便攜式血氧信號檢測裝置設(shè)計

黎圣峰， 龐 宇， 高小鵬， 黃俊驍

(重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065)

便攜式血氧信號檢測裝置設(shè)計

黎圣峰， 龐 宇， 高小鵬， 黃俊驍

(重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065)

實現(xiàn)動態(tài)環(huán)境下血氧飽和度的實時連續(xù)檢測，研制了一種基于透射式檢測原理的血氧飽和度監(jiān)測裝置。采用透射式光頻轉(zhuǎn)換器采集人體光電容積脈搏波，低功耗處理芯片MSP430為主控芯片，獲取的脈搏波信號經(jīng)過程序處理之后，通過藍牙模塊無線發(fā)送到終端設(shè)備。在動態(tài)環(huán)境下脈搏波信號存在多種干擾，利用了脈搏波信號的上下包絡(luò)線信息，采用鄰值代替法去除奇異點，低通濾波去除高頻干擾，形態(tài)學(xué)濾波去除基線漂移和運動偽差干擾。該裝置具有成本低、功耗低、易操作等特點，實驗結(jié)果表明：所得到的血氧飽和度具有較好精度，能夠動態(tài)實時地監(jiān)測。

便攜； 脈搏波信號; 血氧飽和度; 極值； 包絡(luò)線

0 引 言

血氧飽和度(oxygen aturation,SpO2)[1,2]是血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白容量的百分比，即血液中血氧的濃度，它是人體呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)的重要生理參數(shù)，也是反映血液中含氧量的主要參數(shù)[3]。一般認為SpO2正常應(yīng)不低于94 %，在94 %以下為供氧不足,醫(yī)學(xué)上認為SpO2小于90 %定為低氧血癥的標準。當血液中的血氧濃度過低時，這將直接影響細胞的正常新陳代謝，嚴重的還會威脅人的生命，所以，動脈血氧濃度的實時監(jiān)測在臨床救護中非常重要[4,5]。

目前對人們對自身的體征生理參數(shù)的監(jiān)測，還是主要依靠醫(yī)院的監(jiān)護儀器，這些儀器需要專業(yè)的醫(yī)用人員操作和昂貴的成本購買與維護，若把這些醫(yī)院監(jiān)護儀器作為家庭健康監(jiān)測儀不太適合。

本文所設(shè)計的一種血氧采集裝置，能夠隨時動態(tài)實時監(jiān)測自身的血氧飽和度和脈率，并可以通過無線傳輸?shù)街悄芙K端APP，滿足廣大使用者對健康監(jiān)測的需求。

1 血氧檢測機理

血氧飽和度用于表示血液中的血氧濃度，它被定義為氧合血紅蛋白(oxyhemoglobin，HbO2)容量占全部血紅蛋白(hemoglobin，HbO2+HbR)容量的百分比，如式(1)所示

(1)

根據(jù)朗伯—比爾定律，對于一個均勻吸收粒子分布的媒質(zhì)，吸收光強度百分數(shù)依賴于吸收的物質(zhì)、入射光的波長以

及吸收層的厚度，如式(2)所示

I=Ioe-μaL

(2)

式中Io為入射到媒質(zhì)中的初始光強，I為測量的透射光強，L為吸收介質(zhì)的長度，μa為物質(zhì)對光的吸收系數(shù)。人體血液中的血紅蛋白對入射的光亦遵循朗伯—比爾定律，可通過光的照射間接獲取血液中血紅蛋白濃度信息，脈搏式血氧飽和度的檢測原理分為透射式檢測和反射式檢測[6～8]。本文采用透射式檢測，透射式探頭的探測器和發(fā)光二極管處于被測物體的兩側(cè)，探測器接收的是穿透組織的光。

由于氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白對波長為940 nm與660 nm時的入射光的吸光系數(shù)差異最大，因此常被選用作為血氧飽和度測量的光源。當光透過人體組織時，需要經(jīng)過多個生物組織，如皮膚、肌肉、靜脈血液和動脈血液等，由于這些不同生物組織的吸光系數(shù)存在差異。一般情況下，動脈血液會隨著心臟的搏動而產(chǎn)生節(jié)律性變化，使得光通過時光程不斷發(fā)生改變，而其它組織成分相對靜止，光程表現(xiàn)為一常數(shù)。最后只要獲取了經(jīng)過人體組織后光強的變化值與最大值的比值，通過朗伯—比爾定律公式的多次等價代換，便可計算得到血氧飽和度。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

