ＵｓｉｎｇｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒｏｆＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６ａｎｄｒｕｎｎｉｎｇｏｎＩＡＲＥＷＡＲＭｐｌａｔｆｏｒｍ，ｔｈｅｂｌｏｏｄｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｈａｒｄｗａｒｅｗｉｓｅ，ｅｍｂｅｄｄｅｄｃｌｏｃｋｉｓｕｓｅｄｔｏｄｒｉｖｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｉｇｎａｌ，ａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｔｉｍｅｒｉｓｕｓｅｄｔｏｄｏｔｈｅｓｉｇｎａｌｓａｍｐｌｉｎｇ．Ｒｅｇａｒｄｉｎｇｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ａｎｅｗｓｅｌｆａｄａｐｔｉｖｅａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄｔｒａｉｎｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｌａｒｇｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｂｌｏｏｄｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎ．:Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｓｕｐｐｏｒｔｓｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｉｓｐｌａｙ，ａｌａｒｍｉｎｇ，ｄａｔａｓｔｏｒｉｎｇ，ａｕｔｏｐｏｗｅｒｏｆｆ，ｒｅａｌ－ｔｉｍｅｃｌｏｃｋａｎｄｅｔｃ．Ｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｄｉｇｉｔａｌｐｒｏｂｅｆｏｒｂｌｏｏｄｏｘｙｇｅｎ，ｃａｎｌａｒｇｅｌｙｒｅｄｕｃｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｎａｌｏｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｍｉｎｉｍｉｚｅｔｈｅｉｍｐａｃｔｆｒｏｍｃｉｒｃｕｉｔｎｏｉｓｅ．:Ｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅｏｆｄｉｇｉｔａｌｂｌｏｏｄｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｒａｉｓｅｄ，ａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｉｓｐｒｏｖｅｎｈｉｇｈｌｙｐｒｅｃｉｓｅ，ｒｅ－ｐｅａｔａｂｌｅａｎｄｑｕｉｔｅｐｒａｃｔｉｃａｌ．:ｄｉｇｉｔａｌｐｕｌｓｅｏｘｉｍｅｔｒｙ；ｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍ；ｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ是评判人体血液携带氧能力的重要参数，检测动脉中的氧浓度可以判定人体呼吸系统、循环系统是否出现障碍等情况。

因此，血氧饱和度测量在麻醉、手术以及危重监护中起极其重要的作用血氧饱和度的检测有无创和有创两种形式。由于有创测量法需对人体进行穿刺采血，易感染、非实时，临床上更多的采用无创测量法。收稿日期：01315基金项目:上海院校选拔培养优秀青年班主任科研专项基金（N.作者简介：刘红(979－)，女（汉，上海，讲师，生物医学工程研究方向，Tel:56,;Email:。3533目前，无创检查血氧饱和度的方式有：泰勒级数法、近红外光谱法、氧指数法以及基于蒙特卡罗的多元线性回归法等，其中应用最广泛的是基于红外波谱的心跳血氧饱和度（SpO血氧饱和度测试仪 品牌，它是按照血红蛋白具有光吸收的特点设计而成。本文提出的心跳血氧饱和度检查设备，ＡＲＭ嵌入式系统为平台，以红外波谱技术为测量原理，采用自适应信号处理算法优化脉率统计，使SpO基于红外波谱的心跳血氧饱和度检测原理在医学上，血氧饱和度拿来描述血液中氧浓度的比列。血氧饱和度是指血液中氧合血红蛋白占总血红蛋白的比率，即：SaOHb１００％其中，CＨｂｏ２Ｈｂ分别指氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白的含量。

