无创血氧检测模块.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201821088743.9 (22)申请日 2018.07.10 (73)专利权人 北京宝迪沃医疗器械有限公司 地址 100176 北京市大兴区经济技术开发 区西环南路18号C座3层316室 (72)发明人 杨博志 (74)专利代理机构 北京同辉知识产权代理事务 所(普通合伙) 11357 代理人 刘洪勋 (51)Int.Cl. A61B 5/1455(2006.01) (54)实用新型名称 无创血氧检测模块 (57)摘要 本实用新型提供了一种无创血氧检测模块， 包括主控制器和。

2、信号检测电路以及电源隔离电 路， 主控制器连接有发光驱动电路以驱动连接红 外发光二极管和红光二极管； 信号检测电路连接 主控制器， 以用于所述红外发光二极管和红光二 极管的光采集并将采集信号传输至主控制器； 电 源隔离电路为该检测模块供电。 本实用新型无创 血氧检测电路， 通过性能优良的硬件和合理的结 构设计， 进行信号的采集、 滤波放大处理以及数 据计算， 利于实现获得测量血氧饱和度的精确结 果。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 208048730 U 2018.11.06 CN 208048730 U 1.一种无创血氧检测模块， 其特征在于： 包括主控制器和信号检测电路以及电源。

3、隔离 电路， 主控制器连接有发光驱动电路以驱动连接红外发光二极管和红光二极管； 信号检测 电路连接主控制器， 以用于所述红外发光二极管和红光二极管的光采集并将采集信号传输 至主控制器； 电源隔离电路为该检测模块供电。 2.根据权利要求1所述的无创血氧检测模块， 其特征在于， 所述主控制器连接有数据传 输接口。 3.根据权利要求1所述的无创血氧检测模块， 其特征在于： 所述发光驱动电路包括模拟 开关U4， 模拟开关U4为ISL54059芯片， 模拟开关U4的pin1连接所述主控制器的IDRV功能引 脚， 模拟开关U4的pin10连接主控制器RDRV功能引脚， 模拟开关U4的Pin3和Pin8分别。

4、用于驱 动红光二极管REDLED和红外光二极管IRLED， 模拟开关U4的pin1和地间并联电阻R3同时 Pin10和地间并联电阻R4； 模拟开关U4的pin2和pin9相连且连接节点与地间并联有电容； 模 拟开关U4的pin4和pin7相连且连接节点连接三极管Q1的集电极； 所述主控制器的输出引脚 经电阻R6连接第一运放U1B的正相输入端， 第一运放U1B的负相输入端连接三极管Q1的发射 极后再串联电阻R5到地， 第一运放U1B的输出端和三极管Q1的基极间并联电阻R8和电容 C55。 4.根据权利要求1所述的无创血氧检测模块， 其特征在于， 所述信号检测电路包括探 头， 探头包括光电管； 光。

5、电管通过隔直滤波放大电路和自动增益调节电路连接至所述主控 制器。 5.根据权利要求4所述的无创血氧检测模块， 其特征在于： 所述隔直滤波放大电路包 括： 电阻R20一端连接所述光电管负极且另一端串联电阻R21后连接第二运放U9A负相输入 端， 电阻R20和电阻R21的串联节点与第二运放U9A输出端间并联电容C51和电阻R24， 第二运 放U9A正相输入端连接基准电压， 第二运放U9A正电源引线接电源正极并和地间连接电容 C60； 电阻R22一端连接所述光电管正极且另一端串联电阻R23后连接第三运放U9D负相输入 端， 电阻R22和电阻R23的连接节点和第三运放U9D输出端间并联电容C52和电阻。

6、R25， 第三运 放U9D正相输入端连接电压基准； 第二运放U9A输出端经电阻R26接第四运放U9B负相输入 端， 且第三运放U9D输出端经电阻R29接第四运放U9B正相输入端， 第四运放U9B输出端通过 电阻R31连接第五运放U9C的正相输入端且该正相输入端和地间并联电容C26以及通过电阻 R44连接到基准电压VREF， 第五运放U9C负相输入端连接第五运放U9C输出端形成跟随器， 第 五运放U9C输出端通过电阻R39连接所述主控制器； 第四运放U9B输出端通过隔直电容C18以 及电阻R28连接第六运放U11A正相输入端， 电容C18和电阻R28的节点通过电阻R34连接场效 应管Q2的漏极，。

