本發(fā)明涉及的是一種醫(yī)療儀器技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的血氧飽和度監(jiān)測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
人體新陳代謝所需要的氧，是通過與血液中的血紅蛋白(Hb)結(jié)合成氧合血紅蛋白(HbO2)后被運(yùn)輸?shù)讲煌M織細(xì)胞中去。血氧飽和度(SaO2)則表示了血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白(HbO2)占全部可結(jié)合的血紅蛋白(Hb)的百分比，即血液中血氧的濃度。因此監(jiān)測(cè)SaO2對(duì)了解呼吸系統(tǒng)，循環(huán)系統(tǒng)狀況以及預(yù)防組織缺氧等有重要作用。
目前，已有的血氧監(jiān)測(cè)裝置都是依據(jù)Lambert-beer原理和光電技術(shù)，首先通過光電技術(shù)得到紅光以及紅外光下的光電容積脈搏波(photoplethysmography,PPG)，之后基于Lambert-beer原理比較計(jì)算兩個(gè)PPG信號(hào)得到血氧飽和度值。該裝置技術(shù)較成熟，已在手術(shù)，臨床監(jiān)護(hù)中得到廣泛的應(yīng)用。然而這些監(jiān)測(cè)都需要受試者保持安靜狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)是影響信號(hào)監(jiān)測(cè)的最主要原因。
經(jīng)過現(xiàn)有的技術(shù)檢索發(fā)現(xiàn)，中國申請(qǐng)?zhí)枮椋?00510121269.6，名稱為：能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量方法及其裝置，該技術(shù)提供了一個(gè)能實(shí)現(xiàn)消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量裝置。該裝置包括：血氧探頭組件，信號(hào)放大處理組件，A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)數(shù)據(jù)處理組件，邏輯控制模塊和電源電路，其中探頭組件包含：紅光，紅外光源，驅(qū)動(dòng)電路和受光管；信號(hào)放大處理組件包含：差分放大電路和信號(hào)處理電路；邏輯控制及功能模塊包含：安全功能和通信功能，單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊組件包含了運(yùn)動(dòng)干擾模塊，運(yùn)動(dòng)干擾模塊包括：脈搏波參數(shù)計(jì)算，微分處理模塊，中值濾波模塊和面積積分遞歸模塊。該運(yùn)功干擾模塊的輸出端分別連接A/D轉(zhuǎn)換和邏輯控制以及功能模塊。但是該技術(shù)不包含監(jiān)測(cè)受試者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置，在不知道受試者實(shí)際運(yùn)動(dòng)信號(hào)的情況下依靠大量計(jì)算去除運(yùn)動(dòng)噪聲，因此裝置的運(yùn)算量過大，而且只對(duì)部分特征明顯的信號(hào)有效。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的血氧飽和度監(jiān)測(cè)裝置，基于運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器的輸出信號(hào)消除運(yùn)動(dòng)噪聲，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的血氧飽和度監(jiān)測(cè)，具有監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確且體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的血氧飽和度監(jiān)測(cè)裝置，包括：PPG信號(hào)生成模塊、運(yùn)動(dòng)信號(hào)生成模塊、信號(hào)處理模塊、通信模塊和人機(jī)交互模塊，其中：PPG信號(hào)生成模塊與信號(hào)處理模塊相連傳輸紅光和紅外光下的PPG信號(hào)，運(yùn)動(dòng)信號(hào)生成模塊與信號(hào)處理模塊相連傳輸人體組織在空間三個(gè)相互垂直方向上的加速度大小，通信模塊與信號(hào)處理模塊相連傳輸血氧信號(hào)和心率信息，人機(jī)交互模塊與信號(hào)處理模塊相連傳輸控制信號(hào)和顯示結(jié)果信息。
