文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)10-0053-04
0 引言
血氧飽和度和脈搏波是人體新陳代謝的重要體征指標(biāo)，也是人體呼吸和循環(huán)系統(tǒng)疾病診斷的重要參數(shù)[1]。脈率反映脈搏的節(jié)律性，血氧飽和度反映血液攜帶氧氣的能力。對(duì)于中老年人、亞健康人群、吸煙人群，特別是患有間隙性呼吸病和心臟病的人群，在夜間睡眠過程中，時(shí)常伴有心臟停車或間歇性呼吸暫?，F(xiàn)象，輕者影響睡眠質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)直接導(dǎo)致死亡。因此，研究一款低功耗、低成本，能在手機(jī)上動(dòng)態(tài)監(jiān)控血氧飽和度和脈率，并能進(jìn)行健康報(bào)警的便攜式設(shè)備變得越來越有意義[2]。目前，市場(chǎng)上光電式脈搏血氧儀種類很多，但普遍功耗較大，有線束縛，且很難做到夜間連續(xù)監(jiān)控和報(bào)警。因此，基于目前社會(huì)上最流行的光電式脈搏血氧測(cè)量原理[3]，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種適用于可穿戴式醫(yī)療的連續(xù)血氧飽和度測(cè)量系統(tǒng)。
1 無創(chuàng)血氧飽和度檢測(cè)原理及相關(guān)計(jì)算
1.1 血氧飽和度測(cè)量原理
血氧飽和度(SpO2)反應(yīng)血液中氧合血紅蛋白(HbO2)占全部可結(jié)合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比[1]，它是評(píng)價(jià)人體呼吸和循環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)重要體征參數(shù)。可以通過監(jiān)測(cè)動(dòng)脈血氧飽和度(SpO2)來對(duì)肺的氧合能力和血紅蛋白攜氧能力進(jìn)行估計(jì)[4]。
血氧飽和度測(cè)量原理是基于動(dòng)脈血液對(duì)光的吸收率隨著動(dòng)脈搏動(dòng)而變化的理論來進(jìn)行測(cè)量的[1]。動(dòng)脈血液中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白在不同波長(zhǎng)入射光的照射下有著不同的吸收率[1]，當(dāng)用一定波長(zhǎng)的光照射人體手指時(shí)，經(jīng)過手指吸收、反射衰減后，由光敏元件探測(cè)到的透射（或反射）光經(jīng)光電流轉(zhuǎn)換放大，獲得一較小的脈動(dòng)分量。通過探測(cè)這個(gè)變化量，并消除非血液組織的影響，進(jìn)而測(cè)得血氧飽和度。
1.2 血氧測(cè)量電路相關(guān)計(jì)算
根據(jù)血氧飽和度的定義可得：
根據(jù)氧合血紅蛋白HbO2和還原血紅蛋白Hb對(duì)紅光和近紅外光具有不同吸收光譜的特性，可得吸光強(qiáng)度與吸光系數(shù)、介質(zhì)厚度、吸光物質(zhì)濃度的近似關(guān)系式：
其中K為吸光系數(shù)，L為手指厚度，C為吸光物質(zhì)濃度。
通過Lambert Bear定律,可推導(dǎo)出血氧飽和度近似公式：
其中，Q為兩種波長(zhǎng)光線吸收率之比，A、B為常系數(shù)，與傳感器結(jié)構(gòu)、測(cè)量條件等因素有關(guān)[4]?？紤]到光電傳感器的離散性，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，A、B常系數(shù)通過實(shí)驗(yàn)定標(biāo)的方法來確定[5-6]。
1.3 脈率檢測(cè)相關(guān)計(jì)算
心臟的跳動(dòng)引起動(dòng)脈血管產(chǎn)生收縮和擴(kuò)張，導(dǎo)致紅外光通過手指頭的透射率產(chǎn)生影響，從而能夠間接地測(cè)得心率值。假如n次心跳為一組，先通過相關(guān)算法取得n次心跳的時(shí)間間隔，再計(jì)算出脈搏數(shù)。
其中，Ts為第s次檢測(cè)到的心跳時(shí)刻，Te為第e次檢測(cè)到的心跳時(shí)刻。即第n個(gè)心跳時(shí)刻，τ為心跳的時(shí)間間隔，其中有：τ=Te-Ts，n=e-s。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)組成
