基于京微雅格CAP系統的便攜式血氧儀解決方案

摘要：CAP系統是京微雅格將純硬件的MCU處理器與可編程邏輯器件的有機結合，即能提供高性能處理器（增 強型8051）又提供了靈活的邏輯資源，客戶可以在一個平臺上完成FPGA與MCU的結合，能夠節省系統電路板面積并減少系統的芯片數量。本文介紹了在京微雅格CAP系統上設計的便攜式血氧儀方案。

　　隨著便攜醫療電子產品市場迅速發展，脈搏血氧儀日益廣泛地被應用到病人多參數監護 領域，為臨床提供實時數據。脈搏血氧儀是根據還原血紅蛋白，氧合血紅蛋白在紅光和紅外光區域的吸收光譜特性，運用朗柏-比爾（Lambert-Beer） 定律建立數據處理經驗公式通過光電轉換獲取測量結果。

　　原理如下：D=In（Ii/Io）=kCd

　　其中，C為血液濃度，d為光透視血液經過路徑，K為血液光吸收系數，Ii為透射光強度，Io為發射光強度。

　　血液中的HbO2（氧合血紅蛋白）和Hb對不同波長的光吸收系數是不一樣的，在波長600~700納米的紅光（RED）區，Hb的吸收率遠比HbO2大，但在波長為800~1000納米的紅外光（IR）區，Hb的吸收率遠比HbO2的小，在805納米附近是等吸收點。

　　發光二極管工作時發出660紅光和940的紅外光，光電二極管檢測器透過手指的動脈血管的紅光和紅外光通過光電轉化成電信號，經過放大和濾波后，分別由模數轉換器（ADC）轉換成數字量。

　　血氧飽和度為SaO2=K1R’+K2R’+K3。其中，K1，K2，K3 是經驗常數值，而R’是在很小的時間間隔上，兩種光電信號的幅度變化量之比，即R’=△RED/△IR

　　血氧儀一般包括血氧飽和度檢測模塊，主控制器，血氧檢測探頭三個主要部分，典型結構如圖2。

圖1脈搏血氧儀夾指示意圖
　　
圖2血氧儀的電路構成

　　血氧檢測探頭光電二極管檢測器，能產生正比于透視到它上面的紅光和紅外強度的電流，但它不能區分這兩種光，可用一個定時電路來交替控制兩個LED的發光時序。

　　圖2所示脈搏血氧儀硬件電路以京微雅格M1（衡山）系列FPGA作為主控制器，整個硬件系統包括血氧檢測頭，LED橋式驅動電路，濾波放大電路，系統外部電路組成。

　　由M1引出的兩個驅動信號交替控制LED橋式驅動器三極管的開啟和關斷，并有定時器輸出兩路PWM脈寬調制信號驅動LED橋式電路，用于驅動探頭內的紅 光與紅外光LED 發光，并產生周期性光信號。探頭內的光電二極管檢測器采集含有血氧的光信號，經光電轉化產生電信號，濾波放大電路將得到的電信號進行低通濾波和信號放大。

　　FPGA對放大后的信號進行A/D轉換，其中一路A/D采樣值用于檢測LED橋式驅動信號的幅度，另外一路A/D用于系統計算血氧值信號。同時用于接口擴展鍵盤、LCD等。

　　CME系列FPGA含有增強型8051內核，具有200MHz的運算速度，豐富的外設，豐富的FPGA邏輯資源，物盡所用，真正意義上實現了SoC，是滿足用戶多樣化設計需求的最佳選擇方案。

　　參考文獻：

　　［1］ 劉波文，黎勝容.ARM嵌入式項目開發三位一體實戰精講［M］。北京： 北京航空航天大學出版社，2011