設(shè)計該硬件電路時，主要考慮的是使用戶操作簡單，由于移動電源供電則需要低功耗，本電路主要由三大模塊組成，如圖1所示，前端血氧采集與MCU處理模塊、電源模塊、顯示模塊，最終得到較為精確地實時血氧和脈率值。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

光電容積脈搏波(photoplethysmography，PPG)采集與處理模塊的功能是對PPG信號進行采集和處理，主要由透射式探頭、發(fā)光二極管LED驅(qū)動電路、微處理器組成。微處理器通過LED驅(qū)動電路對紅光和紅外光的亮滅狀態(tài)進行控制，雙光源LED間斷發(fā)出紅光和紅外光，光通過人體組織后會隨著血液容積的變化發(fā)生相應(yīng)改變，變化后的光強信號由光強探測器接收后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號，頻率的大小對應(yīng)著透射光的強弱，單片機通過定時器捕獲比較功能獲取調(diào)制后的PPG信號，由此得到原始的光電容積脈搏波。設(shè)計采用MSP430F1611作為處理器核心單元，通過4個I/O控制LED的亮滅，再由定時器的捕捉計數(shù)功能對PPG信號進行采集。

原始電源由外界的移動電源通過USB接口提供給開源電子原型平臺(Arduino)模塊，然后由Arduino的電源管理模塊對整個系統(tǒng)提供3.3 V的穩(wěn)定直流電源。最終所得到的血氧飽和度值通過串口發(fā)送給Arduino，然后在Arduino平臺上，通過LCD顯示出來，或者使用者選擇通過Aruino把血氧飽和度值發(fā)送給藍牙模塊，最后由藍牙模塊無線傳送給帶藍牙功能的移動終端APP上。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 MCU軟件設(shè)計

系統(tǒng)是以硬件為載體進行軟件開發(fā)的軟件流程圖如圖2所示，軟件主要實現(xiàn)的功能有，對LED時序控制、脈搏信號采集、對PPG信號進行去噪處理、血樣飽和度和脈率的計算、串口發(fā)送。為了計算血樣飽和度，必須同時采集兩種光產(chǎn)生的PPG信號，但是如果讓LED同時發(fā)出紅光和紅外光，無法分析出采集的兩組數(shù)據(jù)。但是可以設(shè)計點亮一次LED采集一次數(shù)據(jù)，在采集完一個PPG數(shù)據(jù)后關(guān)閉LED并反向?qū)c亮LED再次采集數(shù)據(jù)，這樣，隔一個數(shù)據(jù)為同一束光PPG數(shù)據(jù)，通過這種方式分別獲取兩種光照射下的PPG數(shù)據(jù)。設(shè)置LED的發(fā)光頻率為100 Hz，單片機需要在10 ms的周期內(nèi)分別點亮一次紅光、紅外光并采集數(shù)據(jù)。

圖2 軟件流程圖

3.2 PPG信號去噪處理

PPG信號的頻率較低，通常在0～8 Hz的范圍，本文采用單片機定時捕獲的方式采集脈搏波數(shù)據(jù)，在捕獲數(shù)據(jù)時可能由于定時器溢出誤差導(dǎo)致計數(shù)錯誤，這種錯誤的數(shù)據(jù)稱為奇異點，采用鄰值代替法去除奇異點。由于外界干擾的影響，在波形上表現(xiàn)為高頻干擾，使得波形上出現(xiàn)許多毛刺，這些干擾幅度很小且頻率比脈搏波信號高，本文采用平滑濾波來完成濾波。經(jīng)過以上去噪處理后的PPG信號比較平滑，能夠觀察到波形的特征點，但是從整體上來看，整段PPG波形還不穩(wěn)定，具有較為明顯的基線漂移，本文采用形態(tài)濾波去除基線漂移，如式(3)所示，原始信號f通過結(jié)構(gòu)元素k先進行開閉(OC)運算，再進行閉開(CO)運算，最后使用原始信號減去基線漂移信號，最終得到濾波后的信號f2為

(3)

