基于MSP430F149和nRF905的 無線血氧指夾的設(shè)計(jì)

0 引言
    血氧飽和度可以反映病人的呼吸功能，并在一定程度上反映動(dòng)脈血氧的變化，故在臨床監(jiān)護(hù)和家庭監(jiān)護(hù)中都具有重要意義。用常規(guī)多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀監(jiān)護(hù)血氧飽和度時(shí)，通常用一個(gè)血氧指夾夾在手指端或者腳趾端來采集光電脈搏波信號(hào)，并通過一條線纜將信號(hào)傳到監(jiān)護(hù)設(shè)備進(jìn)行處理和計(jì)算。由于線纜的影響，病人往往不便翻身，而且線纜容易脫落，造成測量結(jié)果錯(cuò)誤，嚴(yán)重危害病人的及時(shí)搶救。單模塊的血氧飽和度測量設(shè)備雖然便于攜帶，但由于其功耗較高，采用電池供電限制了監(jiān)護(hù)的持續(xù)時(shí)間：一般此類設(shè)備只能將監(jiān)護(hù)信息存儲(chǔ)在設(shè)備內(nèi)部，而無法把監(jiān)護(hù)信息及時(shí)發(fā)送出去，耽誤病人的搶救時(shí)間。為此，本文提出了一種基于射頻芯片nRF905和超低功耗單片機(jī)MSP430F149的血氧飽和度指夾的設(shè)計(jì)方法，旨在實(shí)現(xiàn)沒有線纜，超長時(shí)間監(jiān)護(hù)和及時(shí)發(fā)送監(jiān)護(hù)信息等監(jiān)護(hù)功能。

1 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(jié)合的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結(jié)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(hù)中常用SaO2來估計(jì)SpO2的水平。SaO2的理論計(jì)算公式如下：
   
    其測量方法一般以朗博一比爾定理為基礎(chǔ)，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(qiáng)度來計(jì)算血氧飽和度的值。其公式如下：
   
    式中，△I'max為紅外光的交流分量的最大值，I'max為紅外光的直流分量的最大值，△Imax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660 nm的紅光和940 nm的紅外光。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    圖1所示是本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。本無線血氧指夾以MSP430F149微控制器為主控芯片，用單片機(jī)的I／O接口來驅(qū)動(dòng)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(hào)，可用于反映透射光光強(qiáng)。該電流信號(hào)經(jīng)過電流一電壓轉(zhuǎn)換、放大、濾波等信號(hào)調(diào)理后，可轉(zhuǎn)換為脈搏波信號(hào)，最后由MSP430F149內(nèi)置的12位ADC采樣進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理，并通過計(jì)算得到血氧飽和度值，將該值打包后由單片機(jī)發(fā)送到nRF905模塊，然后通過天線發(fā)送出去。

3 無創(chuàng)血氧指夾的硬件電路
3．1 信號(hào)采集和調(diào)理電路
    本系統(tǒng)的信號(hào)采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(gè)，采用反向?qū)拥姆绞竭M(jìn)行連接；另外有光敏二極管一個(gè)，可用以將光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電流強(qiáng)度。
    信號(hào)調(diào)理電路包括電流一電壓轉(zhuǎn)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(hào)。其中電流一電壓轉(zhuǎn)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。

3．2 射頻電路
    nRF905射頻芯片是Nordic公司采用VLSIShoctBurst技術(shù)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M(fèi)CU來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理／時(shí)鐘覆蓋。通過將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號(hào)處理放到芯片內(nèi)，nRF905可提供給微控制器一個(gè)SPI接口，其速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定。通過SPI接口進(jìn)行編程配置，可以實(shí)現(xiàn)很低的電流消耗。在發(fā)射功率為-10 dBm時(shí)，發(fā)射電流為11 mA，接收電流為12．5 mA，且進(jìn)入POWERDOWN模式后，還將更加節(jié)電。
3．3 控制電路
    控制芯片選用Ti公司的超低功耗單片機(jī)MSP430系列中的MSP430F149，該型號(hào)的單片機(jī)具有功耗超低，可支持C語言開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)具有非常強(qiáng)的處理能力，其速率最高可以達(dá)到2MIPS，且內(nèi)部自帶12位的ADC。是一款功能豐富，運(yùn)算能力強(qiáng)大的單片機(jī)。圖4所示是由MSP430F149構(gòu)成的射頻控制電路。

4 系統(tǒng)軟件流程及測試結(jié)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(jìn)行了測試。受試者為一健康成年男性。實(shí)驗(yàn)從手指端采集脈搏波，事實(shí)上，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路處理后的脈搏波干擾較小，細(xì)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(jī)再通過一系列計(jì)算，最后系統(tǒng)返回的血氧飽和度的值為99％，該結(jié)果與采用邁瑞公司生產(chǎn)的PM－8000便攜式監(jiān)護(hù)儀測量的結(jié)果完全一致，說明本系統(tǒng)基本達(dá)到了預(yù)期要求。

5 結(jié)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(shè)計(jì)方法。該指夾能夠?qū)崿F(xiàn)無線監(jiān)護(hù)功能，一方面，它能夠克服連接線纜帶來的諸多問題，另一方面，它也使得家庭監(jiān)護(hù)和隨身監(jiān)護(hù)更有可能實(shí)現(xiàn)。由于本系統(tǒng)具有低功耗等優(yōu)點(diǎn)，可在電池供電條件下實(shí)現(xiàn)超長時(shí)間的監(jiān)護(hù)，因此，更容易發(fā)現(xiàn)偶發(fā)的病癥。