脉搏血氧饱和度测量技术主要根据两个数学理 。郎伯-比尔定理反映了光学吸收规律，即物质在一定波长处的吸光度与它的含量 成正比。 郎伯-比尔定理的意义在于：只要选择适合的 波长，测定它的吸光度就可以求出氨水的含量和物质 的浓度，即式（２）。 分别代表透射光与入射光强，ε为碱液吸光系 为氨水中吸光物质的含量，l为光程。 若采用双 波长光源，可以消去光路宽度 对透射光的影响。血液中氧合血红蛋白（HbO 和非氧合血红蛋白（Hb）对不同波长入射光有不同的吸收率， 如图 １可知，在红光谱区（６００ｎｍ￣７００ｎｍ）Ｈｂ的吸收系数远比 HbO 的大，而在红外波谱区（８００ｎｍ￣１０００ｎｍ）则相反，８０５ｎｍ是等吸收点。因此，通常选取 ６６０ｎｍ和９４０ｎｍ作为血氧饱和度检测光源。 （２）光电体积理论 当借助一束特定波长的光束照射到人体指端皮肤表面，并以透射或反射方法传送 到光电接收器时，由于遭到指端皮肤胸肌和血液等 成分的吸收作用，检测器检查到的入射光硬度将发生 衰减 因此，接收器所得光电讯号硬度主要由两部份 决定： 直流份量（ＤＣ） 皮肤脂肪胸肌骨骼等非血 液成份组织在心循环中基本保持不变，它对光的吸收 (散射）和衰减作用也基本保持恒定不变 交流份量（ＡＣ） 动脉血在心循环中呈周期性 脉动变化，外周血容量变化使光电接收器接收到的动 脉血讯号是周期性的脉动 依据以上理论，选用两个波长的光λ ＝９４０ｎｍ）作为侦测源并分别测定两路透射光最大 强度 近似于直流份量ＤＣ），以及因为脉 搏搏动而导致的透射光强最大变化量 近似于交流份量ＡＣ），通过与式２）联立，代入式１）可得： SpO 自适应信号处理确切辨识脉搏波，并在相应周期内提取心跳波峰 和波谷，是估算血氧饱和度的前提。

通常是在限定范 围内估算讯号的最大值或最小值个数，从而进行心跳 的计数。 传统的方式通常采用固定的链表宽度 Ｔｉｍ， 但该值不易选定 Ｔｉｍ取太小，极值不能代表周期内的波峰波谷；若 Ｔｉｍ取太大，波峰波谷不在同一 个周期内。 为了解决这个问题，本文采用了自适应的 方法获得链表宽度Ｔｉｍ。 过程如下：读取一段讯号频率值），以 Ｔｉｍ为初 始范围计数讯号的极值阀值由Ｔｉｍ范围内最大最小 值之差与调整系数的乘积决定）。 当极值个数过多或 过少时，自动调整Ｔｉｍ，对其进行缩小或减小。 调整后 的极值个数用于心跳终值的估算，而该值将进一步决 Ｔｉｍ的调整。通过反复训练， 直至估算出合适的 Ｔｉｍ为止，流程如图２所示。 硬件电路按照心跳血氧饱和度检测原理， 系统将通过时 序电路控制数字血氧探头分时发射绿光和红外光，由 接收端接收西路方波讯号，送入微处理器ＳＴＭ３２Ｆ１－ ０３Ｃ８Ｔ６），经过计数器计数，得到西路讯号的频度值， 最后进行数据处理脉率血氧饱和度数值的估算，系 统结构如图３所示。 3.1 光电传感器电路 传统的心跳血氧测试仪的探头一般采用模拟电 路，检测到的讯号需进行混频放大Ａ／Ｄ转换后才由 血红蛋白吸收曲线Fig.1 curve 3534 自适应算法流程图Fig.2 ＣＰＵ进行处理，此类电路将引入大量的噪音讯号。

了减少采集过程中形成的中间噪音，本文采用由双驱动光电器件 ＰＤＩ－Ｅ８３３及高精度光－频转换芯片 ＴＳＬ２３７Ｔ构成的数字血氧探头，探头可以实现 ６６０ ｎｍ和９４０ｎｍ光的发射及接收，接收的光强将直接转 换成方波频度，作为数字量输出。 采用数字血氧探头， 可以降低 Ａ／Ｄ转换等模拟信号处理电路， 提高产品 的稳定性、精确性、可靠性。 3.2 驱动电路 驱动电路与光电测量电路如图 ４所示。 其中， ＩＳＬ８４７１４为开关元件， 控制绿光和红外光的交替发 ＳＴＭ３２芯片的ＰＢ７￣９口驱动开关元件，发光 时序如图５所示。 其中ｔ１￣ｔ４分别为２．５ｍｓ，即一次采 样周期为１０ｍｓ。 软件设计软件部份由主控制程序、血氧饱和度估算子程序、 脉搏计数子程序、ＬＣＤ显示子程序、 中断服务子程序 以及并口发送子程序、存储程序、实时时钟程序组成，