脉搏血氧饱和度.docx

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脉搏血氧饱和度

脉搏血氧饱和度的测量

一、测量值：

脉搏血氧饱和度、脉率

二、测量原理：

以两路光线（红光vs，红外光ir）高频交替照射被测部位，两路透射光经光电转换得到两路变化的光电流信号，两路光电流信号经过放大、去直流、去工频干扰得到两路信号的交流部分，交流部分的平均功率之比即为动脉血的含氧量，通过线性拟合得到脉搏血氧饱和度；其中任何一路信号交流部分即为脉搏波，测得其周期可计算出脉率。

三、测量电路及其参数。

电路包括三部分：

探头驱动电路、光电流放大和去直流电路、计算电路。

探头驱动电路实现两路光线由对称的两组三极管构成，与计算电路的两个IO端口和两个DA端口相连，分别控制两路光线的交替开关和幅值。

光电流放大和去直流电路由两级运放构成，一级运放将光电流信号放大为电压信号，这个电压信号包含交流分量和较大的直流分量（分别对应着测量部位的动脉血和其他成分），因此需要二级运放去直流处理。

计算电路接受两个运放的输出，作为反馈为探头驱动电路和去直流电路提供参考电压幅值。

探头接口说明：

1为地线，6、7分别为外屏蔽和内屏蔽线，2为红外光输入正极，红光输入负极，3为红光输入正极，红外光输入负极，9为光电管输出正极，5为光电管输出负极。

四、测量流程

基本测量流程如下图。

200Hz定时器中断，两路LED交替通断，即1秒内两路光各有100次采样。

以红外光这一路为例：

每次开启红外光LED，根据OA0输出改变LED的幅度ir_LED_level（Q3的基极），根据OA1输出改变去直流电路的直流参考电压ir_dc_offset（OA1的正向输入端），得到的OA1的输出作为计算电路的输入，关灯，原始信号去工频处理后得到ir_heart_signal，数字去直流后得到ir_heart_signal_ac，该信号进入脉搏波周期判断的队列group_caculate[64]，同时计算ir_heart_signal_ac信号的平方和，并且采样计数，同时进行脉搏周期的判断。

数字信号直流跟随可表达为：

跟随系数×（输入信号-直流分量）+直流分量=更新的直流分量。

脉搏周期的判断过程：

队列相当于在脉搏波信号上一个滑动的窗口，窗口应有一定宽度，大于噪声时间，但需小于脉搏周期。

判断过程如下：

当最小值位置处于窗口中部位置时则判定为一个波谷，检测到波谷以后窗口继续滑过10个采样点，但不再检查最小值，确保上一个波谷已经离开窗口中心，然后继续检查最小值位置确定下一个波谷。

可以分为三种状态分别称之为确定波谷、离开波谷、寻找波谷。

如下图。

利用局部特征实时判断脉搏周期的三个阶段：

1）确定波谷，确定周期，计算血氧饱和度和脉率，清空计数；2）离开波谷，开始计数，计算信号平方和；3）寻找波谷，保持计数，计算平方和，确定窗口中最小值位置

五、测量程序实现（可参考pulsoximeter.c文件）

1、变量设置

1）全局参量根据运放一的输出经AD转化后判断LED是否过亮过暗，2500到3000之间为合适亮度，否则进行调节，快速调节步长为2，细调步长为1，可根据实际电路修改。