7、 场效应管Q2源极连接基准电压VREF， 场效应管Q2栅极连接所述主控制器； 第 六运放U11A负相输入端和第六运放U11A输出端并联电容C27和数字电位计U14形成程控运 放； 数字电位计U14的pin1连接第六运放U11A负相输入端， 数字电位计U14的pin8连接第六 运放U11A输出端， 数字电位计U14的pin7连接基准电压VREF， 数字电位计U14的pin4、 pin5、 pin6均连接至主控制器； 第六运放U11A输出端连接到所述自动增益电路。 6.根据权利要求5所述的无创血氧检测模块， 其特征在于： 所述自动增益电路包括： 第 七运放U11B负相输入端通过电阻R36连接所述第。

8、六运放U11A输出端； 第七运放U11B负相输 入端与其输出端并联电容C43和电阻R37， 第七运放U11B正相输入端通过电阻R40连接所述 主控制器； 第七运放U11B输出端串联电阻R38， 并和地间并联电容C28。 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 208048730 U 2 7.根据权利要求1-6任一项所述的无创血氧检测模块， 其特征在于： 所述主控制器为 STM32F103VCT6芯片。 8.根据权利要求2所述的无创血氧检测模块， 其特征在于： 所述数据传输接口为UART接 口。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 208048730 U 3 无创血氧检测模块 技术领域 。

9、0001 本实用新型属于生理检测设备技术领域， 具体涉及一种无创血氧检测模块。 背景技术 0002 血氧饱和度检测分为电化学法和光学法两种。 传统的电化学法血氧饱和度检测需 要进行人体采血， 属于有创检测； 光学法， 是一种无损伤测量方法， 其原理为： 在手指或耳垂 等动脉血管丰富的部位用光照射， 通过检测血液对光吸收的情况计算出血氧饱和度； 由于 氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收光谱特征差异， 会在上述被测部位的透光检测中产生 不同的电流信号； 心脏有节律地跳动带动血流量的变化， 这种变化会间接影响着血液的吸 光量， 从而产生交流分量， 基于这些原理， 则能够通过对电流信号的处理计算， 确定。

10、血氧饱 和度和心率值。 光学法可达到连续无创测量， 操作简单， 且精度可控制在1之内， 故有广泛 应用。 实用新型内容 0003 本实用新型的目的是提供一种新的无创血氧检测模块。 0004 为了实现上述目的， 本实用新型技术方案如下： 0005 一种无创血氧检测模块， 包括主控制器和信号检测电路以及电源隔离电路， 主控 制器连接有发光驱动电路以驱动连接红外发光二极管和红光二极管； 信号检测电路连接主 控制器， 以用于所述红外发光二极管和红光二极管的光采集并将采集信号传输至主控制 器； 电源隔离电路为该检测模块供电。 0006 进一步的， 上述的无创血氧检测模块中： 所述主控制器连接有数据传输接。

11、口。 0007 进一步的或优选的， 上述的无创血氧检测模块中： 所述发光驱动电路包括模拟开 关U4， 模拟开关U4为ISL54059芯片， 模拟开关U4 的pin1连接所述主控制器的IDRV功能引 脚， 模拟开关U4的pin10 连接主控制器RDRV功能引脚， 模拟开关U4的Pin3和Pin8分别用于 驱动红光二极管REDLED和红外光二极管IRLED， 模拟开关U4的pin1 和地间并联电阻R3同时 Pin10和地间并联电阻R4； 模拟开关U4的 pin2和pin9相连且连接节点与地间并联电容C33、 电容C35和电容 C10； 模拟开关U4的pin4和pin7相连且连接节点连接三极管Q1的。

12、集电极； 所 述主控制器的输出引脚经电阻R6连接第一运放U1B的正相输入端， 第一运放U1B的负相输入 端连接三极管Q1的发射极后再串联电阻R5到地， 第一运放U1B的输出端和三极管Q1的基极 间并联电阻R8和电容C55。 0008 进一步的， 上述的无创血氧检测模块中： 所述信号检测电路包括探头， 探头包括光 电管； 光电管通过隔直滤波放大电路和自动增益调节电路连接至所述主控制器。 0009 进一步的或优选的， 上述的无创血氧检测模块中： 所述隔直滤波放大电路包括： 电 阻R20一端连接所述光电管负极且另一端串联电阻 R21后连接第二运放U9A负相输入端， 电 阻R20和电阻R21的串联节点。

