模块化设计在脉搏血氧监护仪中的应用
作者：王跃华 徐圣普 林淑娟 周炜
单位：中国医学科学院 中国协和医科大学 生物医学工程研究所 (300192)
关键词：模块化设计；脉搏血氧监护仪；单片计算机
中国医疗器械杂志990507 提要 介绍脉搏血氧监护仪的功能模块化设计思想，模块化功能板的硬件组成及其软件编程，指出模块化设计所具有的提高整机可靠性、方便整机功能升级换代等优点。
The Application of Modularity Design in the Pulse Oximeter
Wang Yuehua Xu Shengpu Lin Shujuan Zhou Wei
Institut of Biomedical Engineering, Chinese Academy of Medical Sciences and Peijing Union Medical College
, http://www.100md.com
ABSTRCT This paper presents a thought of modularity design and application in our pulse oximeter and its hardware and software composition of the function board, the application can improve the reliability of the instrument greatly and make it easy to expand its function.
KEY WORDS Design of modularity Pulse oximeter Single-chip microcomputer
脉搏血氧监护仪能实时、连续、无创伤检测人体动脉氧饱和度(SpO2)，在临床中得到了广泛应用。中国医学科学院生物医学工程研究所开发研制的脉搏血氧监护仪以其性能优良、质量可靠、使用简便获得用户好评。
, http://www.100md.com
作为监护仪，除了实时测量受试者的动脉血氧饱和度和脉率外，脉搏波形的实时显示、数据存储和处理、脉率趋势图显示、声光报警、键盘操作处理和打印功能等都是必不可少的。如此繁重的工作量若只由一片CPU承担，会造成软件编写十分复杂，考虑稍有不周程序就易出差错，查找起来十分困难；且各单元之间联系复杂，若想扩展整机功能，软件工作也是牵一发动全身，改编和调试工作量相当大。因此，为了提高整机的可靠性和工作效率，同时考虑到软件升级换代的方便，仪器采用了模块化设计。
1 整机的硬件组成
脉搏血氧监护仪的模块化设计采用双CPU，即每个模块用一片CPU，相互分工协作。血氧检测模块只负责血氧饱和度的检测计算，主机模块则负责数据的存储、数值和波形的实时显示、键盘的扫描及打印控制等工作。二模块之间通过串行口交换信息，其结构如图所示。
, http://www.100md.com
脉搏血氧监护仪结构方框图
血氧检测模块在CPU8031的控制下运行。由CPU控制光源驱动电路的发光时序脉冲，分时点亮红光和红外光发光管；光电池按时序将检测到的穿透指尖的透射光信号转换成电信号，从而排除背景光的干扰。为把微弱的脉搏信号从直流信号和干扰信号中分离出来，信号经前置放大器放大，再经分路开关、高、低滤波等电路将红光和红外光信号分开，同时把每种光信号的直流成分和交流成分分开。这几路信号经过A/D转换器ADC 0809转换成数字信号，然后送至CPU计算出测量结果并送到主机模块。
主机模块也选用8031CPU，接收到来自血氧检测模块的数据后，将SpO2和脉率值及脉搏波形通过CRT控制器6845显示在监视器上，并将数据存储在RAM62256中。同时，扫描键盘，判断是否有键按下：若有打印要求，则可完成实时后台打印，不影响继续实时显示数据和波形。
2 程序设计
, 百拇医药
脉搏血氧监护仪的控制和运算处理中心，选用了INTEL公司的8031单片机作为核心，价格低廉，性能完全满足要求。程序分为控制和运算两大部分。