4 實驗結(jié)果和裝置性能分析

通過采集的數(shù)據(jù)在Matlab中仿真，可以得到血氧信號的原始波形圖，和經(jīng)過本文的濾波算法處理之后的波形圖，如圖3所示。從PPG原始信號與經(jīng)過濾波之后的信號做對比，可以明顯觀察到，原始信號中的一些奇異點，毛刺，高頻噪聲干擾被濾除，主要由運動導(dǎo)致的基線漂移也得到了明顯的抑制和修正。

圖3 原始信號與濾波后的信號

根據(jù)朗伯—比爾定律可知，血氧飽和度的值是根據(jù)PPG信號的直流分量和交流分量計算得到的。而PPG信號的包絡(luò)線中就包含了交直流信息，因此,首先需要找到PPG信號的極值點(PPG信號的波峰點與波谷點)，本文采用差分原理查找極值點，將濾波后的PPG數(shù)據(jù)前后相減，保留差分后的數(shù)值，其變符號位置處即為PPG信號的極值點，如圖4所示，這是通過在Matlab上的仿真時計算得到的極大值點和極小值點定位圖。然后需要對數(shù)據(jù)引入插值，將極值點作為參考點，擴充數(shù)據(jù)至原始數(shù)據(jù)長度，形成包絡(luò)線，如圖5所示，該圖是經(jīng)過濾波去噪和插值處理后的PPG信號包絡(luò)圖，最后用擴充后的包絡(luò)線來計算信號的直流交流分量。

圖4 極值點定位

上下包絡(luò)線的均值記為PPG信號的直流分量Idc，其差值為PPG信號的交流分量Iac。得到的PPG信號直流和交流分量，按朗伯—比爾定律計算光密度比值R。經(jīng)定標后確定參數(shù)的血氧飽和度公式計算得到血氧飽和度值。如下式

SpO%=A×R2+B×R+C

(4)

圖5 信號的包絡(luò)圖

式中 A,B,C為常數(shù)系數(shù)，為實驗定標擬合后計算得到，R為光強變化率為

(5)

式中 I1，I2為紅光和紅外光光強幅度。

由表1的實驗結(jié)果可知，這是在1 min時所測的兩個結(jié)果，由于存在個體性差異，誤差率有一定的波動，但是總體而言該裝置的測量精度能夠較準確，誤差率在正常的范圍之內(nèi)。

表1 實驗裝置與血氧監(jiān)護儀實驗結(jié)果對比

5 結(jié) 論

本文設(shè)計一種便攜式血氧飽和度采集裝置，有多種的顯示方式且可以通過移動電源作為其原始電源，增加了使用者的選擇性和體驗感。巧妙地運用了在極短時間內(nèi)對紅光和紅外光的控制，針對不同頻段的噪聲干擾采取了不同的濾波算法，實驗結(jié)果表明：所測量的結(jié)果具有穩(wěn)定性和準確性。可以滿足人們在家庭中或工作中對自身血氧飽和度監(jiān)測的需要。

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Design of portable oxygen signal detection device

LI Sheng-feng, PANG Yu,GAO Xiao-peng, HUANG Jun-xiao

(School of Opto Engineering,University of Posts and Telecommunications of Chongqing,Chongqing 400065,China)

In order to realize real-time continuous detection of oxygen saturation in a dynamic environment,and a blood oxygen saturation monitoring device based on the transmission-type detection principle is developed.Photoplethysmography is collected by transmissive optical frequency converter,low-power consumption microcontroller MSP430 is used as main controller chip,the obtained pulse wave signal is processed by program,and then sent to the terminal device through the Bluetooth module.There are several interference pulse wave signal in dynamic environment,use up and down envelope informations of pulse wave signal,adopts neighbor value substitution method to remove singularity point,use low-pass filtering to remove the high frequency interference,and the morphological filter to remove interference of the baseline drift and the motion artifacts The device has the characteristics of low cost,low power consumption and easy operation.Experimental results show that the obtained oxygen saturation has good precision and can dynamicly and real-time monitor.

portable; pulse wave signal; oxygen saturation; extremum; envelope line

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0110—03

2016—12—27

TP 318.6

A

1000—9787(2017)03—0110—03

黎圣峰(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為生命體征信號采集與處理。