血氧儀開發套件 血氧儀開發套件

1. 血氧飽和度測量（40%~100%，精度 ±2%@70%~100%）

技術指標解析

• 測量范圍：覆蓋臨床緊急低氧（40%）到正常（100%）場景，滿足 ICU 重癥監護與家庭健康監測需求；

• 精度分級：70%~100% 時 ±2%（臨床診斷級），40%~70% 時 ±4%（低氧預警級），符合 YY/T 0784-2010 行業標準。

STM32 方案實現

• 硬件基礎：12 位 ADC（ADS1258）采集光信號，分辨率達 0.08mV（3.3V 參考電壓）；雙波長 LED（660nm 紅光 / 940nm 近紅外）分時驅動，減少環境光干擾。

• 軟件算法：采用 Beer-Lambert 定律結合校準系數查表法，如前文中SPO2_Calculate函數通過 AC/DC 比值計算 SpO2；動態溫度補償：內置溫度傳感器修正光吸收系數隨溫度的漂移。

2. 脈率測量（30~250bpm，精度 ±1bpm）

技術指標解析

• 范圍覆蓋：從新生兒靜息心率（30bpm）到運動極限心率（250bpm）；

• 精度控制：±1bpm 滿足臨床心率變異性（HRV）分析需求。

STM32 方案實現

• 信號處理：帶通濾波提取脈搏波頻率（0.5~5Hz），抑制運動偽影；峰值檢測算法（如前文中PulseRate_Detect函數）結合滑動平均濾波（8 點緩沖），消除異常脈沖。

• 抗干擾設計：采用自適應閾值跟蹤脈搏波幅度變化，避免弱信號漏檢；周期校驗機制：若相鄰脈率差 > 20%，則丟棄該次測量結果。

3. 弱信號處理（弱灌注強度≤0.3%）

技術指標解析

• 灌注指數（PI）：≤0.3% 表示極弱血流（如失血性休克、低溫癥），傳統設備易測量失敗。

STM32 方案實現

• 硬件增強：高增益儀表運放（ISL28470）放大微弱光電流信號，增益可達 1000 倍；低噪聲電源（ISL9001）抑制紋波對前端信號的干擾。

• 軟件優化：自適應增益控制：當 PI<1% 時，自動提高 LED 驅動電流（如前文中NLAS4053模擬開關調節）；小波變換去噪：分解信號至不同頻段，保留脈搏波特征分量。

4. 彩色 OLED 同屏顯示

功能架構

• 顯示內容：數值區：SpO2（大字體突出）、脈率、PI 值；波形區：實時脈搏波（128 點趨勢圖）；狀態區：電池電量、信號質量圖標。

• STM32 驅動方案：SPI 接口控制 OLED 驅動 IC（如 SSD1351），刷新率≥25fps；動態刷新率調節：弱信號時提高刷新率至 50fps，增強波形穩定性。

5. 無信號自動關機

功耗管理邏輯

• 檢測機制：連續 20 秒檢測到 PI<0.2% 且 SpO2 值固定不變（如 40%），判定為無有效信號；硬件 watchdog（X5043）監控 MCU 運行狀態，防止程序卡死導致功耗異常。

• 低功耗實現：STM32 進入 STANDBY 模式，功耗 < 10μA；切斷 LED、OLED 等外設電源，僅保留 RTC（ISL12022M）計時。

6. 歷史數據存儲與管理

存儲架構

• 硬件配置：串行 Flash（M25P16，16Mbit）可保存≥2000 條記錄（每條含 SpO2、脈率、時間戳）；I2C 接口 EEPROM（M24C64）存儲校準參數與用戶配置。

