專利名稱：光頻率轉(zhuǎn)換式脈搏血氧儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種光頻率轉(zhuǎn)換式脈搏血氧儀。
背景技術(shù)：
脈搏血氧儀是一種無創(chuàng)傷，連續(xù)監(jiān)測人體動脈血氧飽和度的醫(yī)學(xué)儀器，已成為醫(yī) 院中麻醉監(jiān)測和重癥監(jiān)護(hù)的常規(guī)配置設(shè)備，也廣泛用于醫(yī)院外的各種移動監(jiān)護(hù)和睡眠監(jiān) 護(hù)。家庭和社區(qū)醫(yī)療保健體系的發(fā)展對脈搏血氧儀的設(shè)計和制造提出了新的要求，即希望 能提供低價位，高性能的佩帶式脈搏血氧儀以廣泛適用于家庭和社區(qū)醫(yī)療網(wǎng)。 脈搏血氧儀的工作原理是根據(jù)氧合血紅蛋白(Hb02)和還原血紅蛋白(Hb)在紅光 和近紅外光區(qū)域的吸收光譜特性，用兩束不同波長的光，如660nm的紅光和940nm的近紅外 光照射人體手指，腳趾或耳垂部位，由光敏元件探測透射(或反射)的光電容積脈搏波強(qiáng) 度。這類組織都是由皮膚、血液、肌肉、骨骼等組成的混合組織，光通過這類組織形成的光電 容積脈搏波的特征是在一個很大的穩(wěn)定分量(或稱直流分量DC)上迭加一個較小的脈動分 量(或稱交流分量AC)。其交流分量是由于血液充盈動脈引起，直流分量則是血液流過動 脈的同時，由非動脈部分，即肌肉，靜脈血，皮膚，骨骼等組織對光的吸收結(jié)果。通過對兩束 光的光電容積脈搏波的測量可以得到四個變量，即紅光直流分量RD—DC、紅光交流分量RD_ AC、紅外直流分量IR—DC、紅外交流分量IR_AC。由這四個量可以算出所謂的R-R比值 R-R = (RD—AC/RD—DC)/(IR—AC/IR—DC) 對于一特定發(fā)射波長配置的傳感器，R-R比值和動脈血氧飽和度有一特定的函數(shù) 關(guān)系，這種函數(shù)關(guān)系很難用理論公式表達(dá)出來，一般是通過臨床和有創(chuàng)方法比對實驗獲得 定標(biāo)數(shù)據(jù)繪制出R-R比值和動脈血氧飽和度關(guān)系的定標(biāo)曲線。定標(biāo)曲線的數(shù)據(jù)可以用列表 的方式存儲在脈搏血氧儀的數(shù)字信號處理單元中，儀器在測量和計算出R-R比值后，可以 用查表方法求出動脈血氧飽和度值。 為了降低運動偽差和內(nèi)外界干擾等因素對測量結(jié)果的影響，還可以引入具有特定 波長(例如880nm)的第三束光或更多特定波長的光束，根據(jù)其數(shù)學(xué)關(guān)系求解出待測的變量 和去除干擾變量的影響。 由于人體待測各部分組織及個體差異，光電容積脈搏波直流分量本身的變化范圍 就達(dá)到100 200倍，而其上疊加的交流分量變化范圍一般為直流分量的0. 5% 20% 。專 業(yè)脈搏血氧儀的設(shè)計要求是當(dāng)交流分量為直流分量的0. 1%時也能較好的描記脈搏波，檢 出心率和計算脈搏血氧飽和度。這樣，要直接從原始的光電容積脈搏波測量交直流分量對 測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍、分辨率及信噪比的要求都很高。 早期的模擬式脈搏血氧儀所采取的信號處理方法是用時分復(fù)用的紅光和紅外光 脈沖信號序列照射待測組織，用電流電壓轉(zhuǎn)換器將光敏器件所檢測到的光電流脈沖信號轉(zhuǎn) 換成電壓脈沖信號，將時分復(fù)用的紅光和紅外光脈沖序列分離，然后用高階低通濾波器分 別將兩路脈沖序列還原成連續(xù)的容積波信號，最后將每一路的交直流分量分離并分別調(diào)節(jié) 每一路的增益以保證信號幅度滿足后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器測量精度的要求。直流通道的增益調(diào)節(jié)也可以部分或全部用調(diào)節(jié)驅(qū)動光強(qiáng)的方法代替。這種方法的缺點是模擬電路復(fù)雜，各模擬 通道的參數(shù)匹配性要求高，所達(dá)到的性能指標(biāo)也受到很大限制。 