本系統(tǒng)主要由脈搏血氧驅(qū)動(dòng)調(diào)理電路、MCU、SD卡模塊、Bluetooth Low Energy(BLE)模塊、OLED顯示模塊、按鍵輸入模塊等組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。通過MCU產(chǎn)生兩路PWM信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)電路的三極管Q1和Q2的輪流導(dǎo)通，同時(shí)通過DA輸出控制Q3和Q4，進(jìn)而控制紅光和紅外光的發(fā)光強(qiáng)度。脈搏血氧傳感器的光電晶體管接收到交替的紅光和紅外光后，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再通過OA0，將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。去除直流后，經(jīng)AD采集，其結(jié)果作為第二級(jí)OA1的直流偏壓，用以放大微弱的脈搏血氧信號(hào)，再經(jīng)MCU內(nèi)部AD采集、濾波、計(jì)算處理后，通過OLED顯示出相應(yīng)脈搏波、血氧飽和度值和脈率值。同時(shí)，將數(shù)據(jù)打包成串口數(shù)據(jù)包，并經(jīng)BLE模塊送給智能手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)護(hù)。
3 脈搏血氧硬件電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用660 nm紅光和940 nm紅外光對(duì)被測(cè)手指部位進(jìn)行交替照射，兩透射光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到變化的光電流信號(hào)，再經(jīng)過放大、去直流、去工頻干擾和基線漂移得到兩路信號(hào)的交流成分，通過計(jì)算交流成分平均功率之比，再通過線性擬合得出脈搏血氧飽和度值[2]；最后通過提取一路交流信號(hào)特征值求出周期進(jìn)而計(jì)算出脈率和血氧飽和度值[7]。
本脈搏血氧驅(qū)動(dòng)控制電路包括探頭驅(qū)動(dòng)電路、光電流放大和去直流電路以及計(jì)算電路，如圖2所示。探頭驅(qū)動(dòng)電路由對(duì)稱的4個(gè)三極管構(gòu)成，Q1、Q2實(shí)現(xiàn)兩路光線的交替照射，Q3、Q4與計(jì)算電路的兩DA端相連，通過MCU產(chǎn)生兩PWM信號(hào)來控制Q1和Q2實(shí)現(xiàn)紅燈和紅外燈的輪流交替通斷，通過對(duì)OA0進(jìn)行AD采集后進(jìn)行濾波和算法處理，計(jì)算出相應(yīng)的值來控制MCU內(nèi)部DA進(jìn)而控制Q3、Q4，實(shí)現(xiàn)紅燈和紅外燈的光強(qiáng)控制；光電流放大和去直流電路由兩級(jí)運(yùn)算放大器組成，第一級(jí)將光電流放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，此信號(hào)同時(shí)包含較小的交流成分和較多的直流成分，故需第二級(jí)運(yùn)算放大器進(jìn)行去直流處理和交流放大。計(jì)算電路接受兩個(gè)運(yùn)放輸出，經(jīng)計(jì)算后輸出DC_OFFSET_OA1作為反饋為探頭驅(qū)動(dòng)電路和去直流電路提供參考電壓。同時(shí)通過第二級(jí)運(yùn)放對(duì)脈搏血氧信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)MCU采集、濾波、計(jì)算、顯示后，通過串口把封裝好的數(shù)據(jù)包送給BLE模塊進(jìn)行傳輸。本測(cè)量模塊通過識(shí)別特征電阻R10來選取相應(yīng)的飽和度定標(biāo)曲線，從而區(qū)分探頭的種類[7]，做到軟硬件的匹配。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件部分主要包括中斷程序、濾波、特征值提取、波形繪制等子程序，采用血氧飽和度線性擬合算法、最小均方自適應(yīng)算法計(jì)算脈搏波的周期和血氧飽和度值；采用3次樣條插值擬合的方法消除基線漂移的影響[8]；采用FIR濾波器去除工頻噪聲干擾。其系統(tǒng)主流程圖如圖3（a）所示。
