【《血氧饱和度监测仪的结构设计》7700字（论文）】

李旭：血氧饱和度监测仪的软件设计血氧饱和度监测仪的结构设计摘要历史的扉页一页一页的翻过，伴随而来的是社会生产力不断发展、人民生活水平不断提高。当可以吃得饱、穿得暖的时候，围绕着如何提高生活幸福感这一问题，一批又一批探索者不断深入研究着。医疗卫生作为生活幸福感的主要衡量标准，被推向历史的新舞台。传统医疗保健体制中的大型医院集中诊治已经很难满足人们的医疗保健需要，因为未来医学健康发展的趋势一定是从治疗转向保健，所以治疗转向保健是给我们未来医疗技术发展的最新命题。在此基础上，行驶在快车道的医疗设备正不断提升数以千万计患者的医疗保健环境，从而大大地降低了医疗成本[1]。本系统旨在研制一种无创伤，并且可以连续地、实时地测量血氧饱和度的监测仪，该系统采用AFE4400血氧模拟前端进行血氧饱和度的源数据采集和预处理，随后由AT89S52单片机主控制器对数据分析再处理，并应用血氧测量算法计算出测量者的血氧饱和度[2]。由LCD显示屏显示测量出的血氧饱和度数值，如若超过人体正常值范围，则蜂鸣报警器蜂鸣报警，提示测量者尽快治疗。关键词：无创；血氧饱和度；监测仪目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 21绪论 61.1研究背景 61.2研究意义 61.2国内外研究现状 62血氧饱和度监测仪的总体设计 82.1系统的总体设计 82.1.1血氧饱和度的相关概念 82.1.2总体框架结构 82.2血氧测量算法原理 82.2.1Lambert-Beer定律 82.2.2脉搏血氧饱和度测量算法 82.3各模块的功能介绍 92.2.1血氧饱和度数据采集传感器 92.2.2数据分析处理模块 92.2.3显示模块 92.2.4电源模块 102.2.5按键模块 102.2.6报警模块 102.2.7通信模块 103血氧饱和度监测仪软件部分的设计 113.1软件主程序 113.2血氧饱和度源数据采集及处理模块 113.3按键模块 133.4液晶显示模块 153.5报警模块 16结论 20参考文献 211绪论1.1研究背景氧气是组成空气的重要成分，空气中的正常氧含量在21%左右，但当环境污染影响到空气时，含氧量将可能会存在下降的趋势。并且人体能够进行新陈代谢的关键物质基础是氧气充足与否，供氧的不足可能会引起多种多样的临床疾病，甚至在严重供氧不足的情况下会导致人体机体上的不可逆性损伤。正常身体健康的人群都有可能在雾霾或环境污染较严重的天气时产生胸闷感或呼吸困难等情况的出现，患有部分基础疾病，如慢性阻塞性肺疾病、肺气肿的患者对于空气中含氧量偏低的感觉可能会更为敏感，更易出现缺氧的症状。现为了能够保障人体生命安全，本系统设计研制一种无创、连续、实时测量的血氧饱和度监测仪。脉搏血氧饱和度作为一种重要指标用来反映动脉血液中的含氧量，现下我国医疗水平的飞速发展以及国民健康意识主动性的不断提升，作为监测个人健康水平的关键参数之一的脉搏血氧饱和度，成为临床医学关注的焦点。血氧饱和度测量在早期的时候采用的方式往往是有创口的，这些方式需要抽取动脉血液作为样本，然后将样本利用血气分析仪通过电化学分析得出相关数据，相关数据经特定数学关系对血氧饱和度进行计算，经过一系列操作，最终可得到较为确定的动脉血氧饱和度结果，其所得一般被作为测量血氧饱和度的金标准。再好的方法，也会存在缺点，这些方法存在有创且难以连续监测的巨大问题。为了解决这一问题，20世纪80年代以来，无创脉搏血氧饱和度测量技术出现在了历史新舞台上，并在科学发展下逐步走向成熟，迄今为止，一直活跃在临床医学应用领域。这种无创的脉搏血氧饱和度测量技术利用光被血液中血红蛋白和还原血红蛋白不同的吸收特性，通过特定测量方法，利用所得数据来计算脉搏血氧饱和度。