2.1 血氧模块的软件设计
光源驱动脉冲是由8031 P1.6—P1.8脚来完成的，此脉冲也同时控制分路开关，使不同发光管的响应进入各自的通道。该时序脉冲要求稳定、可靠，是整机正常工作的基础。因此，设定CPU内部定时器0为最高级中断来产生所需脉冲并转换脉冲时序。同时，定时器1每10mS中断一次，以100Hz的频率控制0809采样脉搏波，当波形幅度不符合要求时，CPU启动自动增益控制电路调整波形大小。
脉搏血氧监护仪的软件设计关键在于其算法。首先，需用数字滤波技术对所采样的数据进行平滑处理，使噪声和杂波干扰的影响减到最小限度。采用了递推平均滤波法，在存储器中开辟一个区间作为暂存队列，长度固定为n，每进行一次新采样，将数据放入队尾，放弃队首的那个数据，然后进行算术平均，即：
, 百拇医药
式中Y(K)为第K次滤波后的输出值，X(k-i)为依次向前递推i次的采样值，n为递推平均项数。实际选用n＝8，波形得到很好的改善。
为了兼顾血氧检测的稳定性和反应的灵敏性，在对波形进行生理分析的基础上，提出了对脉搏波上升沿的若干个特征点进行逐点计算、加权平均的计算方法，即：
经过这样的处理，既保证了血氧值的稳定，又能及时反应血氧值的真实变化。
2.2 主机模块的软件设计
为使主机模块CPU与血氧模块的CPU之间的数据通讯尽量少占用时间，选用了串行通讯方式2，波特率为375KHz。主机呼叫从机，使从机产生串行中断，并在串口上输出SpO2和脉率以及波形和状态字4组数据，主机再将其存储、显示和打印，若有报警信息时，主机CPU会发出一脉冲给扬声器和CTT控制器，发出声光报警。键盘共有8个键，采用扫描方式，并采用状态标志位实现键的复用；显示画面为1024×256点阵，波形细致，数字清晰，并采用菜单对话框，提示操作者完成相应的功能设置。趋势图以每屏显示1小时内容的方式共可存储24页，实现24小时存储。打印机选用通用型接口，既可打印波形又可打印趋势图。
3 小结
实践证明，整机采用模块化设计，每个模块就是一个功能单元，具有相对独立性，充分发挥CPU控制、运算功能，由于模块间联系简单，大大提高了仪器的可靠性。此外，模块化设计方便了仪器的更新换代，可根据用户需要，扩展功能，或不同参数的配装组合。在脉搏血氧监护仪基础上增加心电、血压、呼吸、体温等功能模块，形成了系列多参数监护仪，而且这种模块化设计也方便了仪器的维修。
(参考文献略)
(1998年8月4日收稿), 百拇医药
单位：中国医学科学院 中国协和医科大学 生物医学工程研究所 (300192)
关键词：模块化设计；脉搏血氧监护仪；单片计算机
中国医疗器械杂志990507 提要 介绍脉搏血氧监护仪的功能模块化设计思想，模块化功能板的硬件组成及其软件编程，指出模块化设计所具有的提高整机可靠性、方便整机功能升级换代等优点。
The Application of Modularity Design in the Pulse Oximeter
Wang Yuehua Xu Shengpu Lin Shujuan Zhou Wei
Institut of Biomedical Engineering, Chinese Academy of Medical Sciences and Peijing Union Medical College
, http://www.100md.com
ABSTRCT This paper presents a thought of modularity design and application in our pulse oximeter and its hardware and software composition of the function board, the application can improve the reliability of the instrument greatly and make it easy to expand its function.