針對模擬設(shè)計的這一缺陷，人們開始嘗試用高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接將光 敏器件所檢測到的光電流脈沖信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，此后的過程可由數(shù)字信號處理完 成。要直接將光敏器件所檢測到的光電流脈沖信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并滿足測量精度要 求，所采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率至少要達(dá)到20位，最好在22位以上。目前普遍使用 的Sigma-Delta E _A型模數(shù)轉(zhuǎn)換器雖然可滿足電壓分辨率的要求，但由于其在對脈沖 信號采樣時的延遲特性，限制了在該場合的應(yīng)用?，F(xiàn)有的數(shù)字式脈搏血氧儀仍然采用16 位以上的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，為了去噪和抗干擾性能，模數(shù)轉(zhuǎn)換器前的信號輸入級 常采用電荷積分器代替電流電壓轉(zhuǎn)換器。為彌補(bǔ)系統(tǒng)動態(tài)范圍的不足，如中國發(fā)明專利 ZL99813986. 6公開的"直接數(shù)字式血氧儀和用來計算氧合值的方法"就選擇了 20位電荷積 分型模 數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時用數(shù)模轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)發(fā)光管的驅(qū)動電流和在模數(shù)轉(zhuǎn)換器前加可控分 流器的方法加大系統(tǒng)的動態(tài)范圍。但由于所采用的高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器價格較高，故該 設(shè)計方案對社區(qū)醫(yī)療和家庭保健的應(yīng)用場合還缺乏成本優(yōu)勢。 直接數(shù)字化脈搏血氧儀設(shè)計的另一種方法是用光頻率轉(zhuǎn)換器(LFC)直接將從 人體組織接收的光信號轉(zhuǎn)換成其頻率和透射(或反射)光強(qiáng)度成比例的電脈沖信號，對 電脈沖信號進(jìn)行頻率計數(shù)并進(jìn)行數(shù)字信號處理，求出血氧飽和度和心率值。文獻(xiàn)Jeff Bachiochi，TSL230R-Based Pulse Oximeter,CIRCUIT CELLAR,Issue 173，December 2004， P26.中介紹了這種設(shè)計的實驗方案。該方案采用定采樣時間驅(qū)動發(fā)光二極管同時對LFC輸 出的脈沖進(jìn)行計數(shù)，用連續(xù)的采樣周期的脈沖計數(shù)平均值代表直流分量，而每一采樣周期 脈沖計數(shù)值的變化量則代表交流分量。但目前可用的LFC的頻率范圍為1MHz以下，為了在 有限的LFC輸出脈沖條件下獲得足夠的對交流分量的分辨率，實驗方案選用了 31. 25mS的 采樣時間，同時選用手動方式調(diào)節(jié)發(fā)光管驅(qū)動電流以保證在采樣時間內(nèi)獲得適當(dāng)?shù)拿}沖計 數(shù)值。很顯然該文獻(xiàn)給出的僅僅是一種最初步的構(gòu)想，對實際應(yīng)用而言，這樣長的采樣時間 對測量精度和功耗都是不能接受的，而動態(tài)范圍的調(diào)節(jié)也必須由測量系統(tǒng)自動實時進(jìn)行。 如果采用脈沖周期測量的方法取代上述文獻(xiàn)的頻率測量方法，則要自動調(diào)節(jié)發(fā)光管的驅(qū)動 電流使得對于任何厚度組織LFC輸出脈沖都具有足夠的寬度以保持周期測量的精度，但要 做到這一點，當(dāng)測量較薄組織時，發(fā)光管的驅(qū)動電流和脈沖光強(qiáng)度會調(diào)節(jié)到很小的值，這將 導(dǎo)致信噪比的嚴(yán)重降低。計時分辨率越低，所要求的脈沖寬度值越大，信噪比的下降也越嚴(yán) 重。中國發(fā)明專利CN1915167A中介紹了一種由具有捕捉邏輯接口的微處理器對電脈沖信 號進(jìn)行定數(shù)脈沖串累積計數(shù)和捕捉計時的方法。