頭戴式血氧檢測裝置的設計與實現

王志宇　袁江濤　周珺　王譽天

摘 要：為了實現血氧飽和度檢測的實時性和便捷性，設計了一種頭戴式血氧檢測裝置。利用反射式探頭采集額頭的脈搏波（photoplethysmography，PPG）信號，主控芯片對信號進行處理和計算，藍牙將血氧飽和度和脈率發送至手機顯示。與標準血氧儀對比，實測血氧的平均誤差率在1%以內，最大誤差在4%以內，能夠滿足國際標準的要求；在頭部活動情況下，實測血氧仍在正常范圍內波動，滿足實時監測的要求。

關鍵詞：血氧飽和度 頭戴式 反射式 脈搏波 實時監測

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（b）-0119-06

血氧飽和度是反映人體血液氧含量的重要參數，是衡量人體血液攜帶氧氣能力的生理參數，在臨床診斷中有著十分重要的意義[1]。人體血氧飽和度的檢測分為有創和無創測量。由于有創測量給患者帶來痛苦，而且也不能連續監測，所以目前的血氧飽和度測量普遍采用的是無創方式[2]。

1983年，Nellcor研制出脈搏血氧計N-100，該血氧計使用發光二極管為光源，硅管為接收管，由微型計算機對采集到的數據進行處理，形成了無創血氧檢測的標準模式[3]。目前，光電血氧檢測主要分為透射式和反射式。透射式血氧檢測的發光管和接收管處于被測部位的兩側，只能用于檢測手指或耳垂；反射式血氧檢測的發光管和接收管處于被測部位的同側，檢測部位不受限制，因此，在可穿戴健康監護設備領域有著廣闊的發展前景[4]。

近年來，可穿戴血氧檢測設備因其便利性與智能化逐漸進入人們的生產生活中，多數是以指環、指夾或耳夾的形式[5-7]，這樣的設備雖然檢測準確率高，但易受檢測部位移動的影響，不能實現血氧的實時檢測。特別是對于公安、消防、士兵等特殊人群的健康監護，市面上的可穿戴血氧檢測設備不能達到要求。該文基于反射式探頭設計和實現一種頭戴式血氧檢測裝置，以血氧檢測頭帶進行實時檢測，通過手機APP進行參數顯示，在不影響佩戴者正?；顒拥幕A上，實現血氧檢測的實時性和便捷性。

1 反射式血氧檢測原理

反射式血氧檢測如圖1所示，發光管用于發射紅光和紅外光，接收管用于接收被測部位反射或散射的光線。

光在生物組織中的傳播規律可用光子擴散傳輸理論描述，其傳輸方程[8]為：

2 系統設計與實現

2.1 裝置外觀

傳統的血氧檢測位于手指、手腕或耳垂，易受人體活動而影響檢測精度。該文設計并實現了一種血氧檢測頭帶，可以實現血氧的實時檢測和傳輸。血氧檢測頭帶基于反射式探頭在額頭進行信號采集，信號處理電路板和電池封裝在頭帶內，反射式探頭如圖2所示，檢測頭帶如圖3所示。血氧檢測頭帶檢測血氧飽和度和脈率兩個生理參數，通過藍牙發送到手機APP實時顯示。

2.2 硬件設計

血氧檢測裝置由電源模塊、脈搏波采集模塊、主控模塊和藍牙4.0模塊組成，其硬件結構如圖4所示。電源模塊由800 mA h鋰電池和電源管理電路構成，為系統提供穩定的3.3 V電壓。脈搏波采集模塊由反射式探頭和采集控制電路構成：反射式探頭由660/940 nm 雙波長LED和TSL237光頻轉換器組成，光頻轉換器將接收到的光強轉化成光頻的形式輸出；采集控制電路為H橋電路，可控制紅燈和紅外燈的交替亮滅。主控模塊為MSP430F1611微處理器，控制信號的采集，接收和處理脈搏波信號，計算血氧和脈率，將參數通過UART發送給藍牙模塊。藍牙4.0模塊采用cc2540低功耗藍牙芯片，將血氧和脈率發送到智能終端。

2.3 軟件設計

系統的軟件工作由微處理器完成，主要包括信號采集的控制、信號的捕獲和處理、參數的計算和傳輸，軟件工作流程圖如圖5所示。在軟件設計中，原始信號的處理和生理參數的計算尤為重要。

2.3.1 信號處理

反射式探頭在額頭上采集的原始脈搏波信號含有大量的干擾，要準確計算血氧和脈率，必須對信號進行預處理得到干凈、穩定的脈搏波信號。

脈搏波信號由定時器捕獲光頻信號得到，因定時器溢出導致計數錯誤而產生一些奇異點，這些奇異點是隨機出現的，因此，可采用均值濾波的方式去除奇異點。

由于外界干擾的影響，脈搏波信號存在高頻干擾，使得波形上出現許多毛刺，這些干擾幅度很小且頻率比脈搏波信號高，因此，可采用平滑濾波的方式去除高頻干擾。平滑濾波是一種線性濾波，具有低通特性，其原理是用某數據相鄰數值的平均值代替該點數值[13]。脈搏波信號的頻率一般在4 Hz以內，而高頻干擾主要在10 Hz以上，因此，選擇5～9個點的平滑濾波都能夠滿足保證在PPG信號不失真的前提下去除高頻噪聲干擾。