KEY WORDS Design of modularity Pulse oximeter Single-chip microcomputer
脉搏血氧监护仪能实时、连续、无创伤检测人体动脉氧饱和度(SpO2)，在临床中得到了广泛应用。中国医学科学院生物医学工程研究所开发研制的脉搏血氧监护仪以其性能优良、质量可靠、使用简便获得用户好评。
, http://www.100md.com
作为监护仪，除了实时测量受试者的动脉血氧饱和度和脉率外，脉搏波形的实时显示、数据存储和处理、脉率趋势图显示、声光报警、键盘操作处理和打印功能等都是必不可少的。如此繁重的工作量若只由一片CPU承担，会造成软件编写十分复杂，考虑稍有不周程序就易出差错，查找起来十分困难；且各单元之间联系复杂，若想扩展整机功能，软件工作也是牵一发动全身，改编和调试工作量相当大。因此，为了提高整机的可靠性和工作效率，同时考虑到软件升级换代的方便，仪器采用了模块化设计。
1 整机的硬件组成
脉搏血氧监护仪的模块化设计采用双CPU，即每个模块用一片CPU，相互分工协作。血氧检测模块只负责血氧饱和度的检测计算，主机模块则负责数据的存储、数值和波形的实时显示、键盘的扫描及打印控制等工作。二模块之间通过串行口交换信息，其结构如图所示。
, http://www.100md.com
脉搏血氧监护仪结构方框图
血氧检测模块在CPU8031的控制下运行。由CPU控制光源驱动电路的发光时序脉冲，分时点亮红光和红外光发光管；光电池按时序将检测到的穿透指尖的透射光信号转换成电信号，从而排除背景光的干扰。为把微弱的脉搏信号从直流信号和干扰信号中分离出来，信号经前置放大器放大，再经分路开关、高、低滤波等电路将红光和红外光信号分开，同时把每种光信号的直流成分和交流成分分开。这几路信号经过A/D转换器ADC 0809转换成数字信号，然后送至CPU计算出测量结果并送到主机模块。
主机模块也选用8031CPU，接收到来自血氧检测模块的数据后，将SpO2和脉率值及脉搏波形通过CRT控制器6845显示在监视器上，并将数据存储在RAM62256中。同时，扫描键盘，判断是否有键按下：若有打印要求，则可完成实时后台打印，不影响继续实时显示数据和波形。
2 程序设计
, 百拇医药
脉搏血氧监护仪的控制和运算处理中心，选用了INTEL公司的8031单片机作为核心，价格低廉，性能完全满足要求。程序分为控制和运算两大部分。
2.1 血氧模块的软件设计
光源驱动脉冲是由8031 P1.6—P1.8脚来完成的，此脉冲也同时控制分路开关，使不同发光管的响应进入各自的通道。该时序脉冲要求稳定、可靠，是整机正常工作的基础。因此，设定CPU内部定时器0为最高级中断来产生所需脉冲并转换脉冲时序。同时，定时器1每10mS中断一次，以100Hz的频率控制0809采样脉搏波，当波形幅度不符合要求时，CPU启动自动增益控制电路调整波形大小。
脉搏血氧监护仪的软件设计关键在于其算法。首先，需用数字滤波技术对所采样的数据进行平滑处理，使噪声和杂波干扰的影响减到最小限度。采用了递推平均滤波法，在存储器中开辟一个区间作为暂存队列，长度固定为n，每进行一次新采样，将数据放入队尾，放弃队首的那个数据，然后进行算术平均，即：
, 百拇医药
式中Y(K)为第K次滤波后的输出值，X(k-i)为依次向前递推i次的采样值，n为递推平均项数。实际选用n＝8，波形得到很好的改善。
为了兼顾血氧检测的稳定性和反应的灵敏性，在对波形进行生理分析的基础上，提出了对脉搏波上升沿的若干个特征点进行逐点计算、加权平均的计算方法，即：
经过这样的处理，既保证了血氧值的稳定，又能及时反应血氧值的真实变化。
2.2 主机模块的软件设计
为使主机模块CPU与血氧模块的CPU之间的数据通讯尽量少占用时间，选用了串行通讯方式2，波特率为375KHz。主机呼叫从机，使从机产生串行中断，并在串口上输出SpO2和脉率以及波形和状态字4组数据，主机再将其存储、显示和打印，若有报警信息时，主机CPU会发出一脉冲给扬声器和CTT控制器，发出声光报警。键盘共有8个键，采用扫描方式，并采用状态标志位实现键的复用；显示画面为1024×256点阵，波形细致，数字清晰，并采用菜单对话框，提示操作者完成相应的功能设置。趋势图以每屏显示1小时内容的方式共可存储24页，实现24小时存储。打印机选用通用型接口，既可打印波形又可打印趋势图。
3 小结
实践证明，整机采用模块化设计，每个模块就是一个功能单元，具有相对独立性，充分发挥CPU控制、运算功能，由于模块间联系简单，大大提高了仪器的可靠性。此外，模块化设计方便了仪器的更新换代，可根据用户需要，扩展功能，或不同参数的配装组合。在脉搏血氧监护仪基础上增加心电、血压、呼吸、体温等功能模块，形成了系列多参数监护仪，而且这种模块化设计也方便了仪器的维修。
(参考文献略)
(1998年8月4日收稿), 百拇医药