基于PPG信號的無創血氧飽和度測量終端的設計

曹昌盛，徐 銘，伍守豪（.深圳大學 信息工程學院，廣東 深圳58060；.深圳清華大學研究院 數字電視系統重點實驗室，廣東深圳58057）

基于PPG信號的無創血氧飽和度測量終端的設計

曹昌盛1，2，徐 銘1，伍守豪2
（1.深圳大學 信息工程學院，廣東 深圳518060；2.深圳清華大學研究院 數字電視系統重點實驗室，廣東深圳518057）

針對家庭和社區醫院對便攜式監護儀的需求，本文采用TI公司的MSP430F6659和AFE4490芯片方案，設計了基于PPG（光電容積脈搏波描記法）信號的無創血氧飽和度測量終端。首先通過分析無創血氧飽和度的測量原理，進行了測量終端的硬件和軟件設計，然后采用血氧模擬儀標定曲線，最后實現了血氧飽和度的連續測量和PPG信號的實時顯示。對比測試表明本文設計的測量終端與國外領先設備的測量結果的相關性達到97%以上，具有較高的準確性。

無創血氧測量；PPG；Lambert-Beer定律；AFE4490

氧是維持人體正常生理活動的關鍵元素，通常人體的氧是通過呼吸進入血液循環系統，提供給人體各個器官進行新陳代謝。如果供氧量不足，則會嚴重影響人體健康甚至危及生命，因此測量血氧的含量即血氧飽和度（SpO2）來衡量人體的氧供應情有著重要的意義。

測量血氧飽和度有種方法：一種是有創測量，通過采集人體的血氧，將血氧放入化學分析儀器分析氧的含量，這種方法測量周期長，且不能連續測量。第二種方法是無創測量，利用血紅蛋白對近紅外區光譜的特殊吸收性質來測量血氧飽和度[1-2]。目前有創測量在臨床上已逐漸被無創測量所取代，但是臨床上的無創血氧測量設備很難在家庭和社區使用。本文采用TI公司的MSP430F6659作為主芯片，TI公司的AFE4490芯片作為血氧模擬前端，光電二極管指套式血氧夾和LCD顯示屏作為主要的硬件模塊，設計了便攜式的血氧飽和度測量終端，測量準確度高，適合在家庭和社區醫院使用。

1 無創血氧飽和度測量方法

無創血氧測量原理是人體的血液中主要有氧合血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白（Hb），氧合血紅蛋白的含量即百分比代表著血液中血氧飽和度[3-4]，即：

CHb2為動脈血液中HbO2的濃度，CHb為動脈血液中Hb濃度，根據郎伯-比爾（Lambert-Beer）

定律[5-6]選用λ1=660 nm，λ2=940 nm兩種不同波長的光透射被測部位，動脈壁無波動時，可以分別記錄一個恒定的透射光強度DC；動脈搏動時，透射光的變化量為AC，結合血氧飽和度的定義（1），可以求得血氧飽和度的計算公式為：

其中A、B為定標系數，R為：

經過大量的實踐驗證，經驗化的血氧飽和度計算公式為[7-8]：

其中，A、B、C為定標系數，根據實際的系統經過測試標定。根據這一原理計算血氧飽和度的關鍵是測量出兩組光的直流分量和交流分量。采用光電容積脈搏波描記法[9-10]（Photoplethysmography，PPG），將光源和光電接收器組成的PPG探頭夾在手指端，光源發射光束透過手指，發生反射、散射和吸收之后被光傳感器接收并轉換為電信號，將獲得的PPG信號為4組值：

IAC660—660 nm紅光光強度的脈動分量；

IDC660—660 nm紅光光強度的直流分量；

IAC940—940 nm紅外光光強度的脈動分量；

IDC940—940 nm紅外光光強度的直流分量；

將上面得到的4組值帶入式（3）可以求得R值，將R值帶入式（4）即可求得血氧飽和度，從面的分析可以看出，要實現無創血氧飽和度的測量，首先要進行PPG信號采集。

2 硬件電路設計

文中的硬件電路使用TI公司單片機MSP430F6659和血氧模擬前端AFE4490搭建起來，輔以外圍電路如電源電路、單片機復位電路、LCD顯示部分接口電路等，整體的硬件框圖如圖1所示。

