基于CC2530和NJL5501R的一种新型反射式血氧模块的设计*

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基于CC2530和NJL5501R的一种新型反射式血氧模块的设计*

孔德友①马继鹏①*石常远①

目的：基于新型传感器开发一种反射式可无线传输的血氧监测模块，作为可穿戴设备的终端监测节点。方法：利用朗伯比尔定律对血氧算法进行数学分析，在硬件上设计终端的原理图，并对传感器NJL5501R驱动电路、跨阻放大器以及滤波电路进行分析设计；在软件上描述软件流程和算法实现，以福禄克INDEX2XLF模拟血氧饱和度确定Q值，产生Q值和血氧的对应图。结果：血氧监测模块实现了血氧数据的采集和无线传输，实测血氧数值与使用迈瑞iPM10型患者监护仪测量当前血氧值进行对比分析，其误差＜2%。结论：反射式血氧监测模块可实现预期功能，但在抗运动干扰、小型化设计以及低功耗上仍有提升空间，尚需进一步研究。

反射式；血氧模块；无线传输

[First-author’s address] Department of Medical Equipment, The Affiliated Hospital of Jining Medical University, Jining 272000, China.

透射式血氧饱和度仪目前已在临床上广泛应用，但透射式传感器需夹在患者的手指上，且舒适度低、有线接口容易损坏，不便于中心监控[1]。基于此，本研究设计研制一款基于反射式传感器NJL5501R和CC2530的血氧模块，实现对血氧饱和度的准确测量和对数据的集中采集。该模块具有体积小、功耗低以及贴在人体表面使用的特点，模块作为无线传感网络中的终端节点通过Zigbee网络传输到中心网络节点，中心网络节点打包数据后上传至中心监护平台[2]。

1 新型反射式血氧模块设计原理

1.1朗伯比尔定律

单色光照射到介质表面，通过一定厚度的介质后，介质吸收一部分光能，透射光的强度减弱。光强度的减弱程度与介质浓度和厚度成正比，反射光同样遵循朗伯比尔定律，而人体组织是一复杂的光学介质，可分为三部分：①静态的介质，如人体的组织，静脉血等；②含氧血红蛋白；③脱氧血红蛋白。而含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白是动态的，故也可分为两部分，即静态吸光度和动态吸光度。如在均匀介质中，当动脉血管波动时，根据吸光度的加合性，总的吸光度为公式1[3]：

式中I0为入射光强度，I为透射光强度；d为固定的光程；Δd为血管收缩扩张时的变化光程；ξs为静态组织的光吸收系数；Cs为静态组织的浓度；ξHbO2，CHbO2为含氧血红蛋白的光吸收系数和含氧血红蛋白的浓度；ξHb和CHb分别为脱氧血红蛋白的光吸收系数和脱氧血红蛋白的浓度[2]。

脉动吸光率为公式2：

红光波长=660 nm，红外光波长=990 nm。对红光，红外光的吸光率变化的计算为公式3：

血氧值为人体动脉血内含氧血红蛋白浓度与总血红蛋白浓度的比值，带入公式(3)可得到公式4：

血液中脱氧血红蛋白和含氧血红蛋白在红光、红外光(600～1000 nm)有独特的吸收光谱，在红外光照射时，两者的吸光系数基本相等，故上式仍可继续简化，但在实际应用中人体是一个复杂的光学介质，血氧值并不一定与Q值成线性比列关系和二次函数关系，一般要根据实验制定Q值和血氧值的数据对应表，取得Q值后再通过查表法获取血氧值[4]。

1.2 Zigbee技术

Zigbee技术是一种无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗以及低传输速率，适合远程低速率数据的传输。如图1所示，血氧模块采集的数据通过Zigbee网络传输至中心网络节点，中心网络节点再通过串口将数据传输给电脑工作平台，从而实现数据的集中采集[5-9]。

图1 血氧模块Zigbee网络图

2 新型反射式血氧模块硬件设计

反射式光电传感器NJL5501R为NEWJRC公司推出的专业采集血氧和心率信号的新型传感器，内部集成了红光及红外光液晶显示器(LED)和高灵敏度的检测器，与普通的光电传感器相比，其灵敏度较高，负责把光信号转换为电流信号，其硬件设计如图2所示[10]。

图2 血氧模块结构图

CC2530为内嵌Zigbee协议的增强型8051内核单片机，在系统中起控制和信号采集处理的作用[11]。内嵌操作系统在协议栈的应用层进行开发，芯片可编程输出功率高达4.5 dBm，低功耗有5种模式，可在不同环境下选择不同的低功耗模式，具有5通道DMA，8路ADC等外设功能[12]。

跨阻放大器用运放AD8605，负责将微弱电流变化转化为电压变化[13]。前置放大器对电压信号进行初级放大，采用AD8605型号的芯片，放大倍数通过数字变阻器AD5160实现动态可调节[14]。滤波器对高频和低频干扰信号进行滤除，由低通滤波电路、50 Hz限波电路以及高通滤波电路组成[15]。

可调增益放大器采用数字可调电阻AD5160和AD8605组成具有64级放大可调。由于测试位置和测试个体的差异性，信号强度会有很大变化，ADC2采集的信号强度通过控制DAC1反馈调节LED的亮度，放大器的倍数以及偏置电压的幅度，使得采集的信号始终在ADC1的合理量程内[16-18]。