//反馈控制LED驱动幅度时的上下界和调节步长

#defineFIRST_STAGE_TARGET_HIGH3000

#defineFIRST_STAGE_TARGET_LOW2500

#defineFIRST_STAGE_TARGET_HIGH_FINE3500

#defineFIRST_STAGE_TARGET_LOW_FINE2000

#defineFIRST_STAGE_STEP2

#defineFIRST_STAGE_FINE_STEP1

2）全局变量

//脉搏血氧信号，存储脉搏血氧几个处理方法后的值

int32_tir_heart_signal;//红外光，OA1输出经过平均滤波后，等待数字去直流

int32_tvs_heart_signal;//红光，OA1输出经过平均滤波后，等待数字去直流

int32_tir_heart_signal_ac;//红外光，经过数字去直流，进入计算窗口，参加平方和的累加

int32_tvs_heart_signal_ac;//红光，经过数字去直流，进入计算窗口，参加平方和的累加

int32_tsum_ir_heart_signal_ac=0;//红外光，信号平方和累加值，一个周期计算平均功率

int32_tsum_vs_heart_signal_ac=0;//红光，信号平方和累加值，一个周期计算平均功率

//计算过程信号

intgroup_wave[512];//用于显示，循环队列，存储几个周期内的ir_heart_signal_ac信号

intoffset_wave=0;//循环队列队列头

intflag_initial=1;//初始化标志位

intsample_count=0;//采样计数，每个周期清空，重新计数

intnum_beat=0;//初始值为1，下一个脉搏后为2，计算平均功率和血氧饱和度，重新置1

intflag_jump=0;//脉搏波周期判断，是否处于离开波谷的状态

intsample_jump=0;//离开波谷时的采样计数，到20则已离开波谷，置0，flag_jump置1

//循环队列，以滑动窗口的形式判断当前是否为脉搏波波谷

intgroup_caculate[64];//用于脉搏周期判断的循环队列，存储64个ir_heart_signal_ac信号

intoffset_caculate=0;//队列头位置

intmin;//队列中最小值

intlocation_min;//最小值位置

intlocation_min_adjust;//最小值相对与队列头的位置，如果是32则确认一个波谷

//最终结果

//脉率

unsignedintheart_rate=6000;//脉率最终测量结果，初始值为60.00

unsignedintgroup_heart_rate[8];//最近8秒内的脉率，循环队列，初始化为6000

intoffset_heart_rate=0;//队列头

unsignedintsample_heart_rate;//脉率当前原始结果，经过一定调整后进入group_heart_rate[8]

int32_tsum_heart_rate;//最近8秒的脉率累加值，除以8得到新的heart_rate

//脉搏血氧饱和度

unsignedintSpO2=9500;//血氧饱和度最终测量结果，初始值为95.00

unsignedintgroup_SpO2[8];//最近8秒内的血氧饱和度，循环队列，初始化为9500

intoffset_SpO2=0;//队列头

int32_tsum_SpO2;//最近8秒的血氧饱和度累加值，除以8得到新的heart_rate

//控制参数

intfresh=0;//调试使用，无意义

//反馈控幅和OA1参考电压的参数

intled_tab=0;//控制开启红光还是红外光，每次中断切换状态

intir_LED_level;//ir驱动幅度，控制Q3基极，范围1到2500，数字越大，亮度越弱

intvs_LED_level;//vs驱动幅度，控制Q4基极，范围1到4095，数字越大，亮度越弱

intir_dc_offset=4095;//ir灯直流参考电压，开启红外LED时，控制OA1正向输入端

intvs_dc_offset=4095;///vs灯直流参考电压，开启红光LED时，控制OA1正向输入端

intir_dc_offset_second=0;//数字去直流时的直流跟随量

intvs_dc_offset_second=0;//数字去直流时的直流跟随量

//运放输出的输出

intir_sample;//ir灯，OA0的输出，根据该输出改变ir_LED_level

intvs_sample;//vs灯，OA0的输出，根据该输出改变vs_LED_level

3）子函数

unsignedlongisqrt32（registerunsignedlongh）;//开方运算

int16_tir_filter_test（int16_tsample）;//平均滤波器_红外

int16_tvs_filter_test（int16_tsample）;//平均滤波器_红光

2、程序主体（请参照pulsoximeter.c文件）

1）晶振、电源设置

2）初始化操作：

group_heart_rate[8]初始化为6000，sum_heart_rate初始化为48000，group_SpO2[8]初始化为9500，sum_SpO2初始化为76000。

3）DAC设置，ir_LED_level初始化为2500，vs_LED_level初始化为900。

ADC设置。

定时器设置，200Hz采样中断，1600Hz用于PWM输出。

4）设置完，进入低功耗模式

5）中断处理程序，200Hz中断，中断进入后或者进入红光LED流程，或者进入红外LED流程，都要根据输入调整相应参数，进行平均滤波，去直流处理。

两种流程其他计算上有所不同：

在红光流程中主要进行两路信号平方和累加、采样计数、脉搏血氧饱和度和脉率的计算；红外流程里主要进行的是脉搏周期的判断。

两个流程的具体操作如下。

红光流程：

关闭两路灯，设置参数，开启红光LED，读取输入，关闭红光LED，根据输入调整参数，平均滤波，去直流，循环队列更新，是否处于找到波谷的状态（num_beat由1变为2，找到，否则未找到），未找到则计算两路平方和，采样计数累加，找到则计算脉搏血氧饱和度和脉率，平方和、采样计数置0。

红外流程：

关闭两路灯，设置参数，开启红光LED，读取输入，关闭红光LED，根据输入调整参数，平均滤波，去直流，循环队列更新，是否处于离开波谷的状态（flag_jump==0时为寻找状态，flag_jump==0时为离开状态），寻找状态找到循环队列中最小值及位置，判断是否波谷，不是波谷继续寻找，是波谷则进入离开状态，离开状态仅计数，计数满20次进入寻找状态。

