5.1脈搏血氧測量的意義血氧飽和度就是指血液中氧合血紅蛋白的容量占全部可結合血紅蛋白的百分比，即血液中血氧的濃度?，F(xiàn)在大多采用血氧飽和度（bloodoxygensaturation，）來估計血紅蛋白的攜氧能力。第五章脈搏血氧儀設計血氧飽和度的檢測手段分為有創(chuàng)測量和無創(chuàng)測量兩種。脈搏血氧儀提供了以無創(chuàng)方式測量血氧飽和度或動脈血紅蛋白飽和度的方法5.2脈搏血氧法基本測量原理脈搏血氧測量法是基于朗伯-比爾定律（Lambert-Beerlaw），通過無創(chuàng)傷血氧飽和度測量的模型和光學脈搏容積描記法建立動脈組織的模型實現(xiàn)血氧飽和度的測量方法。測量原理要想測量血液中多種物質的含量，所使用的光波長種類數(shù)必須至少等于物質的種類數(shù)。由于血氧飽和度主要由血液中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的含量決定，使用兩種光線便可以測量血氧飽和度。測量原理圖5-1氧合血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）的光吸收曲線測量原理計算血氧飽和度公式：

測量原理圖5-2光電檢測器獲得的信號的成分脈搏波傳感器接收的信號中包含著兩種成分，分別以直流（DC）和交流（AC）的形式存在，可用電路的方法加以區(qū)分，以獲得動脈波動的血液信號和參考直流信號。測量原理測量原理考慮到透射光中交流成分占直流成分的百分比遠小于1的數(shù)值，使用級數(shù)展開公式，則有：測量原理測量原理由于不同個體和不同部位的光吸收不同，一般使用標準化后的比值進行計算，即先求兩種波長形成的脈動分量與直流分量的比值（AC/DC），直至標準化，再求紅光RD和紅外光IR吸收系數(shù)交流分量的比值。R和SO2之間呈線性關系，可以用線性回歸方法求出待定系數(shù)A和B。儀器結構脈搏血氧儀所用的探頭使用時是套在手指上的，如圖所示。

5.3脈搏血氧儀的硬件結構5.3.1總體設計方案與系統(tǒng)構成

血氧儀測量過程設計為全自動測量，開機后測量自動進行，因此脈搏血氧儀的輸入設備包括一個電源按鍵，同時也是啟動測量按鍵，輸出部分包括一個數(shù)據(jù)顯示裝置。電源關閉采用軟件關斷方式。系統(tǒng)主要分為驅動和檢測兩大部分。總體設計方案圖2-4脈搏血氧儀的組成模塊傳統(tǒng)儀器結構

總體設計方案圖2-5脈搏血氧飽和度檢測典型電路結構框圖總體設計方案采用現(xiàn)代微處理器和集成電路技術來簡化硬件電路結構如圖圖5-6光頻轉換測量系統(tǒng)總體結構圖5.3.2光源及其驅動電路的設計圖5-7使用邏輯門實現(xiàn)軟開關5.3.2光源及其驅動電路的設計光電元件選擇的首要問題是波長，發(fā)光管和接收管的選擇都需要對所選波長有好的頻率響應。對于發(fā)光管來說，需要注意的發(fā)光強度、所需的驅動電流和管壓降，其中驅動電流是設計驅動電路的首要因素。發(fā)光管的帶寬很窄，選擇時要注意應盡量使峰值波長與所需波長一致，否則會因為頻率響應的迅速下降降低光電轉換效率，從而引起較大功耗。光電接收管都有一個較寬的平坦的頻率響應曲線，因此光電轉換效率和接收管的噪聲水平是較重要的考慮因素，光電管的等效噪聲功率是光電測量精度的重要影響因素，噪聲越低，測量能達到的精度越高。為了消除環(huán)境光干擾必須在系統(tǒng)設計中采用光調(diào)制技術，綜合系統(tǒng)的電路設計和價格等因素，在光源設計中選定波長為660nm和940nm的發(fā)光二極管LED，其性能足以滿足本系統(tǒng)的需要。雙波長發(fā)光二極管（紅光和紅外光LED）的驅動電路如圖圖5-8發(fā)光二極管驅動電路的設計5.3.3數(shù)據(jù)采集電路

通過放大電路和低通濾波電路即可實現(xiàn)脈搏信號的提取，如圖圖5-9交直流分量分離電路5.3.4顯示器模塊及其驅動電路設計

在血氧儀中選擇RSG13238096FH003彩色的OLED屏，點陣大小為128*96，最高支持262K色，支持8位、16位、18位數(shù)據(jù)輸入。內(nèi)含128*96*18bit靜態(tài)存儲器。我們采用8位數(shù)據(jù)輸入，其接法為典型接法。圖5-10單片機與OLED管腳連接圖圖5-11OLED驅動電路設計5.3.5外接存儲設備設計圖5-13外接存儲器設計5.4基于MSP430的主控系統(tǒng)設計5.4.1MSP430的特點MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅動下指令周期為125ns，這些特點保證了可編制出高效率的源程序。

MSP430單片機型號MSP430單片機家族型號繁多，TI公司用3或4位數(shù)字表示型號，其中第一位數(shù)字表示大系列。目前有4個大系列：帶有液晶驅動器的MSP430F4××系列單片機、不帶液晶驅動器的MSP430F1××系列單片機、16MIPS高速MSP430F2××系列單片機、一次性寫入（OPT）型低價MSP430C系列單片機。MSP430單片機型號在每個大系列中，又分若干子系列，單片機型號中的第二位數(shù)字表示子系列號，一般子系列號越大，所包含的功能模塊越多。最后1或2位數(shù)字表示存儲容量，數(shù)字越大表示RAM或ROM容量越大。MSP430單片機型號MSP430家族還有針對熱門應用而設計的一系列專用單片機，這些單片機都是在同型號的通用單片機上增加專用模塊而構成，如MSP430FG4××系列醫(yī)療儀器專用單片機在F4××系列上增加了可編程差動放大器。MSP430FG437內(nèi)部的DAC12周期性地輸出2路100Hz占空比1:4的脈沖,經(jīng)過電流放大的驅動電路驅動,交替點亮血氧探頭中的紅光和紅外光LED。探頭中光電接收器將接收信號送到單片機內(nèi)部的OA放大器進行放大,放大后的信號進入內(nèi)部A/D進行采樣。

5.4.2單片機需要完成的任務和設計過程圖5-14MSP430F437與外圍設備連接圖圖5-15紅光、近紅外光光源調(diào)制時序圖5.4.3系統(tǒng)軟件設計1主程序（1）探頭脫落檢測的方法（2）考慮到實時性的要求，對運動偽差干擾的處理采用閾值判別法。（3）容積脈搏波檢出采用5點差分來識別脈搏波上升支。（4）采用近似法中的峰值法來計算氧飽和度，然后查定標曲線確定氧飽和度。圖5-16主程序流程圖2定時中斷服務程序圖5-17中斷服務程序流程圖5.5低功耗電源設計5.5.1電源芯片技術現(xiàn)狀不同的電源管理方式可以通過相應的電源芯片，結合極少的外圍元件，就能夠實現(xiàn)?？梢姡褂秒娫垂芾硇酒翘岣哒麢C性能的必不可少的手段。5.5.2鋰電池充電管理設計圖5-18電源管理模塊框圖圖5-19電池充電管理電路設計5.6血氧儀校正方法5