上述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的血氧飽和度監(jiān)測(cè)裝置，其中，所述的PPG信號(hào)生成模塊包括：一個(gè)紅外二極管、一個(gè)近紅外二極管和一個(gè)光電二極管，紅外二極管與近紅外二極管反向并聯(lián)，紅外二極管和近紅外二極管都與信號(hào)處理模塊相連，光電二極管與信號(hào)處理模塊相連。
上述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的血氧飽和度監(jiān)測(cè)裝置，其中，所述的運(yùn)動(dòng)信號(hào)生成模塊是加速度傳感器。
上述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的血氧飽和度監(jiān)測(cè)裝置，其中，所述的信號(hào)處理模塊包括：微處理器、光電驅(qū)動(dòng)電路、放大濾波電路、電源電路和存儲(chǔ)器件，光電驅(qū)動(dòng)電路與PPG信號(hào)生成模塊相連傳輸控制發(fā)光的電流信號(hào)，光電驅(qū)動(dòng)電路與微處理器相連傳輸驅(qū)動(dòng)信號(hào)，放大濾波電路與PPG信號(hào)生成模塊相連傳輸PPG信號(hào)，微處理器與放大濾波電路相連傳輸放大濾波信號(hào)，微處理器與運(yùn)動(dòng)信號(hào)生成模塊相連傳輸三個(gè)方向的加速度信號(hào)，微處理器與存儲(chǔ)器件相連傳輸血氧信號(hào)和心率信息，微處理器與電源電路相連傳輸電源信息，微處理器與通信模塊相連傳輸血氧信號(hào)和心率信息，微處理器與人機(jī)交互模塊相連傳輸控制信號(hào)和顯示結(jié)果信息。
上述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的血氧飽和度監(jiān)測(cè)裝置，其中，所述的微處理器上設(shè)置有模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
上述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的血氧飽和度監(jiān)測(cè)裝置，其中，所述的通信模塊包括：有線通信子模塊和無線通信子模塊，有線通信子模塊和無線通信子模塊都與信號(hào)處理模塊相連傳輸血氧和心率信息。
上述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的血氧飽和度監(jiān)測(cè)裝置，其中，所述的有線通信子模塊包括：光電隔離器件和RS232串口，光電隔離器件和信號(hào)處理模塊相連傳輸血氧和心率信息，光電隔離器件和RS232串口相連傳輸血氧和心率信息。
上述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的血氧飽和度監(jiān)測(cè)裝置，其中，所述的無線通信子模塊是基于ZIGBEE協(xié)議的無線射頻發(fā)射模塊，其與信號(hào)處理模塊相連無線傳輸血氧和心率信號(hào)。
上述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的血氧飽和度監(jiān)測(cè)裝置，其中，所述的人機(jī)交互模塊包括：按鍵和點(diǎn)陣液晶，按鍵與信號(hào)處理模塊相連傳輸控制信息，點(diǎn)陣液晶與信號(hào)處理模塊相連顯示血氧和心率結(jié)果。
本發(fā)明的工作過程是：微處理器控制光電驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通生成反相放大的電流；紅外二極管和近紅外二極管在反相電流的作用下交替發(fā)光；光電二極管接收穿透組織的光線，將電流傳遞給放大濾波電路；放大濾波電路將預(yù)處理后的PPG模擬信號(hào)傳給微處理器；微處理器接收PPG模擬信號(hào)將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行PPG數(shù)字信號(hào)處理；微處理器接收運(yùn)動(dòng)信號(hào)生成模塊的加速度信號(hào)，并進(jìn)行加速度信號(hào)處理；微處理器基于加速度信號(hào)恢復(fù)被運(yùn)動(dòng)噪聲淹沒的PPG信號(hào)，并計(jì)算血氧和心率結(jié)果；微處理器將處理結(jié)果發(fā)送給有線通信子模塊，并通過RS232串口發(fā)送給上位機(jī)；微處理器將處理結(jié)果發(fā)送給無線通信子模塊進(jìn)而傳輸給其它接收系統(tǒng)；微處理器將結(jié)果發(fā)送給顯示模塊，通過點(diǎn)陣液晶顯示實(shí)時(shí)血氧和心率。