专利名称：光频率转换式脉搏血氧仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光频率转换式脉搏血氧仪。
背景技术：
脉搏血氧仪是一种无创伤，连续监测人体动脉血氧饱和度的医学仪器，已成为医 院中麻醉监测和重症监护的常规配置设备，也广泛用于医院外的各种移动监护和睡眠监 护。家庭和社区医疗保健体系的发展对脉搏血氧仪的设计和制造提出了新的要求，即希望 能提供低价位，高性能的佩带式脉搏血氧仪以广泛适用于家庭和社区医疗网。 脉搏血氧仪的工作原理是根据氧合血红蛋白(Hb02)和还原血红蛋白(Hb)在红光 和近红外光区域的吸收光谱特性，用两束不同波长的光，如660nm的红光和940nm的近红外 光照射人体手指，脚趾或耳垂部位，由光敏元件探测透射(或反射)的光电容积脉搏波强 度。这类组织都是由皮肤、血液、肌肉、骨骼等组成的混合组织，光通过这类组织形成的光电 容积脉搏波的特征是在一个很大的稳定分量(或称直流分量DC)上迭加一个较小的脉动分 量(或称交流分量AC)。其交流分量是由于血液充盈动脉引起，直流分量则是血液流过动 脉的同时，由非动脉部分，即肌肉，静脉血，皮肤，骨骼等组织对光的吸收结果。通过对两束 光的光电容积脉搏波的测量可以得到四个变量，即红光直流分量RD—DC、红光交流分量RD_ AC、红外直流分量IR—DC、红外交流分量IR_AC。由这四个量可以算出所谓的R-R比值 R-R = (RD—AC/RD—DC)/(IR—AC/IR—DC) 对于一特定发射波长配置的传感器，R-R比值和动脉血氧饱和度有一特定的函数 关系，这种函数关系很难用理论公式表达出来，一般是通过临床和有创方法比对实验获得 定标数据绘制出R-R比值和动脉血氧饱和度关系的定标曲线。定标曲线的数据可以用列表 的方式存储在脉搏血氧仪的数字信号处理单元中，仪器在测量和计算出R-R比值后，可以 用查表方法求出动脉血氧饱和度值。 为了降低运动伪差和内外界干扰等因素对测量结果的影响，还可以引入具有特定 波长(例如880nm)的第三束光或更多特定波长的光束，根据其数学关系求解出待测的变量 和去除干扰变量的影响。 由于人体待测各部分组织及个体差异，光电容积脉搏波直流分量本身的变化范围 就达到100 200倍，而其上叠加的交流分量变化范围一般为直流分量的0. 5% 20% 。专 业脉搏血氧仪的设计要求是当交流分量为直流分量的0. 1%时也能较好的描记脉搏波，检 出心率和计算脉搏血氧饱和度。这样，要直接从原始的光电容积脉搏波测量交直流分量对 测量系统的动态范围、分辨率及信噪比的要求都很高。 早期的模拟式脉搏血氧仪所采取的信号处理方法是用时分复用的红光和红外光 脉冲信号序列照射待测组织，用电流电压转换器将光敏器件所检测到的光电流脉冲信号转 换成电压脉冲信号，将时分复用的红光和红外光脉冲序列分离，然后用高阶低通滤波器分 别将两路脉冲序列还原成连续的容积波信号，最后将每一路的交直流分量分离并分别调节 每一路的增益以保证信号幅度满足后续模数转换器测量精度的要求。直流通道的增益调节也可以部分或全部用调节驱动光强的方法代替。这种方法的缺点是模拟电路复杂，各模拟 通道的参数匹配性要求高，所达到的性能指标也受到很大限制。 针对模拟设计的这一缺陷，人们开始尝试用高分辨率的模数转换器直接将光 敏器件所检测到的光电流脉冲信号转化成数字信号，此后的过程可由数字信号处理完 成。要直接将光敏器件所检测到的光电流脉冲信号转换为数字信号并满足测量精度要 求，所采用的模数转换器的分辨率至少要达到20位，最好在22位以上。目前普遍使用 的Sigma-Delta E _A型模数转换器虽然可满足电压分辨率的要求，但由于其在对脉冲 信号采样时的延迟特性，限制了在该场合的应用。现有的数字式脉搏血氧仪仍然采用16 位以上的逐次比较型模数转换器，为了去噪和抗干扰性能，模数转换器前的信号输入级 常采用电荷积分器代替电流电压转换器。为弥补系统动态范围的不足，如中国发明专利 ZL99813986. 