基于MSP430F149和nRF905的 无线血氧指夹的设计

0 引言
    血氧饱和度可以反映病人的呼吸功能，并在一定程度上反映动脉血氧的变化，故在临床监护和家庭监护中都具有重要意义。用常规多参数监护仪监护血氧饱和度时，通常用一个血氧指夹夹在手指端或者脚趾端来采集光电脉搏波信号，并通过一条线缆将信号传到监护设备进行处理和计算。由于线缆的影响，病人往往不便翻身，而且线缆容易脱落，造成测量结果错误，严重危害病人的及时抢救。单模块的血氧饱和度测量设备虽然便于携带，但由于其功耗较高，采用电池供电限制了监护的持续时间：一般此类设备只能将监护信息存储在设备内部，而无法把监护信息及时发送出去，耽误病人的抢救时间。为此，本文提出了一种基于射频芯片nRF905和超低功耗单片机MSP430F149的血氧饱和度指夹的设计方法，旨在实现没有线缆，超长时间监护和及时发送监护信息等监护功能。

1 无创血氧饱和度测量原理
    血氧饱和度(SpO2)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。而功能性氧饱和度(SaO2)为HbO2浓度与HbO2+Hb浓度之比。因此，监护中常用SaO2来估计SpO2的水平。SaO2的理论计算公式如下：
   
    其测量方法一般以朗博一比尔定理为基础，利用血液中不同成分的吸光率的不同，采用红光和红外光分别照射组织，并通过测量透射光的强度来计算血氧饱和度的值。其公式如下：
   
    式中，△I'max为红外光的交流分量的最大值，I'max为红外光的直流分量的最大值，△Imax为红光交流分量的最大值，Imax为红光直流分量的最大值。本系统采用的是660 nm的红光和940 nm的红外光。

2 系统总体设计
    图1所示是本系统的总体结构框图。本无线血氧指夹以MSP430F149微控制器为主控芯片，用单片机的I／O接口来驱动发光二极管。系统采用迈瑞公司生产的手指端血氧指夹，指夹的输出量为电流信号，可用于反映透射光光强。该电流信号经过电流一电压转换、放大、滤波等信号调理后，可转换为脉搏波信号，最后由MSP430F149内置的12位ADC采样进入单片机进行处理，并通过计算得到血氧饱和度值，将该值打包后由单片机发送到nRF905模块，然后通过天线发送出去。

3 无创血氧指夹的硬件电路
3．1 信号采集和调理电路
    本系统的信号采集使用迈瑞公司生产的ND78108494手指端血氧指夹，该指夹内部有红光和红外光发光二极管各一个，采用反向对接的方式进行连接；另外有光敏二极管一个，可用以将光强转化为电流强度。
    信号调理电路包括电流一电压转换电路、放大电路、滤波电路和电压范围调整电路共4部分，输出是较为光滑的脉搏波信号。其中电流一电压转换和放大电路如图2所示，图3所示是其滤波和电压调整电路。

3．2 射频电路
    nRF905射频芯片是Nordic公司采用VLSIShoctBurst技术开发的产品，能够提供高速的数据传输而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理／时钟覆盖。通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内，nRF905可提供给微控制器一个SPI接口，其速率由微控制器自己设定的接口速度决定。通过SPI接口进行编程配置，可以实现很低的电流消耗。在发射功率为-10 dBm时，发射电流为11 mA，接收电流为12．5 mA，且进入POWERDOWN模式后，还将更加节电。
3．3 控制电路
    控制芯片选用Ti公司的超低功耗单片机MSP430系列中的MSP430F149，该型号的单片机具有功耗超低，可支持C语言开发等优点。同时具有非常强的处理能力，其速率最高可以达到2MIPS，且内部自带12位的ADC。是一款功能丰富，运算能力强大的单片机。图4所示是由MSP430F149构成的射频控制电路。

4 系统软件流程及测试结果
    图5给出了本系统的软件流程图。笔者用该方案的无线血氧指夹对成人进行了测试。受试者为一健康成年男性。实验从手指端采集脉搏波，事实上，经过信号调理电路处理后的脉搏波干扰较小，细节丢失较少，完全可以用于血氧饱和度的测量。

    将所采集的脉搏波经AD采样后送入单片机再通过一系列计算，最后系统返回的血氧饱和度的值为99％，该结果与采用迈瑞公司生产的PM－8000便携式监护仪测量的结果完全一致，说明本系统基本达到了预期要求。

5 结束语
    本文给出了一种基于MSP430F149和nRF905的无线血氧指夹的硬件电路和设计方法。该指夹能够实现无线监护功能，一方面，它能够克服连接线缆带来的诸多问题，另一方面，它也使得家庭监护和随身监护更有可能实现。由于本系统具有低功耗等优点，可在电池供电条件下实现超长时间的监护，因此，更容易发现偶发的病症。