脈搏波還存在明顯的基線漂移，這是由人體自身的呼吸運動導致信號直流分量不穩定造成的。由于計算血氧需要準確計算脈搏波信號的直流分量和交流分量，不能簡單用高通濾波器濾除這種干擾，因此，采用形態濾波去除基線漂移。形態濾波需要選擇結構元素的形狀和尺寸[14]，該文選取直線型的結構元素，尺寸寬度大于脈搏波信號特征波形的寬度，將脈搏波信號特征波形全部濾除，只剩下基線漂移信號，然后用原始信號減去該信號即可得到去除基線漂移后的脈搏波信號。

原始脈搏波經過預處理后的波形如圖6所示，處理后的脈搏波波形平滑、干凈、穩定，可以用于勝利參數的計算。

2.3.2 參數計算

血氧飽和度的計算需要脈搏波信號直流分量和交流分量的提取，脈率的計算需要脈搏波信號波峰的定位。參數計算流程圖如圖7所示。

首先，對去噪后的脈搏波信號進行極值點的定位，采用差分異號法定位極大值和極小值點，計算相鄰最大值點的間期可得脈率。在得到極值點的基礎上，利用三次樣條差值法[15]計算脈搏波信號的包絡線，其基本思想是將插值區間n等分后，在每一個小區間上，采用分段3次Hermite插值法導出插值函數；直流分量為上下包絡線的均值，交流分量為上下包絡線的差值；最后將兩路脈搏波信號的交、直流分量值帶入公式計算得血氧。圖8為對脈搏波信號進行包絡線的定位。

3 實驗結果與分析

3.1 參數標定

血氧計算公式為，其中A、B為常數，需要通過實驗數據進行擬合確定。在實驗中，一般采用經驗公式進行擬合[16]，其中。利用血氧檢測頭帶和MEC-1000標準血氧檢測監護儀同時對實驗者進行測量，得到與對應標準的值，對兩組數值進行二次函數擬合，以確定參數A、B、C。

3.2 實驗結果

確定血氧計算公式后，利用血氧檢測頭帶和標準血氧檢測監護儀對10名測試者進行實驗，測試者手指佩戴標準血氧儀的指夾式探頭，頭部佩戴血氧檢測頭帶，同步記錄監護儀和手機顯示的血氧飽和度和脈率，如圖9所示。

在靜止狀態下記錄5 min內的十組參數值，將實測參數與標準參數進行對比，計算平均誤差率、均方根誤差和最大誤差，如表1所示。

由表1所統計的10名實驗者的準確性參數來看，血氧飽和度的平均誤差率在1%以內，均方根誤差（表征測量值與標準值的偏差程度）在1.5%以內，最大誤差在4%以內；脈率的平均誤差率在5%以內，均方根誤差在4次/分以內，最大誤差在6次/分以內。在靜止狀態下，血氧飽和度和脈率的檢測精度都能滿足國際標準的要求。

為了驗證血氧檢測頭帶實時檢測的準確性和有效性，進行進一步實驗，佩戴標準血氧夾的手指保持靜止，佩戴血樣檢測頭帶的頭部可以自由活動，對5 min內的實測血氧值和標準血氧值進行描跡，圖10為其中兩名實驗者的血氧值描跡圖。從圖10中可以看出，在頭部可以活動下的實測血氧值有所波動，也會出現突變點，但血氧值仍在90%～100%的范圍內，最大誤差也在5%以內，因此，在不影響佩戴者正?；顒忧闆r下，血氧檢測頭帶能滿足實時檢測血氧飽和度的要求。

4 結語

傳統的血氧檢測設備多用于檢測手指或耳垂，但限制人體的自由活動，不能實現血氧的實時監測。對于患者家庭使用或公安、消防、士兵等高危行業的健康監測，一種實時血氧監測裝置有其必要性和重要性。該文基于反射式探頭設計和實現了一種頭戴式血氧檢測裝置，實時監測和傳輸血氧飽和度和脈率，并通過手機APP顯示。

由于額頭采集的脈搏波信號微弱且干擾大，裝置通過一系列有效的濾波去除噪聲，得到干凈、穩定的脈搏波信號，由此計算得到血氧和脈率。通過實驗進行參數擬合后，確定血氧計算的二次函數模型，將血氧檢測頭帶和標準血氧儀進行對比。結果表明，實測血氧和脈率誤差率低，能夠滿足國際標準對血氧檢測的要求；同時，在頭部活動情況下，實測血氧仍能保持在較為準確的范圍內，能夠實現血氧檢測的實時性。

頭部運動會對脈搏波原始波形造成運動偽跡的干擾，若在頭部放置加速度傳感器，利用加速度信息去除運動干擾，會使運動情況下血氧檢測的準確度大大提高，作者將會在這個方向上繼續探究。

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