13、与第二运放U9A输出端间并联电容C51和电阻R24， 第二运放U9A 正相输入端连接基准电压， 第二运放U9A正电源引线接电源正极并和地间连接电容C60； 电 说 明 书 1/5 页 4 CN 208048730 U 4 阻R22一端连接所述光电管正极且另一端串联电阻R23后连接第三运放U9D负相输入端， 电 阻R22和电阻R23的连接节点和第三运放U9D输出端间并联电容C52和电阻R25， 第三运放 U9D正相输入端连接电压基准； 第二运放U9A输出端经电阻R26接第四运放U9B负相输入端， 且第三运放U9D输出端经电阻R29接第四运放U9B正相输入端， 第四运放U9B输出端通过电阻 R31。

14、连接第五运放 U9C的正相输入端且该正相输入端和地间并联电容C26以及通过电阻 R44连接到基准电压VREF， 第五运放U9C负相输入端连接第五运放 U9C输出端形成跟随器， 第五运放U9C输出端通过电阻R39连接所述主控制器以获取采样信号； 第四运放U9B输出端 通过隔直电容C18以及电阻R28连接第六运放U11A正相输入端， 电容C18和电阻R28的节点通 过电阻R34连接场效应管Q2的漏极， 场效应管Q2源极连接基准电压VREF， 场效应管Q2栅极连 接所述主控制器； 第六运放U11A 负相输入端和第六运放U11A输出端并联电容C27和数字电 位计U14 形成程控运放； 数字电位计U14。

15、的pin1连接第六运放U11A负相输入端， 数字电位计 U14的pin8连接第六运放U11A输出端， 数字电位计 U14的pin7连接基准电压VREF， 数字电位 计U14的pin4、 pin5、 pin6 均连接至主控制器； 第六运放U11A输出端连接到所述自动增益电 路。 0010 进一步的或优选的， 上述的无创血氧检测模块中： 所述自动增益电路包括： 第七运 放U11B负相输入端通过电阻R36连接所述第六运放U11A输出端； 第七运放U11B负相输入端 与其输出端并联电容C43 和电阻R37， 第七运放U11B正相输入端通过电阻R40连接所述主控 制器； 第七运放U11B输出端串联电阻R。

16、38， 并和地间并联电容C28。 0011 优选的， 上述的无创血氧检测模块中： 所述主控制器为 STM32F103VCT6芯片。 0012 优选的， 上述的无创血氧检测模块中： 所述数据传输接口为UART 接口。 0013 本实用新型与其他现有技术相比， 具有如下有益效果： 0014 本实用新型无创血氧检测电路， 通过性能优良的硬件和合理的结构设计， 进行信 号的采集、 滤波放大处理以及数据计算， 利于实现获得测量血氧饱和度的精确结果， 稳定性 和实时性良好， 误差较小； 通过数据传输接口对外进行数据传输， 使用简单， 易于操作。 附图说明 0015 图1为本实用新型提供的一种无创血氧检测模。

17、块的逻辑框图； 0016 图2为图1中所示主控制器的优选实施例的引脚定义示意图； 0017 图3为图1中所示发光驱动电路的电路原理图； 0018 图4为图1中所示隔直滤波放大电路的电路原理图； 0019 图5为图1中所示自动增益调节电路的电路原理图。 具体实施方式 0020 下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细阐述， 以便本领域技术人员理 解本实用新型的技术方案。 需指出， 本文中涉及的各功能电路中， 元器件后的标号， 如没有 特别说明， 则均是为了对元器件进行区别的作用， 标号不对元器件本身起到限定作用。 0021 如图1所示的， 一种无创血氧检测模块， 包括主控制器和信号检测电路，。

18、 主控制器 连接有发光驱动电路以驱动连接红外发光二极管和红光二极管； 信号检测电路连接主控制 器， 以用于所述红外发光二极管和红光二极管的光采集并将采集信号传输至主控制器。 所 说 明 书 2/5 页 5 CN 208048730 U 5 述主控制器连接有数据传输接口以能够将处理的数据传输至其他外接模块中； 本实用新型 整个检测模块通过电源隔离电路供电。 0022 其中， 所述信号检测电路包括探头， 探头包括光电管； 光电管通过隔直滤波放大电 路和自动增益调节电路连接至所述主控制器。 0023 工作时， 主控制器通过发光驱动电路让红外发光二极管和红光二极管按一定时间 间隔以较低的占空比分时发光。

