一種基于綠光的可穿戴式光電容積脈搏波測(cè)量系統(tǒng)

摘 要： 脈搏波中蘊(yùn)含豐富的血流動(dòng)力學(xué)信息。利用無(wú)創(chuàng)的方法檢測(cè)脈搏波并推導(dǎo)出人體心血管系統(tǒng)生理、病理特征成為研究的熱點(diǎn)。設(shè)計(jì)一套可穿戴式的脈搏波提取設(shè)備，該設(shè)備包括MCU控制模塊、信號(hào)采集模塊、藍(lán)牙模塊、電源模塊。分析光電容積法獲取脈搏波的原理，采用523 nm綠光和環(huán)境光學(xué)傳感器作為設(shè)備核心，詳解描述了硬件開(kāi)發(fā)模型，給出了信號(hào)處理部分的關(guān)鍵代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的脈搏波提取設(shè)備在手腕、手指和額頭等部位，能夠很好地描繪脈搏波，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。

關(guān)鍵詞： 脈搏波提取； 無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法； 光電容積脈搏波； 信號(hào)處理

中圖分類號(hào)： TN98?34； TP391.4； R331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）20?0125?04

Abstract： The pulse wave contains rich hemodynamic information. The non?invasive method used to detect the pulse wave and deduce the physiological and pathological features of human cardiovascular system becomes the research hotspot. A set of wearable pulse wave extraction device was designed， which includes MCU control module， signal acquisition module， power supply module， and Bluetooth module. The principle of photoplethysmography （PPG） to acquire the pulse wave is analyzed. The luminous diode at 523 nm and environmental optical sensor are taken as the core of the device. The hardware development model is described in detail， and the key codes of signal processing are given. The experiment results indicate that the designed pulse wave extraction device can describe the pulse wave of wrists， fingers and forehead， and has good applicability.

Keywords： pulse wave extraction； non?invasive detection method； photoplethysmography； signal processing

0 引 言

心血管疾病（Cardio Vascular Diseases，CVDs）作為最能威脅人類健康的一種疾病，其病因涉及人體內(nèi)運(yùn)輸血液的組織和包括心臟、動(dòng)脈血管、靜脈血管在內(nèi)的循環(huán)系統(tǒng)[1]。人體脈搏包含豐富的與心血管有關(guān)的生理病理信息，其波形幅值、周期、形狀都可作為判斷人體心血管系統(tǒng)健康與否的重要依據(jù)。目前，隨著可穿戴便攜式設(shè)備的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越不滿足在限定時(shí)間、地點(diǎn)并且限制生理活動(dòng)的條件下獲得自身健康信息，而更傾向于自由、靈活、連續(xù)和實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)自身健康狀態(tài)[2?4]。光學(xué)檢測(cè)方法具有實(shí)施便捷、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，成為可穿戴便攜式測(cè)量的主流研究手段。

當(dāng)前，光電容積脈搏波（Photo Plethysmo Graphy， PPG）的檢測(cè)方法主要分為反射式和透射式。大量研究實(shí)驗(yàn)表明，相比于反射式測(cè)量方案，透射式測(cè)量對(duì)測(cè)量位置要求較高且長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量會(huì)給人帶來(lái)不適，不利于可穿戴設(shè)備的發(fā)展，因此反射式測(cè)量法成為獲取脈搏波并對(duì)其進(jìn)行分析處理的技術(shù)熱點(diǎn)[5?7]。基于紅外光譜和紅光作為光源測(cè)量獲取PPG的設(shè)計(jì)方案很多，但是也存在一些問(wèn)題。近期，有研究分析了綠光作為光源測(cè)量PPG的特性，發(fā)現(xiàn)與紅外光和紅光相比較，綠光受皮下組織的干擾更小，獲取的PPG波形更加完整[8]。

