基于TMS320F2812DSP 的无创血红蛋白浓度检测仪设计*

李国军，唐 飞，王晓浩，李曙哲，杨 涛

(1.西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳621010;2.清华大学 精密仪器与机械学系 精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京100084)

0 引 言

血红蛋白是血液当中运输氧气和二氧化碳的载体。人体内血红蛋白的含量是确定贫血的可靠指标［1］。现在临床血红蛋白浓度检测方法多为有创检测，需要对患者采血，不仅麻烦，耗材，给病人带来痛苦，而且不能进行实时连续监测。因此，无创血红蛋白检测方法的研究具有很高的临床应用价值。

近红外光谱用于人体分析最大优点是不需要做任何样品处理准备，对人身体无任何损伤。在近红外区域，体液和软组织相对透明，穿透力强，是较为理想的检测光谱段。通过分析人体的近红外反射或透射光谱，可实现对血红蛋白浓度绝对值的检测。

近红外方法测量血红蛋白的研究经过30 多年的发展，离体测量已经比较准确，而在体测量结果的精度却不能令人满意。有很多方面的原因，其中，个体差异和测量条件是影响光谱测量结果的突出技术问题。绝大部分研究者利用2 个波长［2，3］，涵盖信息不足，且运用仿真方法估计光程值，存在较大的误差，有些采用多波长也只是进行离体测试。本文采用多个波长，涵盖足够的血红蛋白信息，且提出运用模糊建模方法得到光程值，一定程度上减小散射带来的影响，并运用到活体测量。

本文所设计的血红蛋白检测仪采用食指第一节处作为测量部位，选定 660，730，805 nm 和 940 nm 的近红外光为检测波长，测量其透射光谱，利用修正的Lambert－Beer定律，可以实现人体血红蛋白浓度的绝对量估算［4～6］。对28 名志愿者进行在体测量，取得了较好的测试结果。

1 检测原理

根据修正的Lambert－Beer 定律，对于人体生物组织中含有多种成分有

其中，G 为背景吸收、散射引起的衰减，且

按照以下步骤就可以计算出血红蛋白的浓度:

1)准确地得到每个波长的入射光强度I0与透过手指的出射光强度I;

2)准确得到每个波长处的消光系数;

3)测得光程d;

4)根据公式(4)建立几个联合方程式，如式(2)～式(6);

5)根据以上方程组解得CHb，CHbO2的值。

1.1 测量部位选择

如图1 所示［7］，指端部位皮肤厚度小，其他组织成分干扰少，具有高的信噪比，提取信号简单，可满足血红蛋白浓度的检测要求，因此，选择手指食指作为检测部位［8］。

图1 手指组织血管Fig 1 Blood vessels of finger tissue

1.2 测量波长选择

采用多波长法计算出血红蛋白浓度。该方法假设组织吸收光的程度只受氧、血红蛋白和还原血红蛋白的影响，在选择波长的时候尽量地选择这2 种成分吸光较强而其他成分吸光很弱的波段［9］，以避免其他成分的干扰，提高血红蛋白成分吸收信号的信噪比。

从图2 血红蛋白的吸收曲线可以看出:血红蛋白在660～1 000 nm 之间具有很好的吸光特性，选择 660，730，805 nm和940 nm 4 个波长是比较理想的组合。

2 检测系统硬件设计

血红蛋白测量仪的硬件组成结构如图3 所示，主要有信号采集部分和数据及显示部分组成。信号采集部分主要包含光源，光电二极管，I/V 转换放大电路与A/D 转换电路几部分。数据处理与显示部分主要是基于TMS320F2812DSP平台。该芯片为TI 公司的16 位处理器，最高主频150 MHz，自带16 通道的12A/D 转换器，外扩SDRAM，SD 卡存储部分和LCD 等，共同组成了数据采集和显示模块。

图2 血红蛋白吸收光谱特性Fig 2 Absorption spectrum feature of hemoglobin

图3 血红蛋白检测仪系统框图Fig 3 Block diagram of hemoglobin detector system

2.1 信号发射接收部分

无创血红蛋白信号发射与接收是通过探头实现的，探头如图4 所示，探头中含有1 只集成4 个波长(660，730，805，940 nm)的发光二极管、1 个光电接收器。由TMS320F2812DSP 产生时序控制LED 交替发光，照射手指，接收器接收透过手指的透射光，并将光信号转换为电流信号。接收器的接收范围为400～1 100 nm。4 个波长均处于接收器转换效率线性度很好的波段，可以很好地提高检测装置的灵敏度。

图4 探头部分Fig 4 Probe part

2.2 前置放大与A/D 转换部分

前置放大电路的作用是将光电接收器接收的光电流信号转换成与透射光强呈正比的电压信号，这里选取ADI 公司出品的 AD820，通过确定 R1，R2，C1，C2，C3 的值，使得电路具有较好的稳定性和较高的信噪比，实际电路如图5 所示。该电路能实现电流到电压的精确转换。