19、， 光照射在人体手指等动脉血管丰富的位置； 探头的光电管 (即光敏接收器件)， 将透射过手指的红光和红外光转换成电信号， 经隔直滤波放大电路和 自动增益调节电路处理后， 进行ADC数模转换， 将光电管产生的模拟信号转换成数字信号， 传输至主控制器中进行计算处理； 根据上述两光二极管发光强度与光电管接收到的透射光 的强弱值进行计算获得血氧饱和度的数值。 0024 本实用新型中， 所述主控制器为STM32F103VCT6芯片， 性能优良， 集成ADC模块， 12bit的AD精度满足对信号采集的需求； 芯片的数据运算处理能力较强， 利于获取高精度的 计算结果(即血氧饱和度数值)； 主控制器的芯片引脚。

20、如图2所示。 主控制器通过连接的数据 传输接口实现数据的对外传输； 本实施例中， 所述数据传输接口为UART 接口， 该接口的电 平为3.3V的COMS逻辑电平。 0025 作为进一步改进， 所述发光驱动电路包括模拟开关U4， 该模拟开关U4优选采用 ISL54059IRTZ芯片实现分时驱动红外发光二极管 REDLED和红光发光二极管IREDLED； 并用 主控制器提供的DAC信号经第一运放U1B(优选型号为LMC6482)和驱动三级管Q1(优选型号 为 MMBTA05)调节红光和红外光的发光强度。 0026 具体的， 芯片ISL54059形成的模拟开关U4(包括U4A和U4B) 如图3所示的。

21、； 模拟开 关U4的pin1连接主控制器的IDRV功能引脚， 模拟开关U4的pin10连接主控制器RDRV功能引 脚来对模拟开关U4 的Pin3和Pin8进行选择， 以分时驱动红光二极管REDLED和红外光二极 管IRLED； ISL54059芯片的pin1和地间并联电阻R3同时Pin10 和地间并联电阻R4； ISL54059 芯片的pin2和pin9相连， 且其连接节点可地间并联电容C33、 电容C35和电容C10； ISL54059 芯片的pin4 和pin7相连， 其连接节点连接三极管Q1的集电极， 作为优选， 该三极管Q1型号 为MMBTA05。 由主控制器输出引脚提供的控制信号(即。

22、 VDAC1)经电阻R6至第一运放U1B的正 相输入端； 作为优选， 该第一运放UB1型号为LMC6482； 第一运放U1B的负相输入端连接三极 管Q1 的发射极， 再串联电阻R5到地， 第一运放U1B的输出端和三极管Q1 的基极间并联电阻 R8和电容C55。 0027 进一步的， 在上述信号检测电路中， 探头的光电管接收投射过被测部位的红光和 红外光， 产生电信号， 经所述隔直滤波放大电路和自动增益电路处理后发送至所述主控制 器。 具体的， 在本实施例中， 如图4所示的， 所述隔直滤波放大电路包括： 电阻R20一端连接所 述光电管负极且另一端串联电阻R21后连接第二运放U9A负相输入端， 由。

23、光电管负极而来的 模拟信号D-经电阻R20和电阻R21进入第二运放 U9A负相输入端， 本实施例中， 第二运放型 号采用TLV2264。 电阻R20 和电阻R21的串联节点与第二运放U9A输出端间并联电容C51和电 阻 R24， 第二运放U9A正相输入端连接基准电压VREF。 第二运放U9A的 pin11连接地， 第二运 放U9A正电源引线接+5V电压并和地间连接电容C60。 0028 隔直滤波放大电路中， 电阻R22一端连接所述光电管正极且另一端串联电阻R23后 连接第三运放U9D负相输入端， 由光电管正极而来的模拟信号D+经电阻R22、 电阻R23进入第 说 明 书 3/5 页 6 CN 。

24、208048730 U 6 三运放U9D的负相输入端。 电阻R22和电阻R23的连接节点和第三运放U9D输出端间并联电容 C52和电阻R25， 第三运放U9D正相输入端连接电压基准VREF。 0029 并且第二运放U9A输出端经电阻R26接第四运放U9B负相输入端， 第三运放U9D输出 端经电阻R29接第四运放U9B正相输入端， 从第二运放U9A的输出端输出的信号经电阻R26、 从第三运放U9D的输出端输出的信号经电阻R29， 继而分别输入到第四运放U9B的负相输入 端和正相输入端， 进入第四运放U9B的信号经第四运放U9B构成的差分运放放大后， 再经电 阻R31输入到第五运放U9C的正相输入。