該方法在一定程度上解決了速度，功耗和 動態(tài)范圍調(diào)節(jié)等問題，但該方法中系數(shù)K為一常數(shù)，導(dǎo)致測量皮膚顏色較深且人體組織較 厚時，導(dǎo)致代表脈搏波幅度的脈沖串?dāng)?shù)過少，信噪比降低，仍存在一定缺陷。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型提供一種基于脈沖計數(shù)與計時相結(jié)合，將采樣時間拓寬的一種數(shù)字信 號處理的脈搏血氧儀，以解決前述現(xiàn)有技術(shù)測量LFC輸出脈沖頻率和周期測量所遇到的測 量速度和精度低、功耗高、成本高和動態(tài)范圍不易調(diào)節(jié)的問題。[0013] 本實用新型采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)包括紅光發(fā)光管、紅外發(fā)光管、發(fā)光驅(qū)動器、
光頻率轉(zhuǎn)換器、微處理器和液晶顯示屏，所述紅光發(fā)光管和紅外發(fā)光管分別與發(fā)光驅(qū)動器
的兩路輸出端電連接，該發(fā)光驅(qū)動器的輸入端與微處理器信號端連接，該微處理器含有帶
外部中斷功能的I/O 口和通用串行接口，該帶外部中斷功能的I/O 口與光頻率轉(zhuǎn)換器連接；
該微處理器的其他I/O 口與液晶顯示屏的輸入口連接。 所述的通用串行接口連接有中央處理系統(tǒng)或無線發(fā)射單元。 所述紅光發(fā)光管(3)和紅外發(fā)光管(4)在發(fā)光驅(qū)動器(2)的驅(qū)動下分別產(chǎn)生特定 時間間隔的紅光和紅外光脈沖。 本實用新型的優(yōu)點是脈搏血氧儀對透射(或反射)光強(qiáng)的測量只取決于系統(tǒng)對 IR_T(n)和RD—T(n)的計時精度，而與LFC的輸出頻率無關(guān)，為達(dá)到血氧測量要求，可采用 計時時鐘在8MHz以上的微處理器。計時窗口 T0可設(shè)為0. 5毫秒，即可達(dá)到精度要求。本 血氧儀不需調(diào)節(jié)光強(qiáng)，只通過軟件自動調(diào)節(jié)拓展時間IR_T_INIT和RD_T_INIT，即可達(dá)到專 業(yè)級脈搏血氧儀抗干擾特性及弱灌注條件下測量精度的要求。簡化了設(shè)計，提高了信噪比。 實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時處理及心率和血氧值實時顯示及傳輸。是一種基于脈沖計數(shù)與計時相 結(jié)合，將采樣時間拓寬，并能自動調(diào)節(jié)采樣時間寬度，應(yīng)用數(shù)字信號處理的脈搏血氧儀，從 而達(dá)到數(shù)據(jù)測量的高速度，高精度和產(chǎn)品的低功耗，低成本。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖。 圖2為本實用新型的發(fā)光管的驅(qū)動脈沖和相應(yīng)的光頻率轉(zhuǎn)換器輸出脈沖的時序 圖。其中I為紅外發(fā)光管驅(qū)動脈沖；11為紅光發(fā)光管驅(qū)動脈沖；III為光頻率轉(zhuǎn)換器輸出脈 沖串。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明 參見圖1，該裝置包括紅光發(fā)光管3、紅外發(fā)光管4、發(fā)光驅(qū)動器2、光頻率轉(zhuǎn)換器5、 微處理器1和液晶顯示屏6。所述紅光發(fā)光管3和紅外發(fā)光管4分別與發(fā)光驅(qū)動器2的兩 路輸出端電連接，發(fā)光驅(qū)動器2的輸入端與微處理器1信號端連接，該微處理器1程控發(fā)光 驅(qū)動器2，能夠精確產(chǎn)生紅光和紅外光脈沖的時間間隔。該微處理器1含有帶外部中斷功能 的I/O 口和通用串行接口。微處理器1的帶外部中斷功能的I/O 口連接光頻率轉(zhuǎn)換器5，微 處理器1的其他I/O 口連接液晶顯示屏6的輸入口 ，液晶顯示屏6承擔(dān)顯示功能，也是人機(jī) 溝通的平臺。微處理器l的通用串行接口可連接中央處理系統(tǒng)或無線發(fā)射單元(未圖示)。 在測量時，人體組織7置于紅光發(fā)光管3、紅外發(fā)光管4與光頻率轉(zhuǎn)換器5之間。 