此外，定時(shí)器中斷程序頻率采用200 Hz，其流程圖如圖3(b)所示。進(jìn)入中斷，先關(guān)閉兩LED，然后開啟紅光LED，讀取輸入；再關(guān)閉紅光LED，根據(jù)輸入調(diào)整光照強(qiáng)度，經(jīng)平均濾波和FIR濾波、去直流、循環(huán)隊(duì)列更新，再確定是否處于找到波谷狀態(tài)。若未找到，則計(jì)算兩路光的平方和，同時(shí)采樣計(jì)數(shù)值累加；若找到，則求平方和，計(jì)算血氧飽和度和脈率。隨后關(guān)閉兩LED進(jìn)入紅外光流程，開啟紅外光LED，讀取輸入；再關(guān)閉紅外光LED，經(jīng)平均濾波和FIR濾波、去直流、循環(huán)隊(duì)列更新，再確定是否處于離開波谷狀態(tài)，再尋找循環(huán)隊(duì)列中最小值和位置，再判斷是否為波谷，若不是繼續(xù)尋找，若是則進(jìn)入離開波谷狀態(tài)。在離開波谷狀態(tài)過程中僅計(jì)數(shù)，且計(jì)滿20次后再次進(jìn)入尋找波谷狀態(tài)，從而計(jì)算出脈搏周期。
5 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用超低功耗MSP430FG4619作為主控芯片，由于內(nèi)含AD、DA及運(yùn)算放大器，僅需少量阻容器件即可構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，故功耗低，成本低廉。本電路采用單電源供電，且使用藍(lán)牙4.0進(jìn)一步降低了系統(tǒng)總體功耗；顯示屏采用OLED有機(jī)發(fā)光二極管，不僅提高了發(fā)光亮度，而且降低了顯示能耗，且MCU可根據(jù)不同模式選擇OLED關(guān)閉或者不同亮度顯示；同時(shí)本系統(tǒng)具有電源管理模塊，當(dāng)檢測(cè)到電壓低于閾值電壓時(shí)，關(guān)閉藍(lán)牙并降低OLED亮度，以延長(zhǎng)使用時(shí)間。在保證采樣精度的前提下，可適當(dāng)減小AD采樣速度和LED發(fā)光強(qiáng)度以及LED通斷頻率來降低功耗。在軟件方面，有多種模式可選擇，當(dāng)使用夜間監(jiān)護(hù)模式時(shí)，設(shè)備OLED顯示和手機(jī)LCD均關(guān)閉，MCU只進(jìn)行數(shù)據(jù)間斷采集、計(jì)算和間隙發(fā)送串口數(shù)據(jù)包給藍(lán)牙BLE，濾波、算法處理、呼吸暫停警報(bào)都放在手機(jī)中進(jìn)行；當(dāng)選擇低功耗測(cè)量模式時(shí)，藍(lán)牙模塊和OLED顯示關(guān)閉，數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)在SD卡中；當(dāng)選擇連續(xù)測(cè)量模式時(shí)，設(shè)備OLED通過按鈕進(jìn)行顯示或者關(guān)閉。另外，當(dāng)檢測(cè)到手指脫落超過10 s時(shí)，系統(tǒng)外圍電路斷開，MCU進(jìn)入待機(jī)模式。
6 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析
由于工頻噪聲的影響，故需對(duì)脈搏波進(jìn)行50 Hz濾波，為了濾除脈搏波中50 Hz的工頻干擾，本電路選用適合在單片機(jī)上處理的FIR濾波器進(jìn)行陷波。FIR濾波前后脈搏波波形如圖4所示。其結(jié)果表明，F(xiàn)IR濾波器較好地克服了工頻噪聲干擾。
由于呼吸過程中胸腔阻抗的變化及人體運(yùn)動(dòng)直接對(duì)脈搏波形產(chǎn)生影響，導(dǎo)致脈搏波形嚴(yán)重基線漂移[8]。為了克服基線漂移的影響，本系統(tǒng)采用3次樣條插值擬合變換的方法求出脈搏波形基線數(shù)據(jù)，然后去除漂移的基線，最后輸出波形。圖5為經(jīng)3次樣條插值去除基線漂移前后脈搏波的波形圖。
另外，為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)電路的系統(tǒng)功耗和準(zhǔn)確度，需利用多組同類型儀器進(jìn)行驗(yàn)證。本文采用力康PC-60NW、康泰CMS-50IW與本設(shè)計(jì)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，如表1所示。