25、端。 0030 第四运放U9B输出端通过电阻R31连接第五运放U9C的正相输入端且该正相输入端 和地间并联电容C26以及通过电阻R44连接到基准电压VREF， 第五运放U9C负相输入端连接 第五运放U9C输出端形成跟随器， 第五运放U9C输出端通过电阻R39连接所述主控制器， 第五 运放U9C输出端输出信号经电阻R39提供VAMB信号至主控制器， 由主控制器采样以获取采样 信号， 在该VAMB信号输出端和地间并联电容C25进行滤波； 。 0031 第四运放U9B输出端通过隔直电容C18以及电阻R28连接第六运放U11A正相输入 端， 电容C18和电阻R28的节点通过电阻R34连接场效应管Q2的。

26、漏极， 场效应管Q2源极接基准 电压VREF， 场效应管 Q2栅极连接所述主控制器， 由主控制器导通或截断场效应管Q2。 0032 第六运放U11A负相输入端和其输出端并联电容C27和数字电位计U14形成程控运 放； 且第六运放U11A的pin8连接电压A3V3并和地间并联电容C59， 第六运放U11A的pin4连接 地。 数字电位计U14 的pin1连接第六运放U11A负相输入端， 数字电位计U14的pin8连接第六 运放U11A输出端， 数字电位计U14的pin7连接基准电压VREF， 数字电位计U14的pin4、 pin5、 pin6分别连接主控制器的CLK、 SDI 和nPCS功能引脚。

27、， 由主控制器进行SPI控制； 由第六运放 U11A的输出端输出的信号sg输入到自动增益电路。 0033 经所述隔直滤波放大电路处理的电信号由主控制器传输的控制信号(即图5中所 示的信号DAC0的值)调节末端的增益， 在弱灌注情况下， 降低DAC0的值可增大放大倍数。 具 体的， 本实施例中自动增益调节电路包括： 第七运放U11B负相输入端通过电阻R36连接所述 第六运放U11A输出端； 第七运放U11B负相输入端与其输出端并联电容C43和电阻R37， 第七 运放U11B正相输入端通过电阻R40连接所述主控制器； 第七运放U11B输出端串联电阻R38， 并和地间并联电容C28。 作为有选， 所。

28、述第七运放U11B型号为LMC6482。 0034 所述信号sg经过电阻R36进入第七运放U11B负相输入端， 主控制器提供电压值(即 VDAC0)经电阻R40连接第七运放U11B正相输入端以进行增益控制； 第七运放U11B输出端输 出的放大后的信号经电阻R38， 形成信号SGL1， SGL1供主控制器交由主控制器内置的ADC 进 行采样。 0035 本实用新型中， 所述电源隔离电路为整个检测模块提供+5V直流电， 为保证提供良 好的信号， +5V DC要求为电压误差在5范围之内， 电流不小于500mA， 噪声纹波不大于 100mV。 同时， 电源隔离电路对输入的+5V DC进行隔离等处理再提。

29、供给各部分的电路。 本实 用新型中给出的具体实施例为， 电源隔离电路包括DC-DC电路及其电路连接的隔离芯片， DC-DC电路能够保证良好的电源， 向无创血氧检测模块中各功能电路提供独立的电压； 所述 隔离芯片优选采用速度快、 功耗低、 体积小的磁耦隔离芯片ADUM2201进行隔离， 保证电路之 间电源不互相干扰。 本领域技术人员也应当理解， 本实用新型模块的各电路结构基于PCB (Printed Circuit Board， 印制电路板)为支撑实现。 说 明 书 4/5 页 7 CN 208048730 U 7 0036 本实用新型无创血氧检测电路， 通过性能优良的硬件和合理的结构设计， 进。

30、行信 号的采集、 滤波放大处理以及数据计算， 利于实现获得测量血氧饱和度的精确结果， 稳定性 和实时性良好， 误差较小； 通过数据传输接口对外进行数据传输， 使用简单， 易于操作。 0037 本文中应用了具体个例对实用新型构思进行了详细阐述， 以上实施例的说明只是 用于帮助理解本实用新型的核心思想。 应当指出， 对于本技术领域的普通技术人员来说， 在 不脱离该实用新型构思的前提下， 所做的任何显而易见的修改、 等同替换或其他改进， 均应 包含在本实用新型的保护范围之内。 说 明 书 5/5 页 8 CN 208048730 U 8 图1 图2 说 明 书 附 图 1/3 页 9 CN 208048730 U 9 图3 图4 说 明 书 附 图 2/3 页 10 CN 208048730 U 10 图5 说 明 书 附 图 3/3 页 11 CN 208048730 U 11 。