1 光電容積脈搏波

基于紅外光譜測(cè)量的理論依據(jù)是朗伯?比爾定律（Lambert?Beer Law），測(cè)量的方法是光電容積脈搏波。當(dāng)特定波長(zhǎng)的光束照射到人體皮膚表面時(shí)，利用光電接收器接收其透射光或反射光，在此過(guò)程中，人體皮下組織的血紅蛋白等吸光物質(zhì)在整個(gè)血液循環(huán)中吸光系數(shù)E和血液濃度C保持不變，透射光或反射光光程L隨心臟作用呈周期性變化，心臟舒張期外周血液容積量最小，光程最小，光吸收量也最小，檢測(cè)到的光強(qiáng)最小，而心臟收縮期則剛好相反，檢測(cè)到的光強(qiáng)最大[9]。因此，根據(jù)朗伯?比爾定律，檢測(cè)光強(qiáng)I與入射光強(qiáng)I0的關(guān)系為：

由式（2）可知，在吸光系數(shù)E、血液濃度C不變和穩(wěn)定光源I的條件下，透射光或反射光光強(qiáng)信號(hào)形成的脈搏波波形由正弦波和余弦波疊加構(gòu)成，幅值隨心臟搏動(dòng)導(dǎo)致的檢測(cè)光程周期性變化而變化。

2 脈搏波測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于綠光光源、反射式PPG原理提取腕部脈搏波的裝置，測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用主體模塊分離設(shè)計(jì)，將脈搏波采集模塊與其他模塊隔離，保證功能的合理性及抗干擾性。系統(tǒng)主要分為三大模塊，分別是PPG信號(hào)采集模塊、MCU控制模塊和藍(lán)牙模塊，如圖1所示。

2.1 PPG信號(hào)采集

光源選取OSRAM公司生產(chǎn)的光譜寬帶為33 nm的523 nm發(fā)光二極管。脈搏波采集傳感器采用AMS公司生產(chǎn)的TSL2591環(huán)境光學(xué)傳感器。TSL2591具備兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換器和I2C接口，寬泛的光譜響應(yīng)，能夠提供可編程增益和可編程測(cè)量時(shí)間。此外，TSL2591是一高精度高靈敏度的光電數(shù)字傳感器，即將光輸入信號(hào)，去噪、濾波和放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)，避免了傳統(tǒng)模擬接收器在信號(hào)傳輸過(guò)程中，將外部干擾引入采集設(shè)備，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗噪性，提高采樣數(shù)據(jù)精度。

如圖2所示，TSL2591的通道0在523 nm具有較高的響應(yīng)度。本文設(shè)計(jì)的脈搏波測(cè)量系統(tǒng)只使用TSL2591的通道0并在TSL2591表層放置偏振片以濾除環(huán)境光干擾。當(dāng)入射光進(jìn)入皮下組織，經(jīng)過(guò)血液內(nèi)吸光物質(zhì)等的作用，導(dǎo)致反射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)不一致，TSL2591探測(cè)到反射光強(qiáng)的變化并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而描繪成脈搏波。

2.2 控制電路

針對(duì)可穿戴應(yīng)用的脈搏波測(cè)量系統(tǒng)，體積小和功耗低是必須考慮的因素。因此，選擇意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的32位超低功耗微處理器STM32L152作為本文的控制芯片。STM32L152在保證低功耗的基礎(chǔ)上，與STM32系列芯片兼容（便于移植開(kāi)發(fā)），擁有32 MHz主頻、數(shù)據(jù)E2PROM，RTC，ADC模塊，DAC模塊，DMA，支持USB，USART，83個(gè)I/O口，SPI通信，I2C通信。

在本文設(shè)計(jì)的脈搏波測(cè)量系統(tǒng)中，單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò)I2C接口與TSL2591通信，編寫(xiě)控制代碼設(shè)置環(huán)境光傳感器的工作通道、采樣率、增益等運(yùn)行參數(shù)。傳感器完成數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換后，觸發(fā)中斷機(jī)制，通過(guò)I2C通信將信號(hào)傳至單片機(jī)，從而完成信號(hào)采集過(guò)程，電路如圖3所示。