按鍵與微處理器相連供使用者選擇系統(tǒng)工作模式。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：能有效抑制運(yùn)動(dòng)噪聲，實(shí)現(xiàn)非特殊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的血氧信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：利用加速度傳感器芯片生成運(yùn)動(dòng)信號(hào)，量化了原本未知的運(yùn)動(dòng)噪聲，從而有效控制PPG模擬信號(hào)的采集以及PPG數(shù)字信號(hào)的降噪處理，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下血氧信息監(jiān)測(cè)；除此之外，本發(fā)明基于ZIGBEE協(xié)議的無線傳輸可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)血氧，心率信息的高速，低功耗的雙向傳輸。因此本發(fā)明不僅可提高血氧監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度，同樣適用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下血氧信號(hào)的監(jiān)測(cè)，擴(kuò)大該類裝置的使用范圍，而且還具有體積小，質(zhì)量輕等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)血氧變換。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的組成示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做詳細(xì)說明。
如圖1所示，本發(fā)明運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的血氧飽和度監(jiān)測(cè)裝置包括：PPG信號(hào)生成模塊、運(yùn)動(dòng)信號(hào)生成模塊、信號(hào)處理模塊、通信模塊和人機(jī)交互模塊，其中：PPG信號(hào)生成模塊與信號(hào)處理模塊相連傳輸紅光和紅外光下的PPG信號(hào)，運(yùn)動(dòng)信號(hào)生成模塊通過SPI口與信號(hào)處理模塊相連傳輸人體組織在空間三個(gè)相互垂直方向上的加速度大小，通信模塊與信號(hào)處理模塊相連傳輸血氧信息和心率信息，人機(jī)交互模塊與信號(hào)處理模塊相連傳輸控制信息以及監(jiān)測(cè)結(jié)果。
所述的PPG信號(hào)生成模塊包括：840nm發(fā)光二極管、960nm發(fā)光二極管和光電二極管，其中：840nm發(fā)光二極管和960nm發(fā)光二極管反向并聯(lián)，840nm發(fā)光二極管與信號(hào)處理模塊相連，960nm發(fā)光二極管與信號(hào)處理模塊相連，840nm發(fā)光二極管與960nm發(fā)光二極管交替發(fā)光，光電二極管與信號(hào)處理模塊相連傳輸包含血氧信息的電流信號(hào)。
所述的運(yùn)動(dòng)信號(hào)生成模塊是加速度傳感器，本實(shí)施例采用的加速度傳感器的型號(hào)為MMA7260QT，其與信號(hào)處理模塊相連傳輸X,Y,Z三個(gè)軸方向的運(yùn)動(dòng)加速度信息。
所述的信號(hào)處理模塊包括：微處理器、光電驅(qū)動(dòng)電路、放大濾波電路、電源電路和存儲(chǔ)卡，其中：光電驅(qū)動(dòng)電路與PPG信號(hào)生成模塊相連傳輸控制發(fā)光的電流信號(hào)，光電驅(qū)動(dòng)電路與微處理器相連傳輸驅(qū)動(dòng)信號(hào)，放大濾波電路與PPG信號(hào)生成模塊相連傳輸PPG信號(hào)，微處理器與放大濾波電路相連，微處理器與運(yùn)動(dòng)信號(hào)生成模塊相連傳輸三個(gè)方向的加速度信號(hào)，微處理器與存儲(chǔ)卡相連傳輸血氧信號(hào)和心率信息，微處理器與電源電路相連傳輸電源信息，微處理器與通信模塊相連傳輸血氧信號(hào)和心率信息，微處理器與人機(jī)交互模塊相連傳輸控制信號(hào)和顯示結(jié)果信息。
本實(shí)施例中所述的微處理器是美國TI公司的超低功耗微處理器MSP430FG439，其內(nèi)置有模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該芯片除了體積小，功耗低之外，芯片內(nèi)含有豐富的外部資源，本實(shí)施例使用其中的兩個(gè)運(yùn)算放大器OA，12位模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC，兩個(gè)定時(shí)器TIMER，基于該微處理器的片內(nèi)資源不僅簡化電路設(shè)計(jì)，縮小電路體積，而且避免外部電磁干擾，提高系統(tǒng)性能。
