江苏大学附属医院 江苏镇江 212001
摘要：针对血氧饱和度在判断人体健康状况方面的重要作用，设计了一种基于NJL5501R芯片的反射式血氧饱和度测量系统，实现了对人体无创、实时的血氧饱和度测量。本系统采用STM32F103RCT6作为核心处理器，利用其内部资源实现了光电信号的驱动，使NJL5501R芯片开始工作，将人体的生理信号转换为电信号，此信号经信号调理后由单片机内部自带的12位ADC进行信号采样和处理，最终计算得出血氧饱和度。实验表明，本系统在低功耗、便携式的设计上以及对反射式血氧饱和度研究领域的研究具有一定的参考价值。
关键词：血氧饱和度；NJL5501R；反射式；无创检测
1 反射式血氧饱和度测量原理
反射式和透射式血氧饱和度测量的主要区别在于传感器安放位置的不同。透射式血氧饱和度测量中光检测器与光敏二极管安放在被检测部位的两侧，主要检测的是穿透组织透射过来的光，而反射式血氧饱和度测量中光检测器与光敏二极管均置于被检测部位的同一表面，主要检测的是在组织中反射回来的光。
光在生物组织中的传播规律可用传播理论的粒子描述。依据光的扩散传输理论，光子的传播行为可以用组织光学特性参数描述，这些特性参数定量的描述了组织的光学效应，如用吸收系数和散射系数来描述组织对入射光的吸收和散射能力的大小等。
2 系统总体设计
根据反射式血氧饱和度测量原理，系统的总体框图如图1所示，具体包括LED驱动模块、信号采集模块、信号调理模块、STM32主控制芯片、串口通信模块、电源管理模块以及液晶显示模块。其主要工作流程为：STM32单片机周期性的产生控制信号到LED驱动电路，驱动NJL5501R芯片中的红光LED和红外光LED交替发射红光和红外光，经过人体组织反射的光信号被NJL5501R芯片中的光电接收管接收并转换成一个电信号，然后送到信号调理模块，经前置放大电路放大和二阶butterworth滤波器滤波后送入单片机，由单片机自带的A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号，然后根据采集到的信号进行计算，得到血氧饱和度，并由液晶显示模块显示脉搏波及所测得的血氧饱和度值。
2.1 信号采集模块
本系统采用新日本无线为脉搏血氧仪开发的一款NJL5501R芯片，该芯片将红光（波长660nm）和红外光（940nm）两个LED和光电接收管集成在一个封装。其封装尺寸仅为1.9×2.6×0.8mm，其体积小，轻便的特点，特别适用于便携式血氧仪[8-9]等医疗设备。
2.2 LED驱动电路
本系统的驱动电路如图2所示，驱动电路由3个三极管构成。单片机的内部定时器交替产生两路PWM波，通过I/O口（PA6、PA7）控制驱动电路的选通，交替驱动NJL5501R芯片的两个发光管D1（红光LED）和D2（红外光LED）发光，光电接收管Q3接收组织反射回来的光并转换为一个电信号V1。由于该信号较弱并存在一定的干扰信号，因此由芯片6脚输出到信号调理电路，经调理后得到较为光滑的光电容积脉搏波。因为个体的差异，不同的人体对不同波长光的吸收情况也不同。为了保证测量精度，单片机根据采集到的脉搏血氧信号通过DAC实时调整D1和D2的驱动电流大小，从而达到控制发光管发射光强大小的目的。
2.3 信号调理电路
由于人体的脉搏血氧信号强度较弱，并且容易受到背景光和暗电流的干扰，所以采集到的脉搏血氧信号必须通过一定的信号调理，从而得到高质量的脉搏血氧信号。
2.3.1 前置放大电路
NJL5501R芯片内部光电接收管输出的信号V1强度较弱，因此经由前置放大电路放大。
该放大电路采用集成运放放大器
该放大电路为同相输入比例运算电路，U1B部分实现V1信号的放大，放大倍数为A=R3/R4。V1信号包含了红光和红外光的交流分量和直流分量。其中直流分量较强，交流分量较弱，而正是交流分量反映了组织内的脉搏信号。在放大器的负端加上一个跟随器U1A，跟随器的输入端连接单片机的DAC，在单片机的控制下跟踪滤波后的信号截取信号的直流成分作为U1B放大部分的反向输入信号。这样经过差分放大电路后就能将交流信号从V1信号中提取出来并进行了放大处理，而直流信号也被滤掉了。
2.3.2 滤波电
光电容积脉搏波V1经过前置放大后得到信号V2仍不是很理想，存在一定的干扰信号，为消除干扰信号，在电路中采用二阶butterworth低通滤波器予以滤除。人体脉搏信号属于低频弱信号，其频率主要集中在0.1Hz~10Hz，因此该滤波器的截止频率设置为30Hz，以滤除50Hz的工频干扰及其他高频干扰信号。
2.4 脉搏波信号
人体脉搏信号属于低频弱信号，又因为受生理状态、个体差异和传感器检测手段等因素的影响，所以脉搏波信号的形体上往往差异很大。与以往的脉搏血氧饱和度测量系统相比，基于NJL5501R的反射式血氧饱和度测量系统，极大的降低了环境光以及暗电流的干扰，获得了较好的光电容积脉搏波波形，为提高血氧饱和度的测量精度打下了坚实的基础。
3.结论
本文设计的基于NJL5501R芯片的反射式血氧饱和度测量系统，信号采集单元采用NJL5501R芯片，因为红光LED、红外光LED以及光电接收管封装在一个芯片中，大大简化了信号采集单元的电路，增加了系统的稳定性。并且整体装置体积小、轻便，可以佩戴在人体的额头、手腕等部位，实现运动状态下的血氧饱和度监测。实验结果表明，本系统测量所得的血氧值有较高的准确性，可以实现对人体进行无创、实时的血氧饱和度测量。
参考文献：
[1]廖国杰，张志强，高博，牟玲，魏蔚.反射式血氧饱和度检测方法的研究[J].光散射学报，2009，03：274-278.
[2]王哲.多波长反射式血氧饱和度测量仪的开发研究[D].燕山大学，2010.
作者简介：
王翔；年月：198409，籍贯：江苏镇江，单位：江苏大学附属医院，省市：江苏省镇江市，邮编212001，职称：工程师，研究方向：检测技术，
论文作者:王翔
论文发表刊物:《基层建设》2017年第10期
论文发表时间:2017/7/27
标签：信号论文; 饱和度论文; 脉搏论文; 电路论文; 测量论文; 芯片论文; 红光论文; 《基层建设》2017年第10期论文;