• 軟件功能：周期性存儲：每 5 分鐘自動保存一次數據，支持手動觸發保存；數據管理：支持按日期查詢、刪除指定記錄，FIFO 循環覆蓋舊數據。

7. 屏幕旋轉功能

實現方案

• 硬件：三軸加速度傳感器（LIS33DE）檢測設備姿態，分辨率達 ±2g；

• 程序示例：基于 STM32F103 的血氧儀數據處理

• 以下是核心功能的 C 語言實現（使用 HAL 庫）：

/* 頭文件與宏定義 */#include "stm32f10x_hal.h"#include "math.h"#define SAMPLE_RATE 1000        // 采樣率1kHz#define BUFFER_DEPTH 256        // 數據緩沖區深度#define RED_LED_PORT GPIOA      // 紅光LED端口#define RED_LED_PIN GPIO_PIN_0  #define IR_LED_PORT GPIOA       // 近紅外LED端口#define IR_LED_PIN GPIO_PIN_1#define ADC_CHANNEL_RED 0       // 紅光ADC通道#define ADC_CHANNEL_IR 1        // 近紅外ADC通道/* 全局變量 */ADC_HandleTypeDef hadc;
DMA_HandleTypeDef hdma_adc;uint16_t adcBuffer[2][BUFFER_DEPTH];  // ADC數據緩沖區 {紅光, 近紅外}float redSignal[BUFFER_DEPTH];        // 紅光信號float irSignal[BUFFER_DEPTH];         // 近紅外信號uint8_t spo2Value = 97;               // 血氧飽和度uint16_t pulseRate = 72;              // 脈率（bpm）uint8_t perfusionIndex = 0;           // 灌注指數/* 函數聲明 */void SystemInit(void);void MX_GPIO_Init(void);void MX_ADC_Init(void);void MX_DMA_Init(void);void SPO2_Calculate(void);void PulseRate_Detect(void);void OLED_Display(void);void PowerManagement_Check(void);/* 主函數 */int main(void){  /* 系統初始化 */
  HAL_Init();
  SystemInit();  
  /* 外設初始化 */
  MX_GPIO_Init();
  MX_ADC_Init();
  MX_DMA_Init();  
  /* 啟動ADC_DMA傳輸 */
  HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t*)adcBuffer, 2 * BUFFER_DEPTH);  
  /* 主循環 */
  while (1)
  {    /* 血氧與脈率計算 */
    SPO2_Calculate();
    PulseRate_Detect();    
    /* 顯示數據 */
    OLED_Display();    
    /* 低功耗檢查 */
    PowerManagement_Check();    
    /* 延時處理 */
    HAL_Delay(10);
  }
}/* ADC初始化 */void MX_ADC_Init(void){
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

  hadc.Instance = ADC1;
  hadc.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;
  hadc.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
  hadc.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
  hadc.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DIRECTION_FORWARD;
  hadc.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SEQ_CONV;
  hadc.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;
  hadc.Init.NbrOfConversion = 2;  // 紅光+近紅外雙通道
  HAL_ADC_Init(&hadc);  /* 配置紅光通道 */
  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
  sConfig.Rank = ADC_RANK_CHANNEL_NUMBER;
  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_71CYCLES_5;
  HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig);  
  /* 配置近紅外通道 */
  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;
  HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig);
}/* 血氧飽和度計算 */void SPO2_Calculate(void){  static float redAC[BUFFER_DEPTH], redDC[BUFFER_DEPTH];  static float irAC[BUFFER_DEPTH], irDC[BUFFER_DEPTH];  float ratio, spo2;  
  /* 1. 轉換ADC值為電壓信號（假設參考電壓3.3V） */
  for (uint16_t i = 0; i < BUFFER_DEPTH; i++) {
    redSignal[i] = (float)adcBuffer[0][i] * 3.3f / 4096.0f;
    irSignal[i] = (float)adcBuffer[1][i] * 3.3f / 4096.0f;
  }  
  /* 2. 分離AC和DC分量（簡化版，實際需濾波） */
  for (uint16_t i = 0; i < BUFFER_DEPTH; i++) {
    redDC[i] = redSignal[i] * 0.95f + redDC[i] * 0.05f;  // 一階低通濾波求DC
    redAC[i] = redSignal[i] - redDC[i];                  // AC分量
    
    irDC[i] = irSignal[i] * 0.95f + irDC[i] * 0.05f;
    irAC[i] = irSignal[i] - irDC[i];
  }  
  /* 3. 計算AC/DC比值 */
  float sumRedAC = 0, sumRedDC = 0;  float sumIrAC = 0, sumIrDC = 0;  for (uint16_t i = 0; i < BUFFER_DEPTH; i++) {
    sumRedAC += fabs(redAC[i]);
    sumRedDC += fabs(redDC[i]);
    sumIrAC += fabs(irAC[i]);
    sumIrDC += fabs(irDC[i]);
  }  
  float ratioRed = sumRedAC / sumRedDC;  float ratioIr = sumIrAC / sumIrDC;  
  /* 4. 計算灌注指數（PI） */
  perfusionIndex = (uint8_t)((ratioRed + ratioIr) * 10);  
  /* 5. 根據Beer-Lambert定律計算SpO2（簡化公式） */
  ratio = ratioRed / ratioIr;  if (ratio > 1.0f) ratio = 1.0f / ratio;  // 范圍限定
  spo2 = 94.0f - 25.0f * ratio;           // 經驗公式，實際需校準
  