2.3 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸

考慮到可穿戴設(shè)備應(yīng)支持不限地點(diǎn)的無(wú)線傳輸功能，本文設(shè)計(jì)的脈搏波提取系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用低功耗藍(lán)牙4.0，實(shí)現(xiàn)與手機(jī)、平板電腦等搭載藍(lán)牙協(xié)議的智能設(shè)備實(shí)時(shí)互聯(lián)。

藍(lán)牙低能耗（BLE）技術(shù)是低成本、短距離、可互操作的魯棒性無(wú)線技術(shù)。本文選用德州儀器（TI）公司為低能耗以及2.4 GHz 應(yīng)用的片載系統(tǒng) （SoC） 解決方案生產(chǎn)的CC2541藍(lán)牙芯片。本文開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)選用PC機(jī)作為數(shù)據(jù)接收設(shè)備，因此控制芯片MCU將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至CC2541芯片后通過(guò)串口透?jìng)鞣绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 充電電路設(shè)計(jì)

便攜測(cè)量對(duì)測(cè)量環(huán)境要求極低，固定電源的模式不能滿足其需求。本文設(shè)計(jì)了可充電電路，選取合適的充電電池，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)充電、隨時(shí)使用的測(cè)量需要。充電接口選擇通用USB 5 V接口，3 V穩(wěn)壓芯片LY2508A30以及恒定電流/恒定電壓線性充電器LY3083。充電電路如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析

采集脈搏波信號(hào)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷形式排除受測(cè)者患有心血管疾病，確定10名研究對(duì)象。進(jìn)行脈搏波信號(hào)測(cè)量之前，每位測(cè)試者佩戴醫(yī)用心率帶和本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的裝置并原地休息15 min，而后由同一位熟悉本次實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的記錄員打開(kāi)開(kāi)關(guān)，分別記錄心率帶所示心率和采集的脈搏波原始數(shù)據(jù)，如圖5（a）所示，PC機(jī)提取并展示脈搏波的流程如圖6所示。單片機(jī)首先點(diǎn)亮523 nm發(fā)光二極管并設(shè)定300 Hz采樣頻率；然后數(shù)據(jù)經(jīng)藍(lán)牙傳送至PC機(jī)后經(jīng)過(guò)0.1～30 Hz的帶通濾波器軟件濾波，去除50 Hz工頻干擾、測(cè)量抖動(dòng)等因素帶來(lái)的干擾信號(hào)；接著數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)基線漂移濾波算法剔除由于呼吸燈不可避免的因素造成的漂移基線；最后PC將捕獲到的每一個(gè) （時(shí)間，反射光強(qiáng)度值）繪制出來(lái)，得到脈搏波曲線，如圖5（b）所示。

10名受試者在規(guī)定條件下，均能測(cè)得如圖5所示的完整脈搏波。由本文第1節(jié)所述原理可知，脈搏波波峰對(duì)應(yīng)心臟搏動(dòng)，為了驗(yàn)證脈搏波的有效性，應(yīng)用波峰識(shí)別算法[10]，對(duì)10名受試者脈搏波分析可得到他們的心率值。經(jīng)分析可知，10名受試者心率帶所示心率與通過(guò)算法識(shí)別波峰計(jì)算所得心率的誤差均在-2～2之間。結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的脈搏波提取裝置所測(cè)量的脈搏波可用性高。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)可穿戴心血管健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了一款體積小、功耗低、可用性強(qiáng)的脈搏波系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括單片機(jī)控制模塊、脈搏波采集模塊、藍(lán)牙通信模塊和電源模塊。詳細(xì)描述了系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)模型，給出了脈搏波采集控制模塊和充電電源模塊的電路圖。對(duì)原始采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和去漂移基線后，通過(guò)心率參數(shù)分析脈搏波信號(hào)的可用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，所設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)，能夠采集到可用性強(qiáng)的脈搏波，為研究可穿戴血壓測(cè)量、血氧測(cè)量和各種能由脈搏波反映的健康參數(shù)測(cè)量，提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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