驱动桥电路负责驱动光电传感器的红光或红外光LED[17]。锂电池及充电电路中，锂电池采用18650型号，具有限流保护功能。天线采用PCB天线，负责发射和接受无线信号。

2.1血氧传感器及驱动电路

NJL5501R交替发射红光及红外光到介质处，其红光峰值波长为(660±3) nm，红外光为(940±10) nm，由于光敏三极管的存在，典型红光照射时电流输出能达到1000～4300μA，典型红外光照射时电流输出为145～580μA，与光电二极管相比具有较高的灵敏度[10](如图3所示)。

图3 NJL5501R原理图

LED_SWITCH_CONTROL为CC2530通过定时器输出的方波控制信号，该控制信号频率为1 kHz，通过控制开关芯片ADG779使得红光及红外光LED交替发光。OP281处于深度负反馈，通过DAC_LED_ DRIVER_CONTROL的电位，来精确控制流过2个发光二极管的电流[17](如图4所示)。其计算为公式5：

图4 传感器驱动电路图

2.2跨阻放大器与滤波电路

跨阻放大器，采用运放AD8605，输入偏置电压＜65 μV，输入偏置电流＜1 pA，开环增益高达1000 V/mV，是一款低噪声、低功耗、高精度以及轨对轨单端供电运算放大器，非常适合搭建跨阻放大电路[13]。跨阻放大器将流过光敏三极管的电流变化转化为电压变化[5](如图5所示)；其输出电压如公式6：

图5 跨阻放大器电路图

滤波电路，分别由低通滤波电路、50 Hz限波电路以及高通滤波电路组成[15](如图6所示)。

图6 滤波电路图

二阶高通滤波电路截止频率在685.25 mHz处，有源带阻滤波器在50 Hz处的衰减为-45.846 dB，满足对低频血氧信号的滤波需求。通过Mulitisim软件进行仿真，其波特图如图7、图8所示。

图7 二阶高通滤波电路波特图

图8 50 Hz陷波器波特图

3 新型反射式血氧模块软件设计流程与算法

血氧模块程序流程如图9所示。终端初始化后，加入Zigbee网络，入网成功后，进入循环状态，定时采集血氧值并发送[3]。其算法如图10所示，打开ADC采集通道，设定采样率为512 Hz，采集1024个数据，在实际测量中的Q值为公式7：

图9血氧模块程序流程图

图10血氧算法流程图

交流电压值为3个周期信号中幅度信号的最大值和最小值之差。在模拟前端交流信号进行了放大，公式中的交流信号为实测输出幅度信号除以对交流信号的放大倍数，包括可调增益放大倍数和前端放大倍数；直流电压值为3个周期信号所有数据的求和平均。

血氧值正比于Q值，但不一定与Q值成线性关系，只能通过实验制定经验数据表格。以福禄克INDEX2XLF模拟血氧饱和度为85%～100%的数据供设备进行测试，得到实验机Q值对应的血氧饱和度经验曲线图[13]，如图11所示。sample_count为3个信号周期内的采样点数，其心律的计算为公式8[14-15]：

HR=512×60÷3/sample_count (8)

图11 Q值与血氧值对应关系图

4 结论

本研究论述了一种基于CC2530和NJL5501R的新型反射式血氧模块的软硬件设计，并取得了较好的实验成果，与迈瑞IPM10机器进行对比，误差率为2%[16-18]。但是在实际应用中，仍然存在着许多问题：①模块的抗运动干扰能力有待加强，算法过于简单；②Zigbee协议是2.4 G的无线波，穿透能力弱，难以在复杂环境中布网，只在空旷环境如监护室的效果较好；③待机时间有待加长，可进一步加强低功耗设计，或选择能力密度更高的电池。为此，在后续的研究工作中加强对上述问题的研究，尽早解决工程问题。

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A design of new reflection-type blood oxygen module based on CC2530 and NJL5501R/

KONG De-you, MA Ji-peng, SHI Chang-yuan//China Medical Equipment,2017,14(1):8-11.

Objective: To develop a reflection-type blood oxygen monitor module can transmit message by a new wireless sensor and be used as a terminal monitoring node in wearable devices. Methods: The blood oxygen algorithm is mathematically analyzed by Lambert Beer law; the terminal schematic diagram of hardware, drive circuit, transimpedance amplifier and filter circuit of sensor NJL5501R are analyzed and designed to use in the module; the software process and algorithm implementation is described by special software; the Fluke INDEX2XLF is used to simulate blood oxygen saturation and determine the Q value and then to establish relevant relationship between blood oxygen saturation and Q value. Results: The module can collect blood oxygen data and transmit them by wireless method. And detection result error was less than 2% when this module was compared with the MINDRAY IPM10. Conclusion: The module achieves the expected effect although it still need be improved in some aspects, such as anti movement interference, miniaturization design and low power consumption.

Reflection-type; Blood oxygen module; Wireless transmission

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.01.003

1672-8270(2017)01-0008-04

R197.324

A

2016-03-16

济宁医学院附属医院科研苗圃项目(MP-2014-028)“基于GPRS和被动RFID的医疗设备管理终端的研究与设计”

①济宁医学院附属医院医学装备处 山东 济宁 272000

*通讯作者：573908266@qq.com

孔德友,男,(1971- ),本科学历，高级工程师。济宁医学院附属医院医学装备处，从事设备论证、维修以及科研教学管理工作。