基于MSP430F149和nRF905的無線血氧指夾的設計

　0 引言

　　血氧飽和度可以反映病人的呼吸功能，并在一定程度上反映動脈血氧的變化，故在臨床監護和家庭監護中都具有重要意義。用常規多參數監護儀監護血氧飽和度時，通常用一個血氧指夾夾在手指端或者腳趾端來采集光電脈搏波信號，并通過一條線纜將信號傳到監護設備進行處理和計算。由于線纜的影響，病人往往不便翻身，而且線纜容易脫落，造成測量結果錯誤，嚴重危害病人的及時搶救。單模塊的血氧飽和度測量設備雖然便于攜帶，但由于其功耗較高，采用電池供電限制了監護的持續時間：一般此類設備只能將監護信息存儲在設備內部，而無法把監護信息及時發送出去，耽誤病人的搶救時間。為此，本文提出了一種基于射頻芯片nRF905和超低功耗單片機MSP430F149的血氧飽和度指夾的設計方法，旨在實現沒有線纜，超長時間監護和及時發送監護信息等監護功能。

　　1 無創血氧飽和度測量原理

　　血氧飽和度(SpO2)是血液中被氧結合的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的濃度，它是呼吸循環的重要生理參數。而功能性氧飽和度(SaO2)為HbO2濃度與HbO2+Hb濃度之比。因此，監護中常用SaO2來估計SpO2的水平。SaO2的理論計算公式如下：

　　其測量方法一般以朗博一比爾定理為基礎，利用血液中不同成分的吸光率的不同，采用紅光和紅外光分別照射組織，并通過測量透射光的強度來計算血氧飽和度的值。其公式如下：

　　式中，△I'max為紅外光的交流分量的最大值，I'max為紅外光的直流分量的最大值，△Imax為紅光交流分量的最大值，Imax為紅光直流分量的最大值。本系統采用的是660 nm的紅光和940 nm的紅外光。

　　2 系統總體設計

　　圖1所示是本系統的總體結構框圖。本無線血氧指夾以MSP430F149微控制器為主控芯片，用單片機的I／O接口來驅動發光二極管。系統采用邁瑞公司生產的手指端血氧指夾，指夾的輸出量為電流信號，可用于反映透射光光強。該電流信號經過電流一電壓轉換、放大、濾波等信號調理后，可轉換為脈搏波信號，最后由MSP430F149內置的12位ADC采樣進入單片機進行處理，并通過計算得到血氧飽和度值，將該值打包后由單片機發送到nRF905模塊，然后通過天線發送出去。

　　3 無創血氧指夾的硬件電路

　　3．1 信號采集和調理電路

　　本系統的信號采集使用邁瑞公司生產的ND78108494手指端血氧指夾，該指夾內部有紅光和紅外光發光二極管各一個，采用反向對接的方式進行連接；另外有光敏二極管一個，可用以將光強轉化為電流強度。

　　信號調理電路包括電流一電壓轉換電路、放大電路、濾波電路和電壓范圍調整電路共4部分，輸出是較為光滑的脈搏波信號。其中電流一電壓轉換和放大電路如圖2所示，圖3所示是其濾波和電壓調整電路。

　　3．2 射頻電路

　　nRF905射頻芯片是Nordic公司采用VLSIShoctBurst技術開發的產品，能夠提供高速的數據傳輸而不需要昂貴的高速MCU來進行數據處理／時鐘覆蓋。通過將與RF協議有關的高速信號處理放到芯片內，nRF905可提供給微控制器一個SPI接口，其速率由微控制器自己設定的接口速度決定。通過SPI接口進行編程配置，可以實現很低的電流消耗。在發射功率為-10 dBm時，發射電流為11 mA，接收電流為12．5 mA，且進入PowerDOWN模式后，還將更加節電。

　　3．3 控制電路

　　控制芯片選用Ti公司的超低功耗單片機MSP430系列中的MSP430F149，該型號的單片機具有功耗超低，可支持C語言開發等優點。同時具有非常強的處理能力，其速率最高可以達到2MIPS，且內部自帶12位的ADC。是一款功能豐富，運算能力強大的單片機。圖4所示是由MSP430F149構成的射頻控制電路。

　　4 系統軟件流程及測試結果

　　圖5給出了本系統的軟件流程圖。筆者用該方案的無線血氧指夾對成人進行了測試。受試者為一健康成年男性。實驗從手指端采集脈搏波，事實上，經過信號調理電路處理后的脈搏波干擾較小，細節丟失較少，完全可以用于血氧飽和度的測量。

　　將所采集的脈搏波經AD采樣后送入單片機再通過一系列計算，最后系統返回的血氧飽和度的值為99％，該結果與采用邁瑞公司生產的PM－8000便攜式監護儀測量的結果完全一致，說明本系統基本達到了預期要求。

　　5 結束語

　　本文給出了一種基于MSP430F149和nRF905的無線血氧指夾的硬件電路和設計方法。該指夾能夠實現無線監護功能，一方面，它能夠克服連接線纜帶來的諸多問題，另一方面，它也使得家庭監護和隨身監護更有可能實現。由于本系統具有低功耗等優點，可在電池供電條件下實現超長時間的監護，因此，更容易發現偶發的病癥。