基于C8051F120的透射式脉搏血氧仪的设计

氧对单个细胞在人体内运作有至关重要的作用。人体细胞长时间缺氧就会死亡 ；氧供应不足也会引起细胞对病毒的免疫力下降从而引发疾病 。因此 ，输送到细胞中的氧含量是衡量人体降与否的重要指标。测量人体血液 中的氧含量有多种方法，脉搏血氧仪是临床上常用 的-种非侵人性的测量方法 ，有利于提早发现组织缺氧的问题 ]。

血液中运输氧的是血红蛋 白，它可 以与氧结合或分离成为氧合血红蛋 白(HbO )和还原血红蛋 白(Hb)。脉搏血氧饱和度检测仪的原理是基于血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋 白的吸收光谱 的特性，运用 朗伯-比尔定律，使用 两个独立波长的光 (红光和红外光)透射手指后或得 脉搏信号 ，处理后获得血氧饱和度和心率 ]。

从朗伯-比尔定律人手，推导出血氧饱和度的理论计算公式 ，进行了脉搏血氧饱和度检测系统的软硬件设计 ，收稿日期：2012 12利用设计的样机对多名测试者进行了检测 ，获得理想的结果。设计中密切结合实 际应用 ，研究 内容涉 及 C8051f120单片机应用、微电流发放大、动态监护等技术 ，是生物医学与电子技术的交叉学科的应用 。

2 血氧饱和度检测理论血氧饱和度 (SaO )指的是血液 中血红蛋 白实际结合的氧占血液中血红蛋 白所能结合氧的最大量的百分 比，如式(1)所示 。

sa。 - Cnbo 100式中 ：C n和 Cm分别代表 HbO。和 Hb在血液中的浓度 。

· 81 ·第36卷 电 子 测 量 技 术光波波长/Ilm图 1 血红蛋白消光系数曲线图 1中可以看出，在波长为 660 nm处 2种血红蛋白的小光系数差异最大，在波长为 904 nm处 2种血红蛋白差异较小且变化趋势较缓。选用这 2种波长的光作为入射光 ，由朗伯-比尔定律可以推到出血氧饱和度的计算公式 ：sa。z- 660- 904×R IR(2)式中：I 和 I 分别表示入射光为红光时透射光中的交流成分和直流成分 ；J 和 磴 分别表示入射光为红外光时透射光中的交流成分和直流成分；日9 0 4和 n6 60分别代表 Hb对波长为904 nF[1和660 nm光的消光系数 ；n 代表 Hb 对波长为 660 Dm光的消光系数 。

3 硬件系统设计本系统的总体框图如图2所示，总共包括 4个拈：血· 82 ·DA1氧探头、调理和控制电路拈、微处理器系统拈和上位机系统拈。血氧探头选用迈瑞公司PM9O00监护仪配套使用的血氧探头。微处理器系统通过光强控制和驱动电路来驱动血氧探头调节二极管发光强度 ；血氧探头的光电二极管接收透过手指的光强，将光信号转为电流信号给信号调理电路；信号调理电路将电流信号转换成电压信号并放大，由单片机 自带的 AD拈进行 AD转换 ；单片机处理完数据后将数据结果和波形通过串口发送给上位机。

图 2 血氧饱和度检测系统总体3.1 光强控制和驱动电路光强和驱动电路如图 3所示，R-C和 IR-C连接单片机 IO 口，用以实现红光 二极管和红外 二极管交替发 光；DA1为 C805lf120单片机 DA输 出，用以控制红光和红外光二极管的发光强度。

GND图 3 LED驱动电路Al， . . . .-. . .1厂...～。.。。-第36卷 电 子 测 量 技 术噪声 ，计算血氧值时需要滤除脉搏波中的直流分量。采用coif4小波基 ，对脉搏信号做 9层分解 ，在细节系数中滤除工频干扰 ，在近似系数中滤除基线漂移和直流分量 ，滤波效果如图 8所示 。

0 500 l 000 l 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 0006 测试 结果图 8 脉搏波信号处理使用设计的脉搏血氧仪对 6名受试者进行 血氧检测试验 ，得到的血氧饱和度和脉率计算结果如表 1所示 。检测结果表明脉搏血氧仪测量得到了可用的脉搏波信号 ，血氧饱和度值和脉率值都在正常范围内。

表 1 测试者脉率和血氧值7 结 论介绍了透射式脉搏血氧仪的软硬件设计 ，并制作· 84 ·完成样机 。对人体检测结果表明设计 的脉搏血氧仪完成对血氧饱和度的检测 ，克服噪声干扰 等问题 ，处理结果 的可信度较高。在接下来的工作 中，可着重对脉搏波信号处理算法加 以改进，在不增加硬件成本的基础上提高脉搏血氧仪 的性能。