微處理器1可以是任何一種具有外部中斷功能的I/0 口、通用串行接口，可計時的 微處理器，應(yīng)盡可能選用較高的系統(tǒng)時鐘頻率。在本實施例中，系統(tǒng)時鐘為8MHz，計時分辨 率為125ns。微處理器1周期性地按時序輸出兩路脈沖信號，通過發(fā)光驅(qū)動器2依次驅(qū)動紅 外發(fā)光管4、紅光發(fā)光管3，發(fā)出的光脈沖經(jīng)人體組織7衰減和調(diào)制后為光頻率轉(zhuǎn)換器5所 接收，并轉(zhuǎn)換成頻率和脈沖光強(qiáng)成線性比例關(guān)系的脈沖串傳送至微處理器1的I/O 口 。微處 理器1利用內(nèi)部時鐘和計時器對光頻率轉(zhuǎn)換器5輸出的脈沖串同時進(jìn)行累積計數(shù)和計時，計數(shù)相應(yīng)光頻率轉(zhuǎn)換器5脈沖串?dāng)?shù)IR_CNT和RD_CNT，同時將所用時間IR_T和RD_T與計時 窗口 TO比較，當(dāng)IR—T或RD—T大于計時窗口 TO時，停止相應(yīng)發(fā)光管的驅(qū)動，并保存時間IR_ T和RD_T。微處理器1根據(jù)所檢測到的每路光脈沖周期及其波動量計算出相應(yīng)的直流分量 和交流分量，從而按通常的脈搏血氧儀求得容積脈搏波數(shù)據(jù)，脈搏血氧飽和度及心率值。所 得結(jié)果一方面可通過液晶顯示屏6顯示，另一方面可通過通用串行接口將數(shù)據(jù)傳送給中央 處理系統(tǒng)或無線發(fā)射單元，實現(xiàn)遙測功能。 發(fā)光驅(qū)動器2采用固定的脈沖電壓和電流驅(qū)動紅外發(fā)光管4、紅光發(fā)光管3發(fā)光，
這種固定脈沖電流驅(qū)動的方法可以簡化硬件設(shè)計，節(jié)約體積和成本。
以下結(jié)合附圖2進(jìn)一步說明拓展脈沖計數(shù)的時間寬度的工作原理。 圖中脈沖序列I是微處理器1發(fā)出的紅外發(fā)光管驅(qū)動脈沖，其周期T即為脈搏波
的采樣周期。本實施例中采樣周期為8.33毫秒，即采樣頻率為120Hz。微處理器的計時時
鐘為8MHz。計時窗口 TO可設(shè)為0. 5毫秒，而在正常測量時其驅(qū)動脈沖寬度會隨著脈搏波的
變化在大于0. 5毫秒而小于0. 5ms+l個光頻率轉(zhuǎn)換器輸出脈沖周期內(nèi)變化。 圖中脈沖序列II是微處理器1發(fā)出的紅光發(fā)光管驅(qū)動脈沖，其周期和脈寬的設(shè)定
和紅外驅(qū)動脈沖一樣，該脈沖的前沿對紅外驅(qū)動脈沖的后沿有一 50 i; s的延時。 圖中脈沖序列III是光頻率轉(zhuǎn)換器5輸出的脈沖串，對應(yīng)紅外和紅光驅(qū)動脈沖的
時間，光頻率轉(zhuǎn)換器5將輸出兩串較高頻率(通常為lOOKHz)的脈沖串，圖中用兩個黑色矩
形表示，這兩個黑色矩形的占時IILT和RD—T分別等于對應(yīng)的紅外與紅光驅(qū)動脈沖的寬度，
所包含的脈沖的個數(shù)分別等于紅外和紅光脈沖計數(shù)值IR_CNT和RD_CNT。在一個采樣周期
的剩余時間乙DARK，光頻率轉(zhuǎn)換器5將輸出較低頻率(通常在100Hz以下)的脈沖串，圖中
用方波表示，該脈沖串的頻率及所包含的脈沖數(shù)由光電器件的暗電流和外界干擾光的強(qiáng)度
所決定，在對測量數(shù)據(jù)處理時應(yīng)消除這一影響。 以下詳細(xì)描述本實用新型對脈沖計數(shù)的時間拓展的數(shù)字信號處理方法，包括以下 步驟 a.在儀器上電復(fù)位后，微處理器1關(guān)閉外部中斷，設(shè)置計時窗口 T0，按第1、第II 時序依次驅(qū)動紅外發(fā)光管4和紅光發(fā)光管3，計數(shù)相應(yīng)光頻率轉(zhuǎn)換器5脈沖串?dāng)?shù)IR_CNT和 RD_CNT，同時將所用時間IR_T和RD_T與計時窗口 TO比較，當(dāng)IR_T或RD_T大于計時窗口 TO時，停止相應(yīng)發(fā)光管的驅(qū)動，并保存時間IR_T和RD—T。 b.在后續(xù)的采樣周期中，微處理器關(guān)閉外部中斷，依次驅(qū)動紅外發(fā)光管4和紅光 發(fā)光管3，并對光頻轉(zhuǎn)換器5輸出的脈沖串同時進(jìn)行脈沖累積計數(shù)IR_CNT和RD_CNT及所用 時間IR_T和RD_T與計時窗口 TO比較并保存。 