脈搏血氧飽和度

脈搏血氧飽和度的測量一、測量值：脈搏血氧飽和度、脈率二、測量原理：以兩路光線（紅光vs，紅外光ir）高頻交替照射被測部位，兩路透射光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到兩路變化的光電流信號，兩路光電流信號經(jīng)過放大、去直流、去工頻干擾得到兩路信號的交流部分，交流部分的平均功率之比即為動脈血的含氧量，通過線性擬合得到脈搏血氧飽和度；其中任何一路信號交流部分即為脈搏波，測得其周期可計算出脈率。三、測量電路及其參數(shù)。電路包括三部分：探頭驅(qū)動電路、光電流放大和去直流電路、計算電路。探頭驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)兩路光線由對稱的兩組三極管構(gòu)成，與計算電路的兩個IO端口和兩個DA端口相連，分別控制兩路光線的交替開關(guān)和幅值。光電流放大和去直流電路由兩級運(yùn)放構(gòu)成，一級運(yùn)放將光電流信號放大為電壓信號，這個電壓信號包含交流分量和較大的直流分量（分別對應(yīng)著測量部位的動脈血和其他成分），因此需要二級運(yùn)放去直流處理。計算電路接受兩個運(yùn)放的輸出，作為反饋為探頭驅(qū)動電路和去直流電路提供參考電壓幅值。探頭接口說明：1為地線，6、7分別為外屏蔽和內(nèi)屏蔽線，2為紅外光輸入正極，紅光輸入負(fù)極，3為紅光輸入正極，紅外光輸入負(fù)極，9為光電管輸出正極，5為光電管輸出負(fù)極。四、測量流程 基本測量流程如下圖。200Hz定時器中斷，兩路LED交替通斷，即1秒內(nèi)兩路光各有100次采樣。以紅外光這一路為例：每次開啟紅外光LED，根據(jù)OA0輸出改變LED的幅度ir_LED_level（Q3的基極），根據(jù)OA1輸出改變?nèi)ブ绷麟娐返闹绷鲄⒖茧妷篿r_dc_offset(OA1的正向輸入端)，得到的OA1的輸出作為計算電路的輸入，關(guān)燈，原始信號去工頻處理后得到ir_heart_signal，數(shù)字去直流后得到ir_heart_signal_ac，該信號進(jìn)入脈搏波周期判斷的隊(duì)列g(shù)roup_caculate[64]，同時計算ir_heart_signal_ac信號的平方和，并且采樣計數(shù)，同時進(jìn)行脈搏周期的判斷。數(shù)字信號直流跟隨可表達(dá)為：跟隨系數(shù)×（輸入信號-直流分量）+直流分量=更新的直流分量。脈搏周期的判斷過程：隊(duì)列相當(dāng)于在脈搏波信號上一個滑動的窗口，窗口應(yīng)有一定寬度，大于噪聲時間，但需小于脈搏周期。判斷過程如下：當(dāng)最小值位置處于窗口中部位置時則判定為一個波谷，檢測到波谷以后窗口繼續(xù)滑過10個采樣點(diǎn)，但不再檢查最小值，確保上一個波谷已經(jīng)離開窗口中心，然后繼續(xù)檢查最小值位置確定下一個波谷?？梢苑譃槿N狀態(tài)分別稱之為確定波谷、離開波谷、尋找波谷。如下圖。利用局部特征實(shí)時判斷脈搏周期的三個階段：1）確定波谷，確定周期，計算血氧飽和度和脈率，清空計數(shù)；2）離開波谷，開始計數(shù)，計算信號平方和；3）尋找波谷，保持計數(shù)，計算平方和，確定窗口中最小值位置五、測量程序?qū)崿F(xiàn)（可參考pulsoximeter.c文件）1、變量設(shè)置1）全局參量根據(jù)運(yùn)放一的輸出經(jīng)AD轉(zhuǎn)化后判斷LED是否過亮過暗，2500到3000之間為合適亮度，否則進(jìn)行調(diào)節(jié)，快速調(diào)節(jié)步長為2，細(xì)調(diào)步長為1，可根據(jù)實(shí)際電路修改。//反饋控制LED驅(qū)動幅度時的上下界和調(diào)節(jié)步長#defineFIRST_STAGE_TARGET_HIGH3000#defineFIRST_STAGE_TARGET_LOW2500#defineFIRST_STAGE_TARGET_HIGH_FINE3500#defineFIRST_STAGE_TARGET_LOW_FINE2000#defineFIRST_STAGE_STEP2#defineFIRST_STAGE_FINE_STEP12）全局變量//脈搏血氧信號，存儲脈搏血氧幾個處理方法后的值int32_tir_heart_signal;//紅外光，OA1輸出經(jīng)過平均濾波后，等待數(shù)字去直流int32_tvs_heart_signal;//紅光，OA1輸出經(jīng)過平均濾波后，等待數(shù)字去直流int32_tir_heart_signal_ac;//紅外光，經(jīng)過數(shù)字去直流，進(jìn)入計算窗口，參加平方和的累加int32_tvs_heart_signal_ac;//紅光，經(jīng)過數(shù)字去直流，進(jìn)入計算窗口，參加平方和的累加int32_tsum_ir_heart_signal_ac=0;//紅外光，信號平方和累加值，一個周期計算平均功率int32_tsum_vs_heart_signal_ac=0;//紅光，信號平方和累加值，一個周期計算平均功率//計算過程信號intgroup_wave