中断程序代码如下所示：

//红光流程

if（led_tab==0）//led_tab==0，打开红光LED

{

led_tab=1;//切换led_tab，下一次进入红外流程

P2OUT|=BIT2;//关灯

P2OUT|=BIT3;//关灯

DAC12_0CTL&=~DAC12ENC;//开启DAC，根据vs_LED_level给出幅度

DAC12_0CTL&=~DAC12OPS;

DAC12_0CTL|=DAC12ENC;

DAC12_0DAT=vs_LED_level;//红光LED驱动幅度

DAC12_1DAT=vs_dc_offset;//红光去直流电路的参考电压，OA1正向输入

P2OUT&=~BIT3;//开灯，红光LED

ADC12CTL0&=~ENC;//开启DAC，读取OA0、OA1输出

ADC12CTL0|=ENC;

for（m=1;m<=1500;m++）//伪循环提供DAC转换时间，红光LED保持开

{

}

vs_sample=ADC12MEM0;//OA0输出结果

i=ADC12MEM1;//OA1输出结果

//OA0输出，根据全局参量控制LED的驱动幅度

if（vs_sample>=FIRST_STAGE_TARGET_HIGH||vs_sample<=FIRST_STAGE_TARGET_LOW）

{

if（vs_sample>=FIRST_STAGE_TARGET_HIGH）

{

if（vs_sample>=FIRST_STAGE_TARGET_HIGH_FINE）

vs_LED_level+=FIRST_STAGE_STEP;

else

vs_LED_level+=FIRST_STAGE_FINE_STEP;

if（vs_LED_level>=4095）

vs_LED_level=4095;

}

else

{

if（vs_sample<=FIRST_STAGE_TARGET_LOW_FINE）

vs_LED_level-=FIRST_STAGE_STEP;

else

vs_LED_level-=FIRST_STAGE_FINE_STEP;

if（vs_LED_level<=1）

vs_LED_level=1;

}

}

//OA1输出，控制OA1输入的参考电压

if（i>=4095）

{

if（vs_dc_offset>0）

vs_dc_offset--;

}

elseif（i<100）

{

if（vs_dc_offset<4095）

vs_dc_offset++;

}

DAC12_0CTL&=~DAC12ENC;//关闭DAC

_NOP（）;

_NOP（）;

P2OUT|=BIT2;//关灯

P2OUT|=BIT3;//关灯

//实时处理

vs_heart_signal=vs_filter_test（i）;//OA1输出，平均滤波处理

vs_dc_offset_second+=（（vs_heart_signal-vs_dc_offset_second）>>7）;//数字直流跟随

vs_heart_signal_ac=vs_heart_signal-vs_dc_offset_second;//去直流

group_wave[offset_wave]=ir_heart_signal_ac+4000;//加4000保证脉搏波信号为正

offset_wave=（offset_wave+1）&0x1ff;//循环队列更新，用于显示

group_caculate[offset_caculate]=ir_heart_signal_ac;//循环队列更新，用于脉搏判断

offset_caculate=（offset_caculate+1）&0x3f;

if（num_beat>=1）//num_beat是否为1

{

sample_count++;//采样计数

//两路信号平方和累加

sum_vs_heart_signal_ac+=（（vs_heart_signal_ac*vs_heart_signal_ac）>>10）;

sum_ir_heart_signal_ac+=（（ir_heart_signal_ac*ir_heart_signal_ac）>>10）;

}

if（num_beat>=2）//num_beat是否为2，为2表示找到一个新的波谷

{

int32_tx=isqrt32（sum_vs_heart_signal_ac）;//平方和开方

int32_ty=isqrt32（sum_ir_heart_signal_ac）;//平方和开方

int32_tw=100*x/y;//平均功率之比R×100

sum_SpO2-=group_SpO2[offset_SpO2];//8秒内血氧饱和度之和减去8秒前的值

//计算当先新的脉搏血氧饱和度，拟合公式110-25×R，R为平均功率之比

group_SpO2[offset_SpO2]=11000-25*w;

//调整新的脉搏血氧饱和度，变化不能超过3个百分点，范围在85到100之间

if（group_SpO2[offset_SpO2]>（group_SpO2[（offset_SpO2-1）&0x07]+300））

{

group_SpO2[offset_SpO2]=group_SpO2[（offset_SpO2-1）&0x07]+300;

}

elseif（group_SpO2[offset_SpO2]<（group_SpO2[（offset_SpO2-1）&0x07]-300））

{

group_SpO2[offset_SpO2]=group_SpO2[（offset_SpO2-1）&0x07]-300;