所述的通信模塊包括：有線通信子模塊和無線通信子模塊，其中：有線通信子模塊和無線通信子模塊都與信號(hào)處理模塊相連傳輸血氧和心率信息。
所述的有線通信子模塊包括：光電隔離器件和RS232串口，其中：光電隔離器件和信號(hào)處理模塊相連傳輸血氧和心率信息，光電隔離器件和RS232串口相連傳輸血氧和心率信息。
所述的無線通信子模塊是基于ZIGBEE協(xié)議的無線射頻發(fā)射模塊，其與信號(hào)處理模塊相連無線傳輸血氧和心率信號(hào)，本實(shí)施例選用美國TI公司的低功耗芯片CC2500。
所述的人機(jī)交互模塊包括：按鍵和128*64的點(diǎn)陣液晶，其中：按鍵與信號(hào)處理模塊相連傳輸控制信息，點(diǎn)陣液晶與信號(hào)處理模塊相連顯示血氧和心率結(jié)果。
本實(shí)施例的工作過程是：
1、開機(jī)自檢：系統(tǒng)上電后，自動(dòng)完成對(duì)微處理器的初始化，加速度芯片的初始化，以及其他模塊正常工作的檢查，確保系統(tǒng)正常工作。
2、PPG信號(hào)的產(chǎn)生：在微處理器的控制下，PPG信號(hào)生成模塊生成PPG信號(hào)，運(yùn)動(dòng)信號(hào)生成模塊生成傳輸人體組織在空間三個(gè)相互垂直方向上的加速度大小。
3、PPG信號(hào)的放大濾波：在運(yùn)動(dòng)狀況下，有效信號(hào)可能被過大的運(yùn)動(dòng)信號(hào)淹沒或漂移嚴(yán)重以至于溢出量程等情況，本實(shí)施例用監(jiān)測(cè)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)矯正原始信號(hào)放大，使PPG信號(hào)有效放大，運(yùn)動(dòng)信號(hào)被抑制，放大后的信號(hào)經(jīng)過濾波去除其它頻率成分。
4、PPG信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換：通過微處理器內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)用于后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理。
5、分離噪聲：PPG信號(hào)在經(jīng)過矯正放大，濾波后依然含有部分時(shí)域頻域特性重疊的噪聲信號(hào)，本實(shí)施例通過自適應(yīng)濾波的方法，基于PPG和加速度信號(hào)進(jìn)一步分離出噪聲，得到理想的PPG信號(hào)。
6、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：系統(tǒng)將PPG信號(hào)保存至內(nèi)置的存儲(chǔ)卡上。
7、生理參數(shù)顯示和傳輸：基于加速度和PPG信號(hào)，系統(tǒng)可得到關(guān)于監(jiān)護(hù)者的步態(tài)，心率和血氧飽和度等參數(shù)，通過點(diǎn)陣液晶顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果，并通過通信模塊進(jìn)行傳輸。
本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是：MMA7260QT加速度傳感器芯片可將空間運(yùn)動(dòng)表示為三個(gè)相互垂直方向加速度的大小，并用相應(yīng)的電壓值大小表示出來，通過SPI方式傳遞給微處理器。微處理器基于這些信號(hào)可調(diào)整PPG信號(hào)的放大過程，并通過自適應(yīng)濾波的方法去除PPG信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)噪聲；采用了超低功耗微處理器MSP430FG439，在CPU工作模式下每1MHz,電流是300μA，在CPU睡眠模式下最低電流0.1μA。除此之外，系統(tǒng)含有的豐富外設(shè)即簡化電路設(shè)計(jì)，縮小系統(tǒng)體積，又避免了外界的電磁干擾，提高系統(tǒng)性能；系統(tǒng)采用的低功耗無線射頻發(fā)射芯片CC2500，基于ZIGBEE協(xié)議可以高效的傳輸數(shù)據(jù)。
這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí)施例中，因此，本發(fā)明不受本實(shí)施例的限制，任何采用等效替換取得的技術(shù)方案均在本發(fā)明保護(hù)的范圍內(nèi)。