[512];//用于顯示，循環(huán)隊(duì)列，存儲幾個周期內(nèi)的ir_heart_signal_ac信號intoffset_wave=0;//循環(huán)隊(duì)列隊(duì)列頭intflag_initial=1;//初始化標(biāo)志位intsample_count=0;//采樣計數(shù)，每個周期清空，重新計數(shù)intnum_beat=0;//初始值為1，下一個脈搏后為2，計算平均功率和血氧飽和度，重新置1intflag_jump=0;//脈搏波周期判斷，是否處于離開波谷的狀態(tài)intsample_jump=0;//離開波谷時的采樣計數(shù)，到20則已離開波谷，置0，flag_jump置1//循環(huán)隊(duì)列，以滑動窗口的形式判斷當(dāng)前是否為脈搏波波谷intgroup_caculate[64];//用于脈搏周期判斷的循環(huán)隊(duì)列，存儲64個ir_heart_signal_ac信號intoffset_caculate=0;//隊(duì)列頭位置intmin;//隊(duì)列中最小值intlocation_min;//最小值位置intlocation_min_adjust;//最小值相對與隊(duì)列頭的位置，如果是32則確認(rèn)一個波谷//最終結(jié)果//脈率unsignedintheart_rate=6000;//脈率最終測量結(jié)果，初始值為60.00unsignedintgroup_heart_rate[8];//最近8秒內(nèi)的脈率，循環(huán)隊(duì)列，初始化為6000intoffset_heart_rate=0;//隊(duì)列頭unsignedintsample_heart_rate;//脈率當(dāng)前原始結(jié)果，經(jīng)過一定調(diào)整后進(jìn)入group_heart_rate[8]int32_tsum_heart_rate;//最近8秒的脈率累加值，除以8得到新的heart_rate//脈搏血氧飽和度unsignedintSpO2=9500;//血氧飽和度最終測量結(jié)果，初始值為95.00unsignedintgroup_SpO2[8];//最近8秒內(nèi)的血氧飽和度，循環(huán)隊(duì)列，初始化為9500intoffset_SpO2=0;//隊(duì)列頭int32_tsum_SpO2;//最近8秒的血氧飽和度累加值，除以8得到新的heart_rate//控制參數(shù)intfresh=0;//調(diào)試使用，無意義//反饋控幅和OA1參考電壓的參數(shù)intled_tab=0;//控制開啟紅光還是紅外光，每次中斷切換狀態(tài)intir_LED_level;//ir驅(qū)動幅度，控制Q3基極，范圍1到2500，數(shù)字越大，亮度越弱intvs_LED_level;//vs驅(qū)動幅度，控制Q4基極，范圍1到4095，數(shù)字越大，亮度越弱intir_dc_offset=4095;//ir燈直流參考電壓，開啟紅外LED時，控制OA1正向輸入端intvs_dc_offset=4095;///vs燈直流參考電壓，開啟紅光LED時，控制OA1正向輸入端intir_dc_offset_second=0;//數(shù)字去直流時的直流跟隨量intvs_dc_offset_second=0;//數(shù)字去直流時的直流跟隨量//運(yùn)放輸出的輸出intir_sample;//ir燈，OA0的輸出，根據(jù)該輸出改變ir_LED_levelintvs_sample;//vs燈，OA0的輸出，根據(jù)該輸出改變vs_LED_level3）子函數(shù)unsignedlongisqrt32(registerunsignedlongh);//開方運(yùn)算int16_tir_filter_test(int16_tsample);//平均濾波器_紅外int16_tvs_filter_test(int16_tsample);//平均濾波器_紅光2、程序主體（請參照pulsoximeter.c文件）1）晶振、電源設(shè)置2）初始化操作：group_heart_rate[8]初始化為6000，sum_heart_rate初始化為48000，group_SpO2[8]初始化為9500，sum_SpO2初始化為76000。3）DAC設(shè)置，ir_LED_level初始化為2500，vs_LED_level初始化為900。ADC設(shè)置。定時器設(shè)置，200Hz采樣中斷，1600Hz用于PWM輸出。4）設(shè)置完，進(jìn)入低功耗模式5）中斷處理程序，200Hz中斷，中斷進(jìn)入后或者進(jìn)入紅光LED流程，或者進(jìn)入紅外LED流程，都要根據(jù)輸入調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行平均濾波，去直流處理。兩種流程其他計算上有所不同：在紅光流程中主要進(jìn)行兩路信號平方和累加、采樣計數(shù)、脈搏血氧飽和度和脈率的計算；紅外流程里主要進(jìn)行的是脈搏周期的判斷。兩個流程的具體操作如下。