1、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
2、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
3、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_caculate64，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
4、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
5、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#define FIRST_STAGE_TARGET_HIGH 3000#define FIRST_STAGE_TARGET_LOW 2500#define FIRST_STAGE_TARGET_HIGH_FINE 3500#define FIRST_STAGE_TARGET_LOW_FINE 2000#define FIRST_STAGE_STEP 2#define FIRST_STAGE_FINE_STEP 12）全局变量/
6、脉搏血氧信号，存储脉搏血氧几个处理方法后的值int32_t ir_heart_signal;/红外光，OA1输出经过平均滤波后，等待数字去直流int32_t vs_heart_signal;/ 红光，OA1输出经过平均滤波后，等待数字去直流int32_t ir_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_t vs_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_t sum_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_t sum
7、_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int group_wave512;/用于显示，循环队列，存储几个周期内的ir_heart_signal_ac信号int offset_wave = 0;/循环队列队列头int flag_initial = 1;/初始化标志位int sample_count = 0;/采样计数，每个周期清空，重新计数int num_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1int flag_jump = 0;/脉搏波周期判断，是否处于离开波谷的状态int sa
8、mple_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int group_caculate64;/用于脉搏周期判断的循环队列，存储64 个ir_heart_signal_ac信号int offset_caculate = 0;/队列头位置int min;/队列中最小值int location_min;/最小值位置int location_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unsigned int heart_rate = 6000;/脉率
9、最终测量结果，初始值为60.00unsigned int group_heart_rate8;/最近8秒内的脉率，循环队列，初始化为6000int offset_heart_rate=0;/队列头unsigned int sample_heart_rate;/脉率当前原始结果，经过一定调整后进入group_heart_rate8int32_t sum_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unsigned int SpO2 = 9500;/血氧饱和度最终测量结果，初始值为95.00unsigned int group_SpO28; /最
10、近8秒内的血氧饱和度，循环队列，初始化为9500int offset_SpO2=0;/队列头int32_t sum_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int fresh=0; /调试使用，无意义/反馈控幅和OA1参考电压的参数int led_tab=0; /控制开启红光还是红外光，每次中断切换状态int ir_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int vs_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int ir_dc_offset = 4095;/
11、ir灯直流参考电压，开启红外LED时，控制OA1正向输入端int vs_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int ir_dc_offset_second = 0;/数字去直流时的直流跟随量int vs_dc_offset_second = 0; /数字去直流时的直流跟随量/运放输出的输出int ir_sample;/ir灯，OA0的输出，根据该输出改变ir_LED_levelint vs_sample;/vs灯，OA0的输出，根据该输出改变vs_LED_level3）子函数unsigned long isqrt32(registe
12、r unsigned long h);/开方运算int16_t ir_filter_test(int16_t sample);/平均滤波器_红外int16_t vs_filter_test(int16_t sample);/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_rate8初始化为6000，sum_heart_rate 初始化为48000，group_SpO28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90
13、0。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
14、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
15、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 |= E
16、NC; for(m=1;m=FIRST_STAGE_TARGET_HIGH|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
17、_level -= FIRST_STAGE_STEP; else vs_LED_level -= FIRST_STAGE_FINE_STEP; if (vs_LED_level = 4095) if (vs_dc_offset 0) vs_dc_offset-; else if (i 100) if (vs_dc_offset 7);/数字直流跟随 vs_heart_signal_ac = vs_heart_signal - vs_dc_offset_second;/去直流 group_waveoffset_wave = ir_heart_signal_ac+4000; /加4000保证脉搏波
18、信号为正 offset_wave = (offset_wave + 1) & 0x1ff; /循环队列更新，用于显示 group_caculateoffset_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)
19、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_t x = isqrt32(sum_vs_heart_signal_ac);/平方和开方 int32_t y = isqrt32(sum_ir_heart_signal_ac);/平方和开方 int32_t w = 100 * x / y;/平均功率之比R100 sum_SpO2 -= group_SpO2offset_SpO2;/8秒内血氧饱和
20、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110-25R，R为平均功率之比 group_SpO2offset_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_SpO2offset_SpO2(group_SpO2(offset_SpO2-1)&0x07+300) group_SpO2offset_SpO2 = group_SpO2(offset_SpO2-1)&0x07+300; else if(group_SpO2offset_SpO210000) group_SpO2offset_Sp
21、O2 = 10000; else if(group_SpO2offset_SpO28500) group_SpO2offset_SpO2 = 8500; else sum_SpO2 += group_SpO2offset_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 samp
22、le_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_rate18000)/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_rateoffset_heart_rate; /循环队列更新，得到当前脉率 group_heart_rateoffset_heart_rate = sample_heart_rate;/8秒内脉率之和加上当前值 sum_heart_
23、rate += group_heart_rateoffset_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_0C
24、TL |= 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= FIRST_STAGE_TARGET_HIGH | ir_sample = FIRST_STAGE_TARGET_HIGH) if (ir_sample = FIRST_STAGE_TARGET_HIGH_FINE) ir_LED_level
25、 += 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 = 4095) if (ir_dc_offset 0) ir_dc_offset-;
26、else if (i 100) if (ir_dc_offset 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_caculate0; location_min = 0; for(int i=1;i64;i+) if(mingroup_caculatei) min = group_caculatei; location_min = i