圖1 硬件框圖

1）主芯片單元設計。MSP430F6659作為主芯片，具有高性能、低功耗的特點[11]。可以在25 MHz晶振的驅動下，實現40 ns的指令周期，具有16位的數據寬度和多功能的硬件乘法器，可以實現對采集的PPG數據進行快速處理。MSP430F6659提供了3個時鐘源，高頻的片外時鐘 （XT2）、低頻時鐘（LFXT1CLK）、片內控制振蕩器（DCO），文中的設計采用外接20 MHz的片外晶振為系統提供主時鐘。采用TI公司芯片TPS3825作為系統手動復位控制端，TPS3825為3.3 V的微處理器監控芯片，能夠輸出高電平有效和低電平有效的復位信號。

2）血氧模擬前端設計。AFE4490是一款專門的PPG信號采集芯片[12]，可以連續采集6個通道的光變量值。它內部具有一個22位模數轉換器（ADC）、低噪聲接收器通道、一個LED傳輸單元，并且具有傳感器診斷以及LED故障檢測功能，如圖2所示。

圖2 AFE4490的主要組件圖

外圍設計采用可以多次循環使用的指套光傳感器血氧夾通過DB9接口與AFE4490相接；考慮到人體靜電對電路將產生干擾，在接入電路中加入二極管對實現靜電和過壓保護，如圖3所示；AFE4490外接8 M的外部晶，通過四線制的SPI接口與單片機進行通信。AFE4490工作的流程為光電傳感器的電流信號傳輸至模擬前端的接收通道，通過一個差分電流-電壓跨阻（I/V）放大器，放大器的反饋電阻把光電傳感器的輸入電流轉換成電壓值，隨后對PPG信號進行環境光噪聲的消除，然后再通過一系列的濾波器組的濾波處理去除信號中的其他干擾，例如工頻干擾等。再由 A/D轉換器進行模數轉換，轉換成數字信號后通過SPI接口發送到單片機如圖2所示。

圖3 AFE4490模擬前端保護電路

3）LCD部分，采用7inch總線型帶有SPI通信接口的LCD，本文采用四線制的SPI串行通信接口連接方式，實現LCD和單片機的數據通信，簡化了系統設計。LCD的加入可以實現同時觀測PPG信號和血氧飽和度值。

3 軟件實現

文中的軟件設計主要包括血氧模擬前端AFE4490的軟件實現、LCD顯示模塊軟件實現和血氧飽和度算法的軟件實現。整體流程為首先完成各個模塊的初始化，MSP430F6659上電復位，血氧模擬前端AFE4490初始化，LCD初始化。模塊的初始化包括配置I/O口，配置時鐘和SPI接口的工作模式。血氧模擬前端AFE4490的采樣頻率設置為500SPS，采集方式為連續采集轉換。當引腳變為低電平，單片機讀取模擬前端采集的PPG數據。

單片機讀取到的為原始數據，會含有工頻干擾和漂移干擾。由于需要對數據進行實時處理，本文采用快速滑動平均濾波[13]消除PPG信號的工頻干擾，采用中值濾波[14]方法來濾除基線漂移。計算式（3）的R值需要PPG信號的波峰和波谷值，對去除噪聲以后的信號，采用二階差分閾值[15]的方法來檢測PPG信號的波峰和波谷。

將波峰和波谷值其帶入式（3）計算R值，將R值帶入SpO2-R公式得出血氧飽和度，整體的軟件流程如圖4所示。為了提高測量終端的準確性，本文采用Fluke Index 2血氧模擬儀對公式（4）定標，通過模擬40%～100%的血氧飽和度，得到30組R值和血氧飽和度的值，通過最小二乘法二次多項式曲線擬合的方法得到SpO2-R曲線如圖5所示，確定本文血氧飽和度計算公式為：

圖4 軟件流程圖

圖5 血氧飽和度的定標曲線

4 結果測試

第一步是整機測試，開機將血氧夾夾在手指末端并開啟測量，LCD可以同時顯示血氧飽和度和PPG波形如圖6所示。第二步是和Nellcor公司的血氧儀做比對測試，測試范圍設置為80%-100%，并將對比結果進行相關性分析，如圖7所示，可以看出本文設計的血氧測量終端和Nellcor血氧儀的相關系數達到了97%以上，能夠準確的測量出人體的血氧飽和度。

圖6 真機測試

5 結 論

文中從無創血氧飽和度測量的便攜性和實時性考慮，通過血氧模擬前端AFE4490和MSP430F6659單片機進行了硬件電路的設計，并在此基礎上實現了各個模塊的軟件設計。對測量終端的測試結果表明，本文設計的血氧飽和度測量終端和國際領先的血氧儀的測量結果相關性達到了97%以上，具有較高的準確性，并且能夠實時的顯示PPG信號波形，適合作為家庭和社區醫院的血氧飽和度監護設備。

圖7 結果相關性擬合分析

[1]高新軍，劉新穎.脈搏血氧飽和度測量原理及常見血氧探頭[J].中國醫療設備，2010，25:57-59.