紅光流程：關(guān)閉兩路燈，設(shè)置參數(shù)，開啟紅光LED，讀取輸入，關(guān)閉紅光LED，根據(jù)輸入調(diào)整參數(shù)，平均濾波，去直流，循環(huán)隊(duì)列更新，是否處于找到波谷的狀態(tài)（num_beat由1變?yōu)?，找到，否則未找到），未找到則計算兩路平方和，采樣計數(shù)累加，找到則計算脈搏血氧飽和度和脈率，平方和、采樣計數(shù)置0。紅外流程：關(guān)閉兩路燈，設(shè)置參數(shù)，開啟紅光LED，讀取輸入，關(guān)閉紅光LED，根據(jù)輸入調(diào)整參數(shù)，平均濾波，去直流，循環(huán)隊(duì)列更新，是否處于離開波谷的狀態(tài)（flag_jump==0時為尋找狀態(tài)，flag_jump==0時為離開狀態(tài)），尋找狀態(tài)找到循環(huán)隊(duì)列中最小值及位置，判斷是否波谷，不是波谷繼續(xù)尋找，是波谷則進(jìn)入離開狀態(tài)，離開狀態(tài)僅計數(shù)，計數(shù)滿20次進(jìn)入尋找狀態(tài)。中斷程序代碼如下所示：//紅光流程if(led_tab==0)//led_tab==0，打開紅光LED{led_tab=1;//切換led_tab，下一次進(jìn)入紅外流程P2OUT|=BIT2;//關(guān)燈P2OUT|=BIT3;//關(guān)燈DAC12_0CTL&=~DAC12ENC;//開啟DAC，根據(jù)vs_LED_level給出幅度DAC12_0CTL&=~DAC12OPS;DAC12_0CTL|=DAC12ENC;DAC12_0DAT=vs_LED_level;//紅光LED驅(qū)動幅度DAC12_1DAT=vs_dc_offset;//紅光去直流電路的參考電壓，OA1正向輸入P2OUT&=~BIT3;//開燈，紅光LEDADC12CTL0&=~ENC;//開啟DAC，讀取OA0、OA1輸出ADC12CTL0|=ENC;for(m=1;m<=1500;m++)//偽循環(huán)提供DAC轉(zhuǎn)換時間，紅光LED保持開{}vs_sample=ADC12MEM0;//OA0輸出結(jié)果i=ADC12MEM1;//OA1輸出結(jié)果//OA0輸出，根據(jù)全局參量控制LED的驅(qū)動幅度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;elsevs_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;elsevs_LED_level-=FIRST_STAGE_FINE_STEP;if(vs_LED_level<=1)vs_LED_level=1;}}//OA1輸出，控制OA1輸入的參考電壓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;//關(guān)閉DAC_NOP();_NOP();P2OUT|=BIT2;//關(guān)燈P2OUT|=BIT3;//關(guān)燈//實(shí)時處理vs_heart_signal=vs_filter_test(i);//OA1輸出，平均濾波處理vs_dc_offset_second+=((vs_heart_signal-vs_dc_offset_second)>>7);//數(shù)字直流跟隨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保證脈搏波信號為正offset_wave=(offset_wave+1)&0x1ff;//循環(huán)隊(duì)列更新，用于顯示group_caculate[offset_caculate]=ir_heart_signal_ac;//循環(huán)隊(duì)列更新，用于脈搏判斷offset_caculate=(offset_caculate+1)&0x3f;if(num_beat>=1)//num_beat是否為1{sample_count++;//采樣計數(shù) //兩路信號平方和累加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是否為2，為2表示找到一個新的波谷{int32_tx=isqrt32(sum_vs_heart_signal_ac);//平方和開方int32_ty=isqrt32(sum_ir_heart_signal_ac);//平方和開方int32_tw=100*x/y;//平均功率之比R×100sum_SpO2-=group_SpO2[offset_SpO2];//8秒內(nèi)血氧飽和度之和減去8秒前的值 //計算當(dāng)先新的脈搏血氧飽和度，擬合公式110-25×R，R為平均功率之比group_SpO2[offset_SpO2]=11000-25*w; //調(diào)整新的脈搏血氧飽和度，變化不能超過3個百分點(diǎn)，范圍在85到100之間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秒內(nèi)血氧飽和度之和加上當(dāng)前的值offset_SpO2=(offset_SpO2+1)&0x07;SpO2=sum_SpO2/8;//計算平均值，得到最終結(jié)果//清空計數(shù)和變量重置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//脈率的計算sample_heart_rate=600000/sample_count;//由脈搏周期換算成脈率num_beat=1;//脈搏計數(shù)重置成1sample_count=0;//采樣計數(shù)置0if(sample_heart_rate<1000||sample_heart_rate>18000)//明顯錯誤的結(jié)果{}else{//8秒內(nèi)脈率之和減去8秒前的值sum_heart_rate-=group_heart_rate[offset_heart_rate]; //循環(huán)隊(duì)列更新，得到當(dāng)前脈率group_heart_rate[offset_heart_rate]=sample_heart_rate;//8秒內(nèi)脈率之和加上當(dāng)前值sum_heart_rate+=group_heart_rate[offset_heart_rate];offset_heart_rate=(offset_heart_rate+1)&0x07; //求平均值，為脈率最終結(jié)果heart_rate=sum_heart_rate/8;}fresh=1;}}//紅外流程else{//前面部分與紅光部分一致，關(guān)燈，設(shè)置參數(shù)，開燈，讀取運(yùn)放輸出，關(guān)燈，平均濾波，去//直流，不再做注釋，注釋的主要是脈搏周期的判斷部分led_tab=0;P2OUT|=BIT2;//關(guān)燈P2OUT|=BIT3;//關(guān)燈DAC12_0CTL&=~DAC12ENC;DAC12_0CTL|=DAC12OPS;DAC12_0CTL|=DAC12ENC;DAC12_0DAT=ir_LED_level;//紅外LED驅(qū)動幅度DAC12_1DAT=ir_dc_offset;//OA1輸入?yún)⒖茧妷篜2OUT&=~BIT2;//開燈ADC12CTL0&=~ENC;ADC12CTL0|=ENC;for(m=1;m<=1500;m++){}ir_sample=ADC12MEM0;//OA0輸出，用以控制LED驅(qū)動幅度i=ADC12MEM1;//OA1輸出，初始未處理的信號j=ADC12MEM2;k=ADC12MEM3;//OA0輸出，控制LED驅(qū)動幅度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;elseir_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;elseir_LED_level-=FIRST_STAGE_FINE_STEP;if(ir_LED_level<=1)ir_LED_level=1;}}//OA1輸出，控制OA1輸入的參考電壓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;//關(guān)燈P2OUT|=BIT3;//關(guān)燈T_body_signal=j;T_enviroment_signal=k;ir_heart_signal=ir_filter_test(i);//初始信號濾波處理ir_dc_offset_second+=((ir_heart_signal-ir_dc_offset_second)>>7);ir_heart_signal_ac=ir_heart_signal-ir_dc_offset_second;//是否為程序啟動狀態(tài)，此時flag_initial==1if(flag_initial==1){if(offset_wave>=500){flag_initial=0;}}else{//脈搏周期的判斷if(flag_jump==0)//flag_jump==0，表示處在尋找波谷狀態(tài){sample_jump=0;//離開波谷時的采樣計數(shù)置0//尋找group_caculate[64]循環(huán)隊(duì)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<group_caculate[i]){min=group_caculate[i];location_min=i;}} //計算最小值位置距離隊(duì)列頭距離if(location_min<=offset_caculate){location_min_adjust=offset_caculate-location_min;}else{location_min_adjust=offset_caculate+64-location_min;} //最小值是否在隊(duì)列正中if(location_min_adjust==31||location_min_adjust==32){flag_jump=1;//如果是，找到波谷，進(jìn)入離開波谷狀態(tài)//脈搏計數(shù)增加，如果是程序第一次找到，則由0到1，以后則總是由1到2num_beat++;P1OUT^=BIT0;}}else//flag_jump==1，表示處在離開波谷狀態(tài){sample_jum