}

else

{

}

if（group_SpO2[offset_SpO2]>10000）

{

group_SpO2[offset_SpO2]=10000;

}

elseif（group_SpO2[offset_SpO2]<8500）

{

group_SpO2[offset_SpO2]=8500;

}

else

{

}

sum_SpO2+=group_SpO2[offset_SpO2];//8秒内血氧饱和度之和加上当前的值

offset_SpO2=（offset_SpO2+1）&0x07;

SpO2=sum_SpO2/8;//计算平均值，得到最终结果

//清空计数和变量重置

sum_vs_heart_signal_ac=0;//平方和累加值置零

sum_ir_heart_signal_ac=0;//平方和累加值置零

//脉率的计算

sample_heart_rate=600000/sample_count;//由脉搏周期换算成脉率

num_beat=1;//脉搏计数重置成1

sample_count=0;//采样计数置0

if（sample_heart_rate<1000||sample_heart_rate>18000）//明显错误的结果

{

}

else

{

//8秒内脉率之和减去8秒前的值

sum_heart_rate-=group_heart_rate[offset_heart_rate];

//循环队列更新，得到当前脉率

group_heart_rate[offset_heart_rate]=sample_heart_rate;

//8秒内脉率之和加上当前值

sum_heart_rate+=group_heart_rate[offset_heart_rate];

offset_heart_rate=（offset_heart_rate+1）&0x07;

//求平均值，为脉率最终结果

heart_rate=sum_heart_rate/8;

}

fresh=1;

}

}

//红外流程

else

{

//前面部分与红光部分一致，关灯，设置参数，开灯，读取运放输出，关灯，平均滤波，去//直流，不再做注释，注释的主要是脉搏周期的判断部分

led_tab=0;

P2OUT|=BIT2;//关灯

P2OUT|=BIT3;//关灯

DAC12_0CTL&=~DAC12ENC;

DAC12_0CTL|=DAC12OPS;

DAC12_0CTL|=DAC12ENC;

DAC12_0DAT=ir_LED_level;//红外LED驱动幅度

DAC12_1DAT=ir_dc_offset;//OA1输入参考电压

P2OUT&=~BIT2;//开灯

ADC12CTL0&=~ENC;

ADC12CTL0|=ENC;

for（m=1;m<=1500;m++）

{

}

ir_sample=ADC12MEM0;//OA0输出，用以控制LED驱动幅度

i=ADC12MEM1;//OA1输出，初始未处理的信号

j=ADC12MEM2;

k=ADC12MEM3;

//OA0输出，控制LED驱动幅度

if（ir_sample>=FIRST_STAGE_TARGET_HIGH||ir_sample<=FIRST_STAGE_TARGET_LOW）

{

if（ir_sample>=FIRST_STAGE_TARGET_HIGH）

{

if（ir_sample>=FIRST_STAGE_TARGET_HIGH_FINE）

ir_LED_level+=FIRST_STAGE_STEP;

else

ir_LED_level+=FIRST_STAGE_FINE_STEP;

if（ir_LED_level>=2500）

ir_LED_level=2500;

}

else

{

if（ir_sample<=FIRST_STAGE_TARGET_LOW_FINE）

ir_LED_level-=FIRST_STAGE_STEP;

else

ir_LED_level-=FIRST_STAGE_FINE_STEP;

if（ir_LED_level<=1）

ir_LED_level=1;

}

}

//OA1输出，控制OA1输入的参考电压

if（i>=4095）

{

if（ir_dc_offset>0）

ir_dc_offset--;

}

elseif（i<100）

{

if（ir_dc_offset<4095）

ir_dc_offset++;

}

DAC12_0CTL&=~DAC12ENC;

_NOP（）;

_NOP（）;

P2OUT|=BIT2;//关灯

P2OUT|=BIT3;//关灯

T_body_signal=j;

T_enviroment_signal=k;

ir_heart_signal=ir_filter_test（i）;//初始信号滤波处理

ir_dc_offset_second+=（（ir_heart_signal-ir_dc_offset_second）>>7）;

ir_heart_signal_ac=ir_heart_signal-ir_dc_offset_second;

//是否为程序启动状态，此时flag_initial==1

if（flag_initial==1）

{

if（offset_wave>=500）

{

flag_initial=0;

}

}

else

{

//脉搏周期的判断

if（flag_jump==0）//flag_jump==0，表示处在寻找波谷状态

{

sample_jump=0;//离开波谷时的采样计数置0

//寻找group_caculate[64]循环队列中的最小值及其位置

min=group_caculate[0];

location_min=0;

for（inti=1;i<64;i++）

{

if（min

{

min=group_caculate[i];

location_min=i