6公开的"直接数字式血氧仪和用来计算氧合值的方法"就选择了 20位电荷积 分型模 数转换器，同时用数模转换器调节发光管的驱动电流和在模数转换器前加可控分 流器的方法加大系统的动态范围。但由于所采用的高分辨率的模数转换器价格较高，故该 设计方案对社区医疗和家庭保健的应用场合还缺乏成本优势。 直接数字化脉搏血氧仪设计的另一种方法是用光频率转换器(LFC)直接将从 人体组织接收的光信号转换成其频率和透射(或反射)光强度成比例的电脉冲信号，对 电脉冲信号进行频率计数并进行数字信号处理，求出血氧饱和度和心率值。文献Jeff Bachiochi，TSL230R-Based Pulse Oximeter,CIRCUIT CELLAR,Issue 173，December 2004， P26.中介绍了这种设计的实验方案。该方案采用定采样时间驱动发光二极管同时对LFC输 出的脉冲进行计数，用连续的采样周期的脉冲计数平均值代表直流分量，而每一采样周期 脉冲计数值的变化量则代表交流分量。但目前可用的LFC的频率范围为1MHz以下，为了在 有限的LFC输出脉冲条件下获得足够的对交流分量的分辨率，实验方案选用了 31. 25mS的 采样时间，同时选用手动方式调节发光管驱动电流以保证在采样时间内获得适当的脉冲计 数值。很显然该文献给出的仅仅是一种最初步的构想，对实际应用而言，这样长的采样时间 对测量精度和功耗都是不能接受的，而动态范围的调节也必须由测量系统自动实时进行。 如果采用脉冲周期测量的方法取代上述文献的频率测量方法，则要自动调节发光管的驱动 电流使得对于任何厚度组织LFC输出脉冲都具有足够的宽度以保持周期测量的精度，但要 做到这一点，当测量较薄组织时，发光管的驱动电流和脉冲光强度会调节到很小的值，这将 导致信噪比的严重降低。计时分辨率越低，所要求的脉冲宽度值越大，信噪比的下降也越严 重。中国发明专利CN1915167A中介绍了一种由具有捕捉逻辑接口的微处理器对电脉冲信 号进行定数脉冲串累积计数和捕捉计时的方法。该方法在一定程度上解决了速度，功耗和 动态范围调节等问题，但该方法中系数K为一常数，导致测量皮肤颜色较深且人体组织较 厚时，导致代表脉搏波幅度的脉冲串数过少，信噪比降低，仍存在一定缺陷。
发明内容本实用新型提供一种基于脉冲计数与计时相结合，将采样时间拓宽的一种数字信 号处理的脉搏血氧仪，以解决前述现有技术测量LFC输出脉冲频率和周期测量所遇到的测 量速度和精度低、功耗高、成本高和动态范围不易调节的问题。[0013] 本实用新型采用如下技术方案实现包括红光发光管、红外发光管、发光驱动器、
光频率转换器、微处理器和液晶显示屏，所述红光发光管和红外发光管分别与发光驱动器
的两路输出端电连接，该发光驱动器的输入端与微处理器信号端连接，该微处理器含有带
外部中断功能的I/O 口和通用串行接口，该带外部中断功能的I/O 口与光频率转换器连接；
该微处理器的其他I/O 口与液晶显示屏的输入口连接。 所述的通用串行接口连接有中央处理系统或无线发射单元。 所述红光发光管(3)和红外发光管(4)在发光驱动器(2)的驱动下分别产生特定 时间间隔的红光和红外光脉冲。 本实用新型的优点是脉搏血氧仪对透射(或反射)光强的测量只取决于系统对 IR_T(n)和RD—T(n)的计时精度，而与LFC的输出频率无关，为达到血氧测量要求，可采用 计时时钟在8MHz以上的微处理器。计时窗口 T0可设为0. 5毫秒，即可达到精度要求。本 血氧仪不需调节光强，只通过软件自动调节拓展时间IR_T_INIT和RD_T_INIT，即可达到专 业级脉搏血氧仪抗干扰特性及弱灌注条件下测量精度的要求。简化了设计，提高了信噪比。 实现测量数据的实时处理及心率和血氧值实时显示及传输。是一种基于脉冲计数与计时相 结合，将采样时间拓宽，并能自动调节采样时间宽度，应用数字信号处理的脉搏血氧仪，从 而达到数据测量的高速度，高精度和产品的低功耗，低成本。