大量的临床数据和科学研究表明，脉搏血氧饱与度与动脉血氧饱和度的相关性极其显著，在特定条件下往往可以替代脉搏血氧饱度指标来反映血液中的氧饱和程度[3]。这种无创脉搏血氧饱和度测量技术与最开始的有创方法相比，无创的脉搏血氧饱和度监测具有持续观察、实时反映和无创低感染率三大特点。在临床应用上，使用者以及医生均可以持续观察到使用者的血氧饱与度情况。除此之外，这种无创脉搏血氧饱和度测量技术还利用无创技术，高效的减少使用者痛苦，并使使用者的感染风险显著降低，在主动健康领域被极大推广，得到广泛应用。临床上公认的心血管疾病治疗及诊断的重要指标是血氧饱和度(SpO2)[4]，其血氧水平准确测量和监测起着至关重要的作用在医疗实践方面。人体血液的含氧量通常是通过血氧饱和度的数值来体现的，血氧饱和度能有效的反应关于人体循环系统和呼吸系统的生理数据，在许许多多的方面发挥着积极的作用，诸如病情诊断和健康监护等方面[5]。在时代迅速发展的今天，无创血氧检测方法发展尤为亮眼，无时无刻不渗透于人们的生活。在上一辈人眼中非常先进的透射式检测方法也逐渐消失在历史的长河里，代替它的是最先进、最具科技感的反射式血氧检测[6]、便携式血氧检测以及集成了无线模块的血氧检测设备[7]等新时代科技产物。高灵敏性、高反应度对于临床医学的发展带来了无穷的动力，但伴随而来的易受影响也成了此类无创脉搏血氧饱和度测量技术的阿喀琉斯之踵。由于结构、功耗及运动干扰等因素的影响限制了其在动态环境下的应用，使得人体血氧状态无法精确地、实时地被血氧饱和度检测所获取。在绝大部分的时候，相对于别的情况，处于自然状态下人体的生理信号所反映的生理状态更为准确高效[8]。这种效果在一些特殊场合尤为明显，例如手术后的跟踪和观察、医疗社区化以及家庭保健等场景，都需要保证人们日常工作生活不受影响，并且尽可能地实现实时获取血氧饱和度信息[9]并实现血氧饱和度的动态实时监控的目的。1.2研究意义人体的健康程度在一定方面被血氧饱和度所表征着,血氧饱和能够表征出人体在呼吸系统以及心血管等方面的健康水平，在人类的疾病预防与诊断中扮演着非常重要的角色。正是因为这个原因,关于对血液中的血氧饱和度进行测量是一件对于人体健康和临床医学发展有着极其重要生理意义的研究[10]。本系统所研究的此类无创脉搏血氧饱和度的监测仪能够无创地、连续地、实时地测量出动脉血液中的氧含量，通过直观数据对人体的呼吸状况和心肺功效进行高效观察。作为人体系统活动的外在表现的脉搏血氧信号，直观的反映了人体相关系统的健康水平，其反馈着大量的人体信息，但是，受到当前科技文明发展的局限，迄今为止还有诸多信息内涵未能得到准确的解释，这些问题都需要我们进一步探究。运动状态下和弱灌注情况下，能否准确地测量血氧饱和度是如今临床医学和医学研究场上的热点话题，后脉搏血氧测量仪器相关行业的目光几乎全部聚焦于此。时代也在不断发展下，解开了对于下一代脉搏血氧测量仪要求的面纱，小型化和血氧饱和度的无线传输相关方面必将引起下一波研究热潮，成为今后无创脉搏血氧饱和度的监测仪发展的趋势。总之，脉搏血氧信号的测量与研究是时代赋予我们医疗产业的一个机遇，同时也是一个极大的挑战，此类脉搏血氧饱和度监测仪的研究对临床医学现代化和规范化等多个方面的发展具有重大指导意义。1.3国内外研究现状运用无创监测技术来实时获取血液成分中血氧、血糖等生理参数和与其相关联的监测仪器的研究，一直是国内外学者关注的焦点。而近年来，依托于科学技术的飞速发展，国内外不断地深入研究着血氧饱和度监测仪器的原理以及方法，使得血氧饱和度监测仪有了显著的研究成果，并且具备普遍的学术价值以及广泛的应用前景。1.3.1国内研究现状国内对于血氧饱和度监测原理和方法的研究起步的比较晚,近年来很多研究院所以及高校对血氧饱和度监测原理和方法进行了深入的研究。