模数转换部分采用TMS320F2812 芯片自带的12 位A/D 转换器。

图5 前置放大电路Fig 5 Preamplifier circuit

2.3 数据处理、显示与存储部分

该部分以TI 公司的TMS320F2812 为控制芯片，完成数据的处理、显示及存储。片上有128 k 的 flash，外扩1 片256 k的 SDRAM，使用的芯片为 IS61LV25616-BGA。LCD 显示屏型号为MZLH08-12864。SD 卡模块电路如图6 所示。

图6 SD 卡接口电路Fig 6 SD card interface circuit

3 系统软件设计

软件部分主要有驱动程序和应用程序两大部分构成。

1)驱动程序部分

驱动程序主要有SD 卡模块、LCD 模块和键盘模块。SD 卡存储部分采用SPI 通讯方式进行存储。

2)应用程序部分

血红蛋白浓度测量的程序流程如图7 所示，应用程序主要包括:硬件初始化和系统自检、4 路LED 光源的时序控制、增益程序控制、A/D 采样和数据的滤波、血红蛋白浓度的计算、液晶显示几大部分。

4 实验方法

4.1 实验对象

为了检验所设计的无创血红蛋白浓度测试仪有效性，在北京市海淀医院用该仪器与对28 名受试者进行了血红蛋白浓度的测量，其中，男15 人，女13 人。

第一组样本，对27 名实验者进行测试，由于血红蛋白值在没有大量出血或者体液为大量流失情况下不会变，所以，每人进行一次抽血，采集4 次光谱数据，共计108 组数据，测试结果如表1 所示，处理后每人只记录4 次中的1 次数据。第二组样本，对1 名志愿者连续采集4 组数据，从早上 8 点到中午 11 点每 1 h 测量 1 次，如表 2。

图7 系统主程序流程图Fig 7 Flow chart of main program of system

表1 27 名受试者测量结果Tab 1 Measurement results of 27 volunteers

表2 1 名受试者测量结果Tab 2 Measurement results of one volunteer

4.2 标准对照值的测量

用无创血红蛋白检测仪采集完一组数据后，立即用有创的方法得到真实的血红蛋白浓度值。具体操作过程由医院医生完成，结果可靠性高。

5 实验结果

图8 描述了27 名受试者108 组测量值与真实值之间的相关性。血红蛋白浓度在90～170 g/L 范围内，相关系数为0.6646，说明2 者具有一定的相关性，血红蛋白检测仪在一定程度上能够准确反映血红蛋白浓度结果，但并不是很理想，而且绝对误差比较大。

图9 说明该仪器对单一个体的相关系数为0.964。

6 结束语

图8 27 名受试者血红蛋白浓度计算值与真实值的相关性Fig 8 Correlation between calculated values and true values of 27 volunteers'hemoglobin concentration

图9 一名受试者血红蛋白浓度计算值与真实值相关性Fig 9 Correlation between calculated values and true values of one volunteers'hemoglobin concentration

基于TMS320F2812 的血红蛋白检测仪在测量方法上已经给出了初步实验验证，对多人测量相关系数为0.664 6，对单人测量的相关系数达到0.964，结果具有一定的科研价值。但如果将来应用于临床，还需要做进一步改进。

［1］ Jeon K J，Kim S J，Park K K，et al.Non－invasive total hemoglobin measurement［J］.Journal of Biomedical Optics，2002，7(1):45 －50.

［2］ 刘庆珍.近红外光谱法无创测量人体血红蛋白浓度的研究［D］.天津:天津大学，2005:1 －60.

［3］ 吴太虎，徐可欣，刘庆珍，等.近红外光谱法无创测量人体血红蛋白浓度［J］.激光生物学报，2006，15(2):204 －208.

［4］ Rendell M，Anderson E，Schlueter W，et al.Determination of hemoglobin levels in the finger using near infrared spectroscopy［J］.Clinical ＆ Laboratory Hematology，2003，25(2):93 －97.

［5］ Wuori E R，Gmitter M B.Non－invasive in－vivo monitoring of total blood hemoglobin［C］∥Proceedings of SPIE International Society for Optical Engineering，2003:160 － 167.

［6］ Timm U，Lewis E，Leen G.et al.Sensor system for non－invasive optical hemoglobin determination［C］∥2009 IEEE Conference on Sensors，2009:1975 － 1978.

［7］ 戴阳刚，马晟厚，李 灿.基于手指血管图像识别的身份认证终端.［EB/OL］.［2008-11-10］:http:∥www.eepw.com.cn/article/89361.htm.

［8］ Abdallah O，Abo A K，Bolz A.Towards non－invasive monitoring of total hemoglobin concentration and fractional oxygen saturation based on earlobe pulse oximetry［C］∥IFMBE Proceedings，2008:1738 －1742.

［9］ Kumar G，Schmitt J.Optimum wavelength for measurement of blood hemoglobin content and tissue hydration by NIR spectroscopy［C］∥Proceedings of SPIE International Society for Optical Engineering，1996:442 － 451.