图1为本实用新型的结构框图。 图2为本实用新型的发光管的驱动脉冲和相应的光频率转换器输出脉冲的时序 图。其中I为红外发光管驱动脉冲；11为红光发光管驱动脉冲；III为光频率转换器输出脉 冲串。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明 参见图1，该装置包括红光发光管3、红外发光管4、发光驱动器2、光频率转换器5、 微处理器1和液晶显示屏6。所述红光发光管3和红外发光管4分别与发光驱动器2的两 路输出端电连接，发光驱动器2的输入端与微处理器1信号端连接，该微处理器1程控发光 驱动器2，能够精确产生红光和红外光脉冲的时间间隔。该微处理器1含有带外部中断功能 的I/O 口和通用串行接口。微处理器1的带外部中断功能的I/O 口连接光频率转换器5，微 处理器1的其他I/O 口连接液晶显示屏6的输入口 ，液晶显示屏6承担显示功能，也是人机 沟通的平台。微处理器l的通用串行接口可连接中央处理系统或无线发射单元(未图示)。 在测量时，人体组织7置于红光发光管3、红外发光管4与光频率转换器5之间。 微处理器1可以是任何一种具有外部中断功能的I/0 口、通用串行接口，可计时的 微处理器，应尽可能选用较高的系统时钟频率。在本实施例中，系统时钟为8MHz，计时分辨 率为125ns。微处理器1周期性地按时序输出两路脉冲信号，通过发光驱动器2依次驱动红 外发光管4、红光发光管3，发出的光脉冲经人体组织7衰减和调制后为光频率转换器5所 接收，并转换成频率和脉冲光强成线性比例关系的脉冲串传送至微处理器1的I/O 口 。微处 理器1利用内部时钟和计时器对光频率转换器5输出的脉冲串同时进行累积计数和计时，计数相应光频率转换器5脉冲串数IR_CNT和RD_CNT，同时将所用时间IR_T和RD_T与计时 窗口 TO比较，当IR—T或RD—T大于计时窗口 TO时，停止相应发光管的驱动，并保存时间IR_ T和RD_T。微处理器1根据所检测到的每路光脉冲周期及其波动量计算出相应的直流分量 和交流分量，从而按通常的脉搏血氧仪求得容积脉搏波数据，脉搏血氧饱和度及心率值。所 得结果一方面可通过液晶显示屏6显示，另一方面可通过通用串行接口将数据传送给中央 处理系统或无线发射单元，实现遥测功能。 发光驱动器2采用固定的脉冲电压和电流驱动红外发光管4、红光发光管3发光，
这种固定脉冲电流驱动的方法可以简化硬件设计，节约体积和成本。
以下结合附图2进一步说明拓展脉冲计数的时间宽度的工作原理。 图中脉冲序列I是微处理器1发出的红外发光管驱动脉冲，其周期T即为脉搏波
的采样周期。本实施例中采样周期为8.33毫秒，即采样频率为120Hz。微处理器的计时时
钟为8MHz。计时窗口 TO可设为0. 5毫秒，而在正常测量时其驱动脉冲宽度会随着脉搏波的
变化在大于0. 5毫秒而小于0. 5ms+l个光频率转换器输出脉冲周期内变化。 图中脉冲序列II是微处理器1发出的红光发光管驱动脉冲，其周期和脉宽的设定
和红外驱动脉冲一样，该脉冲的前沿对红外驱动脉冲的后沿有一 50 i; s的延时。 图中脉冲序列III是光频率转换器5输出的脉冲串，对应红外和红光驱动脉冲的
时间，光频率转换器5将输出两串较高频率(通常为lOOKHz)的脉冲串，图中用两个黑色矩
形表示，这两个黑色矩形的占时IILT和RD—T分别等于对应的红外与红光驱动脉冲的宽度，
所包含的脉冲的个数分别等于红外和红光脉冲计数值IR_CNT和RD_CNT。在一个采样周期
的剩余时间乙DARK，光频率转换器5将输出较低频率(通常在100Hz以下)的脉冲串，图中
用方波表示，该脉冲串的频率及所包含的脉冲数由光电器件的暗电流和外界干扰光的强度