  /* 6. 結果校準與限幅 */
  if (spo2 > 100) spo2 = 100;  if (spo2 < 40) spo2 = 40;
  spo2Value = (uint8_t)spo2;
}/* 脈率檢測 */void PulseRate_Detect(void){  static uint32_t lastPeakTime = 0;  static float peakBuffer[8] = {0};  static uint8_t peakIndex = 0;  uint32_t currentTime = HAL_GetTick();  float maxAmplitude = 0;  uint16_t peakPosition = 0;  
  /* 1. 尋找脈搏波峰值（簡化版，實際需帶通濾波） */
  for (uint16_t i = 0; i < BUFFER_DEPTH; i++) {    if (redSignal[i] > maxAmplitude) {
      maxAmplitude = redSignal[i];
      peakPosition = i;
    }
  }  
  /* 2. 計算脈搏周期（需排除異常峰值） */
  if (maxAmplitude > 0.1f && currentTime - lastPeakTime > 300 && currentTime - lastPeakTime < 2000) {    uint32_t periodMs = currentTime - lastPeakTime;
    pulseRate = (uint16_t)(60000.0f / periodMs);  // ms轉bpm
    lastPeakTime = currentTime;    
    /* 3. 滑動平均濾波，平滑脈率顯示 */
    peakBuffer[peakIndex] = pulseRate;
    peakIndex = (peakIndex + 1) % 8;    
    float avgPulse = 0;    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
      avgPulse += peakBuffer[i];
    }
    pulseRate = (uint16_t)(avgPulse / 8);
  }
}/* OLED顯示函數 */void OLED_Display(void){  /* 實際項目中需調用OLED驅動庫 */
  char displayBuf[32];  
  /* 顯示血氧飽和度 */
  sprintf(displayBuf, "SpO2: %d%%", spo2Value);
  OLED_DrawString(0, 0, displayBuf);  
  /* 顯示脈率 */
  sprintf(displayBuf, "PR: %dbpm", pulseRate);
  OLED_DrawString(0, 20, displayBuf);  
  /* 顯示灌注指數 */
  sprintf(displayBuf, "PI: %d", perfusionIndex);
  OLED_DrawString(0, 40, displayBuf);  
  /* 繪制簡化脈搏波形 */
  for (uint16_t i = 0; i < 128; i++) {    uint16_t point = i * BUFFER_DEPTH / 128;    uint8_t y = (uint8_t)(redSignal[point] * 30 + 50);
    OLED_DrawPoint(i, y);
  }
}/* 低功耗管理 */void PowerManagement_Check(void){  static uint32_t noSignalTime = 0;  static uint8_t signalStatus = 0;  
  /* 1. 檢測信號有效性（通過灌注指數判斷） */
  if (perfusionIndex > 1) {
    signalStatus = 1;
    noSignalTime = HAL_GetTick();
  } else {    if (signalStatus) {
      signalStatus = 0;
      noSignalTime = HAL_GetTick();
    }
  }  
  /* 2. 無信號超過20秒則關機 */
  if (!signalStatus && HAL_GetTick() - noSignalTime > 20000) {    /* 關閉外設，進入待機模式 */
    HAL_ADC_Stop_DMA(&hadc);
    HAL_GPIO_WritePin(RED_LED_PORT, RED_LED_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(IR_LED_PORT, IR_LED_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    OLED_PowerOff();    
    /* 進入低功耗模式 */
    HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();
  }
}

• 應用場景：支持手持、桌面等多場景使用，自動適配顯示方向。

功能協同與臨床價值示意圖

典型應用案例

• 秦皇島康泰醫學：采用 STM32F101C6T6 方案，結合 LIS33DE 與 M25P80 Flash，實現 24 小時連續監測，數據可通過 USB 導出至醫院 HIS 系統；

• 北京超思電子：在遠程血氧監護儀中加入 4G 通信模塊，當 SpO2<90% 且持續 5 分鐘時，自動向家屬手機推送報警信息，結合歷史數據存儲功能，支持醫生遠程調閱趨勢圖。

技術對比表（STM32 方案 vs 傳統方案）