[2]萇飛霸，陳維平，徐力，等.基于光電容積脈搏波法血氧飽和度測量系統研究[J].工業儀表與自動化裝置，2015（5）:14-16.

[3]Elder CP，Cook RN，Chance MA，et al.Imagebased calculation of perfusion and oxyhemoglobin saturation in skeletal muscle during submaximal isometric contractions[J].Magnetic Resonance in Medicine，2010，64（3）:852-861.

[4]周洪建，蔡桂艷.三波長無創血氧飽和度測量算法及應用[J].中國生物醫學工程學報，2007，26（5）: 680-684.

[5]崔厚欣.吸收光譜法在實際應用中的關鍵問題的研究[D].天津：天津大學，2006.

[6]Cejnar M，Kobler H，Hunyor S N.Quantitative photoplethysmography:Lambert-Beer law or inversefunction incorporatinglightscatter[J]. Journal of Biomedical Engineering，1993，15（2）: 151-4.

[7]Elder CP，Cook RN，Chance MA，et al.Imagebased calculation of perfusion and oxyhemoglobin saturation in skeletal muscle during submaximal isometric contractions[J].Magnetic Resonance in Medicine，2010，64（3）:852-861.

[8]Ashoka R K，George B，Madhu M N，et al.A novel method for the measurement of oxygen saturation in arterialblood [C]//Conference Record-ieee Instrumentation & Measurement Technology Conference.IEEE，2011:1-5.

[9]張伯英.指端光電容積脈搏波在循環功能動態監測中的意義[J].生物醫學工程與臨床，2010，14（2）: 142-145.

[10]Alian A A，Shelley K H.Photoplethysmography.[J]. Best Practice&Research Clinical Anaesthesiology，2014，28（4）:395-406.

[11]任保宏，徐科軍.MSP430單片機原理與應用[M].北京:電子工業出版社，2014.

[12]TI公司.Integrated Analog Front End for Pulse Oximeters[EB/OL]American:TI，2013[2016年3月12日].http://www.ti.com/product/afe4490

[13]陳世海，裴東興，張琦.FPGA實現滑動平均濾波算法和LZW壓縮算法 [J].電子設計工程，2010，18（2）:67-69.

[14]Upganlawar I V，Chowhan H.Pre-processing of ECG Signals Using Filters[J].International Journal of Computer Trends&Technology，2014，11（4）.

[15]張愛華，王平，丑永新.基于動態差分閾值的脈搏信號峰值檢測算法[J].吉林大學學報:工學版，2014（3）:847-853.

The design of non invasive blood oxygen saturation measurement terminal based on PPG signal

CAO Chang-sheng1，2，XU Ming1，WU Shou-hao2

（1.School of Information Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China；2.Digital TV Laboratory of Institute of Tsinghua University in Shenzhen，Shenzhen 518057，China）

According to requirement of family and community on the portable monitor，the noninvasive oxygen saturation measurement terminal is designed with TI's MSP430F6659 and AFE4490 chip solution based on PPG （photoplethysmography）signals.Firstly，the hardware and software of the measuring terminal are designed by analyzing the measurement principle of noninvasive blood oxygen saturation. And then the curve is calibrated by blood oxygen simulator.Finally，the continuous measurement of blood oxygen saturation and the real-time display of the PPG signal are realized.According to the contrast test，the correlation of measuring result between the measuring terminal and the leading equipment in foreign countries is more than 97%，indicates that the measurement terminal has a high accurate.

noninvasive measurement of blood oxygen；PPG；Lambert-Beer；AFE4490

TN219

B

1674－6236（2017）07-0057-04

2016-03-20稿件編號：201603258

深圳市科技計劃項目（CXZZ20130516153930222）

曹昌盛（1989—），男，河南開封人，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統、醫療電子。