例如东南大学研制了一种可以无创伤地监测血氧饱和度的传感系统,并且分析了在测量过程中影响测量精度的各个因素，并且对这些干扰因素进行了优化设计；而厦门大学则应用PIC系列单片机研发了一款血氧仪。国内制造的血氧饱和度监测仪所选用的测量方法仍然是传统的测量方法，与国外研制的血氧饱和度监测仪相对比，在测量精度、抗干扰能力以及系统的稳定性上仍有很大的差异，需要进一步的研究去改进与完善，才能在这一领域有一席之地。1.3.2国外研究现状国外在很早的时间就开始对血氧饱和度监测仪运用无创伤技术实时监测血氧饱和度进行研究了，而且已经取得了极其丰硕的研究成果。目前,国外有很多著名的血氧仪品牌,如Philips等。而在最近几年来，美国研制出了一种戒指式的血氧仪，该仪器所占空间小便于携带，并且能对人体进行一整天的监测，且兼容了无线传输功能，除此之外在运动伪差方面也研究出了一些成果，使得血氧检测方法的研究到达了新的高度[11]。在其它的许多国家，如德国、日本等国家也对血氧饱和度监测仪的研究有一定的进展。脉搏血氧测量仪的小型化和无线传输是血氧饱和度监测的焦点课题，也是今后血氧饱和度监测的发展趋势。总之，脉搏血氧信号的测量与研究是一项艰巨，但对临床医学现代化和规范化等多个方面具有重大意义的工作。2血氧饱和度监测仪的总体设计2.1系统的总体设计2.1.1血氧饱和度的相关概念血氧饱和度定义为人体动脉血管中氧合血红蛋白（HbO2）占全体血红蛋白总量的比例[12]。血氧饱和度表征了人体呼吸系统是否正常以及血管运输氧气的能力，而且也是反映新陈代谢重要的参数。在现代生理多参数监护仪中，血氧饱和度监测这一模块都是不可或缺的，而且监护仪的电路结构简单，测量数据准确可靠，抗干扰能力强。在临床上，通常经过监测血氧饱和度来衡量血液里氧气所占比重,血氧饱和度是指血红蛋白与氧气结合的程度，是反应血液里氧合血红蛋白的一个参数,公式表达上如S(O2)=[CHbo2/(CHbo2+CHb)]*100%所示为含氧血红蛋白浓度与总的血红蛋白浓度之比式中CHbo2为氧合血红蛋白浓度、CHb为还原血红蛋白浓度。血氧饱和度有两种命名方式分别为SaO2与SpO2,其中SaO2为有创采血方式获取到的血氧饱和度，而SpO2为血氧仪监测获取到的血氧饱和度[13-15]。从医学角度上来讲,血氧饱和度反映了肺系统的氧合能力和人体血液运输氧气的能力，也就是人体氧气供给和氧气代谢的情况，正常人体中血液含氧量应该大于95%，含氧量处于90%以下则为缺氧状态，必须吸氧，才能保证机体的正常运作，否则便会对人体产生损害，严重者会产生不可逆的损伤。2.1.2系统总体框架结构首先，通过电源模块对各个模块进行统一供电，在按键模块选择相应指令运行设备，随后血氧饱和度数据采集传感器开始运行并将采集到的血氧饱和度相关生理参数预处理之后传输给单片机，通过单片机对生理参数进行再处理、计算并判断数值是否超出人体正常值范围，然后由显示模块显示当前血氧饱和度数值，如果超过人体正常值范围报警模块会进行报警提醒使用者及时进行治疗,最后经通信模块将数据以发送给手机APP,实现对血氧饱和度的记录。总体框架结构流程图如图2.1.2.1所示。图2.1.2.1系统整体设计框图2.2血氧测量算法原理2.2.1Lambert-Beer定律[16]：当强度为I0的单色光入射到均匀物质时，则对应光电检测器接收到的出射光强度IrIr(t)=式中Rskin是皮肤反射系数;εt，εb分别是组织和血液吸引系数;ct，cb2.2.1脉搏血氧饱和度测量算法：当心脏收缩到最高压力点的时候，则血管舒张最大为dmax，则光程长值最大，出射光的强度最小;当心脏舒张时，则血管收缩到最小，光程长值最小为dmin，出射光强度最大为Imax。