c.在第III時序的采樣周期，對暗電流與環(huán)境光產(chǎn)生的低頻脈沖串進(jìn)行脈沖計 時，在該周期開始時打開I/O 口的外部中斷功能，從第一次外部中斷開始計時，提取第二次 中斷所用時間DARK—T，并關(guān)閉外部中斷功能。 d.光頻率轉(zhuǎn)換式脈搏血氧儀的數(shù)字信號處理方法。預(yù)定拓展時間分別為IR_T_ INIT和RD_T_INIT。對任一采樣周期n，所測得的紅外與紅光脈沖串累計計數(shù)IR_CNT (n)和 RD_CNT(n)，累計占時IR_T(n)和RD_T(n)，對暗電流與環(huán)境光產(chǎn)生的低頻脈沖中之一計時 DARK_T(n)。則紅外與紅光的脈沖頻率對應(yīng)采樣點n的計算值分別為 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，減數(shù)為暗電流與環(huán)境光產(chǎn)生的脈沖頻率所代表的脈搏波幅度采樣值誤差
項，被減數(shù)為驅(qū)動脈沖作用期間測得的脈沖頻率所代表的脈搏波幅度采樣值， e.在每一采樣周期都檢測IR_X(n)和RD_X(n)是否在8000H±50%范圍內(nèi)，否則
重新測算拓展時間IR_T_INIT和RD_T_INIT。 首先，根據(jù)背景技術(shù)介紹的脈搏血氧飽和度測量原理分析，R-R比值計算的是兩束 光交直流分量的相對比值，和拓展時間IRJJNIT和RD_T_INIT的取值無關(guān)，所以在取得 IR_X(n)和RD—X(n)值后，就可以像普通血氧儀一樣計算兩束光容積脈搏波的交直流分量， 獲得脈搏血氧飽和度和心率值。
權(quán)利要求一種光頻率轉(zhuǎn)換式脈搏血氧儀，其特征在于包括紅光發(fā)光管(3)、紅外發(fā)光管(4)、發(fā)光驅(qū)動器(2)、光頻率轉(zhuǎn)換器(5)、微處理器(1)和液晶顯示屏(6)，所述紅光發(fā)光管(3)和紅外發(fā)光管(4)分別與發(fā)光驅(qū)動器(2)的兩路輸出端電連接，該發(fā)光驅(qū)動器(2)的輸入端與微處理器(1)信號端連接，該微處理器(1)含有帶外部中斷功能的I/O口和通用串行接口，該帶外部中斷功能的I/O口與光頻率轉(zhuǎn)換器(5)連接；該微處理器(1)的其他I/O口與液晶顯示屏(6)的輸入口連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光頻率轉(zhuǎn)換式脈搏血氧儀，其特征在于所述的通用串行接口連接有中央處理系統(tǒng)或無線發(fā)射單元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光頻率轉(zhuǎn)換式脈搏血氧儀，其特征在于所述紅光發(fā)光管(3)和紅外發(fā)光管(4)在發(fā)光驅(qū)動器(2)的驅(qū)動下分別產(chǎn)生特定時間間隔的紅光和紅外光脈沖。
專利摘要本實用新型公開了一種光頻率轉(zhuǎn)換式脈搏血氧儀，其特征在于包括紅光發(fā)光管、紅外發(fā)光管、發(fā)光驅(qū)動器、光頻率轉(zhuǎn)換器、微處理器和液晶顯示屏，所述紅光發(fā)光管和紅外發(fā)光管分別與發(fā)光驅(qū)動器的兩路輸出端電連接，該發(fā)光驅(qū)動器的輸入端與微處理器信號端連接，該微處理器含有帶外部中斷功能的I/O口和通用串行接口，該帶外部中斷功能的I/O口與光頻率轉(zhuǎn)換器連接；該微處理器的其他I/O口與液晶顯示屏的輸入口連接。本實用新型基于脈沖計數(shù)與計時相結(jié)合，將采樣時間拓寬，并能自動調(diào)節(jié)采樣時間寬度，應(yīng)用數(shù)字信號處理，從而達(dá)到數(shù)據(jù)測量的高速度，高精度和產(chǎn)品的低功耗，低成本。
文檔編號A61B5/1455GK201481422SQ20092016797
公開日2010年5月26日 申請日期2009年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月5日
發(fā)明者張金玲, 楊振, 胡坤, 高瑞斌 申請人:秦皇島市康泰醫(yī)學(xué)系統(tǒng)有限公司