所决定，在对测量数据处理时应消除这一影响。 以下详细描述本实用新型对脉冲计数的时间拓展的数字信号处理方法，包括以下 步骤 a.在仪器上电复位后，微处理器1关闭外部中断，设置计时窗口 T0，按第1、第II 时序依次驱动红外发光管4和红光发光管3，计数相应光频率转换器5脉冲串数IR_CNT和 RD_CNT，同时将所用时间IR_T和RD_T与计时窗口 TO比较，当IR_T或RD_T大于计时窗口 TO时，停止相应发光管的驱动，并保存时间IR_T和RD—T。 b.在后续的采样周期中，微处理器关闭外部中断，依次驱动红外发光管4和红光 发光管3，并对光频转换器5输出的脉冲串同时进行脉冲累积计数IR_CNT和RD_CNT及所用 时间IR_T和RD_T与计时窗口 TO比较并保存。 c.在第III时序的采样周期，对暗电流与环境光产生的低频脉冲串进行脉冲计 时，在该周期开始时打开I/O 口的外部中断功能，从第一次外部中断开始计时，提取第二次 中断所用时间DARK—T，并关闭外部中断功能。 d.光频率转换式脉搏血氧仪的数字信号处理方法。预定拓展时间分别为IR_T_ INIT和RD_T_INIT。对任一采样周期n，所测得的红外与红光脉冲串累计计数IR_CNT (n)和 RD_CNT(n)，累计占时IR_T(n)和RD_T(n)，对暗电流与环境光产生的低频脉冲中之一计时 DARK_T(n)。则红外与红光的脉冲频率对应采样点n的计算值分别为 IR_X(n) = IR_T_INIT*IR_CNT(n)/IR_T(n)_IR_T_INIT/DARK_T(n)
6[0033]RD_X(n) = RD_T_INIT*RD_CNT(n)/RD_T(n)-RD_T_INIT/DARK_T(n) 式中，减数为暗电流与环境光产生的脉冲频率所代表的脉搏波幅度采样值误差
项，被减数为驱动脉冲作用期间测得的脉冲频率所代表的脉搏波幅度采样值， e.在每一采样周期都检测IR_X(n)和RD_X(n)是否在8000H±50%范围内，否则
重新测算拓展时间IR_T_INIT和RD_T_INIT。 首先，根据背景技术介绍的脉搏血氧饱和度测量原理分析，R-R比值计算的是两束 光交直流分量的相对比值，和拓展时间IRJJNIT和RD_T_INIT的取值无关，所以在取得 IR_X(n)和RD—X(n)值后，就可以像普通血氧仪一样计算两束光容积脉搏波的交直流分量， 获得脉搏血氧饱和度和心率值。
权利要求一种光频率转换式脉搏血氧仪，其特征在于包括红光发光管(3)、红外发光管(4)、发光驱动器(2)、光频率转换器(5)、微处理器(1)和液晶显示屏(6)，所述红光发光管(3)和红外发光管(4)分别与发光驱动器(2)的两路输出端电连接，该发光驱动器(2)的输入端与微处理器(1)信号端连接，该微处理器(1)含有带外部中断功能的I/O口和通用串行接口，该带外部中断功能的I/O口与光频率转换器(5)连接；该微处理器(1)的其他I/O口与液晶显示屏(6)的输入口连接。
2. 根据权利要求1所述的光频率转换式脉搏血氧仪，其特征在于所述的通用串行接口连接有中央处理系统或无线发射单元。
3. 根据权利要求l所述的光频率转换式脉搏血氧仪，其特征在于所述红光发光管(3)和红外发光管(4)在发光驱动器(2)的驱动下分别产生特定时间间隔的红光和红外光脉冲。
专利摘要本实用新型公开了一种光频率转换式脉搏血氧仪，其特征在于包括红光发光管、红外发光管、发光驱动器、光频率转换器、微处理器和液晶显示屏，所述红光发光管和红外发光管分别与发光驱动器的两路输出端电连接，该发光驱动器的输入端与微处理器信号端连接，该微处理器含有带外部中断功能的I/O口和通用串行接口，该带外部中断功能的I/O口与光频率转换器连接；该微处理器的其他I/O口与液晶显示屏的输入口连接。本实用新型基于脉冲计数与计时相结合，将采样时间拓宽，并能自动调节采样时间宽度，应用数字信号处理，从而达到数据测量的高速度，高精度和产品的低功耗，低成本。
文档编号A61B5/1455GK201481422SQ20092016797
公开日2010年5月26日 申请日期2009年8月5日 优先权日2009年8月5日
发明者张金玲, 杨振, 胡坤, 高瑞斌 申请人:秦皇岛市康泰医学系统有限公司