由于出射光中的脉动分量(AC)相对慢变分量(DC)小的多，则动脉血搏动引起的波长λ1的吸光度变化量ΔG1为ΔG1=－[ε1(λ2)c1+ε2(λ2)c2]Δd=ACλ1/DCλ1式中的Δd=dmax－dmin;c1，c2，ε1(λ1),ε2(λ1)分别是含氧血红蛋白的浓度和还原血红蛋白的浓度，以及含氧血红蛋白和还原血红蛋白分别对光波长λ1的消光系数。同理可得到波长λ2的吸光度变化量ΔG2为ΔG2=－［ε1(λ2)c1+ε2(λ2)c2］Δd=ACλ2/DCλ2由以上公式可得，血氧饱和度SpO2为SpO2=ε2(2.3各模块的功能介绍2.3.1血氧饱和度数据采集传感器：信号采集模块对生理参数的实时采集是关系到整个生理参数监测装置有效工作的关键性因素。血氧饱和度源数据采集传感器使用的是TI公司的血氧信号采集模拟前端AFE4400，利用模拟前端AFE4400对血氧信号进行预处理，将采集到的信号在AT89S52单片机内实现滤波及算法处理后，传输给下一级。而且血氧饱和度模拟前端AFE4400片内集成了采样、信号滤波放大、A/D转换等多种功能，系统在体积和功耗方面得到了极大的改善。2.3.2数据分析处理模块：数据处理器模块是整个系统的核心，主要协调各模块之间的工作以及对采样得到的生理信号进行一定的信号处理和计算等。数据处理模块采用AT89S52单片机，AT89S52是一种低电压、高性能的CMOS8位微控制器，具有4K可编程闪烁存储器。单片机系统与血氧信号采集模拟前端AFE4400进行单总线通信，将AFE4400采集到的源数据进行处理分析，并转化为血氧饱和度数值，最后显示在显示模块中。2.3.3显示模块：显示模块将采集、处理、计算得到得生理数据显示出来。本设计采用的是LCD1602液晶显示器，它是一种使用广泛的字符型液晶显示模块，它的内部控制器是HD44780，能够显示英文，字母，阿拉伯数字和一般性符号，其优点是字符型液晶，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。在便于携带与搬运为前题之下，液晶显示技术的直角显示、低耗电量、体积小、和零辐射等优点，都能让使用者享受最佳的视觉环境。2.3.4电源模块：电源模块为整个生理监测装置进行统一供电，整个系统的供电来源为2节5号可充电锂电池，其总电压为3.7V，完全符合整个系统的工作电压，而且电池输出的电压是最稳定的，不会有干扰、波动。同时电池供电使得监测仪有良好的便携性，可以随时随地测量血氧饱和度，并且避免了复杂的电源电路设计，同时减小了整体装置的体积，实现装置的小型化。2.3.5按键模块：按键模块包含开机/关机键，启动键，复位键，设置键。2.3.6报警模块：监测仪可以对使用者的血氧饱和度进行检测，当血氧饱和度不在正常值范围时，及时给于使用者警示，以便于使用者及时治疗。2.3.7通信模块：本模块的设计实现了本系统的数据传输功能，是连接下位机模块与上位机终端的桥梁。数据无线通信采用TI公司的低功耗蓝牙模块BLE，该模块支持蓝牙4.0协议，具有低功耗、抗干扰能力强、价格低等优点。3血氧饱和度监测仪软件部分的设计3.1软件主程序主程序流程如图所示，加电后，首先开机完成系统的初始化工作，随后启动监测仪，AT89S52单片机开始给血氧饱和度数据采集传感器AFE4400供电，进行血氧饱和度源数据的采集，随后传感器将采集到的源数据进行预处理之后传输给AT89S52单片机进行数据分析再处理，之后将处理过的数据显示在LCD液晶显示器上，如果血氧饱和度超过人体正常值，将会进行蜂鸣报警，最后通过BLE蓝牙协议传输道手机APP上，如需继续测量则复位检测仪，进行监测。模块流程图如图3.1所示。图3.1主程序流程图3.2血氧饱和度源数据采集、数据处理和A/D转换模块血氧饱和度源数据采集、数据处理和A/D转换模块的设计中,单片机是整体部件的中心控件,控制整个系统运行,尤其表现在血氧饱和度源数据处理模块中。