本系統(tǒng)測(cè)試中，通過美國Fluke公司的Index2型高精度脈搏血氧模擬儀產(chǎn)生一個(gè)脈率76次/min、血氧98%的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào),再利用本設(shè)計(jì)電路、力康PC-60NW、康泰CMS-50IW對(duì)該信號(hào)進(jìn)行10 min測(cè)量，每2 min記錄一次脈率值、血氧飽和度值、電流和電壓值。經(jīng)過測(cè)量和計(jì)算，10 min內(nèi)5次測(cè)量的血氧、脈率和系統(tǒng)功率平均值如表1所示。
從表1可知，本設(shè)計(jì)電路采用3.3 V單電源供電，平均功率為154.9 mW，均低于力康PC-60NW(196.1 mW)和康泰CMS-50IW(184.1 mW)，表明本電路功耗較低。同時(shí)，本電路測(cè)量的血氧飽和度平均值為97.8%，平均脈率為76.3次/min，與Index2模擬儀輸出的脈率和血氧值以及力康PC-60NW、康泰CMS 50IW所測(cè)得的數(shù)據(jù)相比均無顯著性差異，表明本測(cè)量電路所測(cè)得的脈率和血氧飽和度具有較高的準(zhǔn)確性。
7 結(jié)論
本文介紹了一種體積小、成本低、無創(chuàng)傷透射式脈搏血氧測(cè)量系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并制成了原型系統(tǒng)。通過該原型系統(tǒng)與兩款商業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行比較，其結(jié)果表明本脈搏血氧測(cè)量電路功耗低，可連續(xù)測(cè)量，能較好地克服基線漂移和工頻噪聲干擾，同時(shí)可通過手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)脈率和血氧值，且所測(cè)量的脈搏波波形較清晰,血氧飽和度值和脈率值準(zhǔn)確可用。該系統(tǒng)在家庭及移動(dòng)環(huán)境中使用，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的、無擾的、長(zhǎng)期的生理參數(shù)測(cè)量及監(jiān)控，在穿戴式設(shè)備開發(fā)領(lǐng)域具有一定應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 鄭希杰.動(dòng)態(tài)血氧分析系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)[J].醫(yī)療裝備，2002，15(11)：27.
[2] 胡寒冬，陳洪波，陳真誠，等．便攜式睡眠呼吸暫停低通氣監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J]．電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2011，25(9)：812-816.
[3] 楊濤.便攜式無創(chuàng)數(shù)字脈搏血氧儀的設(shè)計(jì)研究[D].南京：南京醫(yī)科大學(xué)，2011.
[4] 黃莉潔.血氧飽和度參數(shù)校準(zhǔn)的方法[J].上海計(jì)量測(cè)試，2013(3)：34-35.
[5] 林立男，倫佳樂.手指脈搏血氧機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)博覽：理論研究，2011(4)：156.
[6] 楊琦.基于MSP430超低功耗MCU的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀及其系統(tǒng)的研究[D].福州：福州大學(xué)，2003.
[7] 薛冰冰，吳書裕，李亞萍，等.基于STM32的微型多參數(shù)健康監(jiān)護(hù)終端的設(shè)計(jì)[J].嵌入式技術(shù)，2014，40(2)：12-15.
[8] 姚建閣，何為，全曉莉，等.基于三次樣條插值技術(shù)的去除胸阻抗基線漂移的方法研究[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2007，24(5)：371-374.