便携式医疗设备原理及设计

二极管(LED)，其中一个发射可见红光(660nm)，另一个发射红外线(940nm)(见图 3)。光束通过人体组织到达光电检测器。在通过人体组织时，红血球中的血色素会吸收部分光线，吸收量因血氧饱和度的不同而不同。首先，通过测量对两个波长光线的吸收量，MCU能够精确计算出氧化的血色素比例。其次，通过人体组织的光线中含有因心跳造成动脉血量不同而产生的脉冲分量。

图3探头上配有两个LED

必须使用恒流源驱动这两个LED，以确保测量过程中保持稳定的亮度。具有自动增益控制(AGC) 反馈的恒流源可以通过采用内部 DAC及简单MCU算法而获得。MCU能够选择输出血液脉动部分的吸收量，动脉血液、非脉动静脉血液或毛细血管血液以及其它人体组织色素均会吸收光线。最新测量技术降低了测量血氧饱和度时的干扰效应。两个LED周期性打开，红光LED开启，然后红外线LED开启，最后两个都关闭，每秒钟重复几次，这种时分多路复用技术消除了背景噪声的干扰。相位正交复用技术可使红色光及红外线先按相位(而不是时间)分离，随后又组合。这种更先进的技术有可能消除运动或电磁干扰产生的大气干扰，原因是两种LED信号在再组合时相位有差异 。5~20s可 以测出平均血样饱和度，通过连续脉动信号之间的LED周期数能够计算出脉搏率，得出脉搏率平均值大概与得出饱和度平均值的时间近似，这与具体的监控器有关。

MCU根据两种频率光线的吸收比例计算两个参数的比值。MCU 闪存中存储了一系列通过实验得到的血氧饱和值(志愿者在实验中呼吸气体的氧气含量逐渐增加)。MCU将测量到的两种光线波长吸收率的比值与存储值比较，然后以百分比显示血氧饱和度。通常情况下，血氧饱和值在70%~100%之间，低于70%的数据是估测得出的，因为无法获得人体血氧含量低于70%的数据。

基于MSP430FG461x的脉搏血氧计结构图如图4所示。该应用具有完整的模拟前端解决方案，其中包括集成运算放大器、ADC及 DAC。DAC与片上参考电路形成驱动 LED 的恒流源。其中一个运算放大器用作传感器光电二极管的I/V转换器。通过使用DAC输出及 MCU 执行的软件算法来调节LED 亮度，由此实现自动增益控制。ADC将放大后并经过滤波的输出信号进行数字化处理，而MCU中的软件则计算出平均值。至此完成了红光、红外线光源及双方比值的数据采集和计算。该比值与存储的标准数据比较后得到精确的血氧饱和度值。计算出的血氧百分比值显示在LCD上。A/D转换值也含有心率信息，软件在5s左右可以计算出心率平均值，该值也同时显示在 LCD上。另外，MCU的PWM输出驱动压力蜂鸣器，每心跳一下就发出一次短暂蜂鸣。通过这种周期性蜂鸣可以判断传感器位置及信号采集是否正常。

图4 基于MSP430FG461x的脉搏血氧计

结语

在上述便携式医疗应用中，超低功率微控制器MSP430FG461x作为单芯片解决方案，具有多种优势。ADC的高精度很容易满足测量类应用的需求。片上运算放大器及 DAC非常有助于信号调节和自动增益控制。为测量类应用选择了合适 的MCU之后 ，系统设计师下一步就要进行软件开发。由于MCU能够提供片上仿真功能，所以设计人员可以通过JTAG端口进行实时调试。现有多种编译器及调试器可用，且调试器硬件很便宜。调试器硬件需要一个简单的逻辑电平转换器连接至PC并行端口，且无需传统的ICE接口。全功能实时仿真可以在芯片内置硬件上设定断点，因而在调试的同时能够实现全速运行。该器件的高集成度和代码开发方便性显著降低了系统设计成本。调试过程中可以随时刷新闪存中的程序代码，从而极大缩短了开发时间，所以，选择该MCU能够有效缩短产品上市时间。另外，120KB的系统内可编程闪存同时可以作为数据记录器使用。