既要收集由血氧饱和度传感器采集到的血氧饱和度的电流信号,又要控制A/D转换器对其进行处理转换,将其显示在液晶屏上，判断后,确定蜂鸣器是否报警,同时判断是否接受外部中断请求。本模块采用AFE4400血氧饱和度传感器和AT89S52单片机，血氧饱和度模拟前端AFE4400片内集成了采样、信号滤波放大、A/D转换等多种功能，可以对源数据进行预处理，使得系统在体积和功耗方面得到了极大的改善。当传感器在光电效应下感应到血氧饱和度时,它会立刻做出反应输出电信号,将电信号预处理之后传输给单片机,由单片机对数据进行再处理，并且为显示电路提供信号，将测量出的数值由液晶屏显示出来，如果超出正常值则启动蜂鸣器报警。模块流程图如图3.2所示。图3.2血氧饱和度源数据采集、数据处理和A/D转换模块流程图3.3按键模块本模块与单片机相连,开机键和关机键控制整个系统的开关，摁下开机键打开整个系统，由单片机控制电源模块对在整个系统开始供电，各个模块程序初始化，随后测量者可以摁下启动键进行血氧饱和度的测量，如果测量者保持测量，则实时显示测量结果，如果想结束测量或者对测量结果有异议，摁下复位键重新测量，想要结束测量则摁下关机键，随后整个系统关闭。3.4LCD液晶显示模块本模块主要接收来自单片机提供的信号从而进行显示，显示内容分为两行，分别显示的为测量的血氧饱和度和人体血氧饱和度的正常值范围。LCD1602液晶显示器通电以后，首先对LCD电源稳定后，每行16个字符分两行显示。随后进入初始化,判断是否延时,如若延时,便需等待后方可进入LCD位显示数据,此显示模块与CPU所通信的方式为并口,紧跟其后控制读写数据此项功能的是单片机的部分引脚。LCD1602液晶与CPU是并口通信,由单片机的P2.5、P2.6、P2.7引脚来控制LCD1602的读写数据命令功能,单片机P0口传输数据到1602进行显示液晶显示模块必须经过单片机的P0口传输数据,模块流程图如图3.5所示。图3.3LCD1602液晶显示模块流程图3.4报警模块此模块的主要功能是实现若检测出的血氧饱和度数值不在人体正常值范围之后，则会启动蜂鸣器报警。蜂鸣器报警子程序执行之前，设定的报警阀值安置在两个数据数据之中，传感器输入A/D转换后的数值，便调用比较子程序，若在数值范围之内则执行显示程序，若不在数值范围之内则执行蜂鸣器报警程序，将由单片机输出的电信号转换为声音信号，及时给予使用者警示，以便于尽快治疗。模块流程图如图所示。图1.1蜂鸣器报警模块流程图结论本次血氧饱和度监测仪的软件的设计已经完成，通过本次设计，我学到了很多，对我以后的学习和工作都有着举足轻重的意义。同时也在本次设计也收获了很多，首先本次设计让我了解到了很多知识，比如对于单片机的了解更深了，无论是实验或者是实际生活中，单片机都有着不可或缺的意义；再比如，各种传感器的优缺点，在使用时该如何选择等等。不仅如此，对软件知识的理解也更进一步，而且能够更加熟练地使用MATLAB这个软件。其次，通过本次设计，也使我明白了科技力量的重要性，人类如今的发展离不开世世代代人民前赴后继，没有前人的努力，也享受不到如此丰满的物质生活。科技发展的目的就在于为全人类创造更加美好的新生活，享受科技的神奇魅力，同时推动科技的发展，使其百尺竿头，更进一步。当然，本人水平有限，管中窥豹，所掌握到的知识也只是九牛一毛，相信在不久的将来，血氧饱和度监测会更加广泛应用于日常生活，造福人类，造福文明。同样，单片机会更加的智能化，人与机器的对话会更好的实现。承前人志，既往开来。参考文献陈素琼,向天雨,王惠来.便携式家庭医疗设备的应用发展研究[J].中国数字医学,2017,12(7):97-99.

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