頭戴便攜式血氧檢測裝置的系統實現

張由明　許華東

【摘 要】設計了一種頭戴式血氧檢測裝置，實現了血氧飽和度檢測的實時性和便捷性。首先，通過反射式探頭采集額頭的脈搏波（PPG）信號，然后由主芯片處理和計算信號。最后，由手機接收藍牙發送過來的血氧飽和度值和脈率值。與標準血氧儀檢測結果對比，實測血氧的平均誤差率不超過1%，且最大誤差小于4%，符合國際標準要求;當在測量過程中發生頭部移動時，實測血氧值仍在誤差范圍之內并且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： R473文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）20-0031-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.013

0 引言

血氧飽和度在臨床診斷中是用來衡量人體血液中攜帶氧氣能力的生理參數，它具有重要的意義[1]。人體血氧飽和度的測量方法分為有創測量和無創測量。有創測量需采集患者血液測量，其方式會給患者帶來一定的痛苦，且不能連續實時監測。所以無創測量為目前的主流測量方法，彌補了有創測量的缺點。

但對于一些特殊的人群的健康監護比如消防官兵、武警戰士等，市面上的可穿戴血樣檢測設備由于限制人體的自由活動而無法滿足要求。而本文針對于這些特殊情境下的需求，設計了一種基于反射式測量原理的探頭，制作成一種頭戴式血氧檢測裝置進行實時檢測，將檢測到的數據發送到手機并通過手機APP顯示檢測到的參數，實現了血樣檢測的實時性和便捷性，并且不會影響穿戴者的正常活動。

1 反射式血氧檢測原理

反射式血氧檢測模式如圖1所示，通過發光管發射紅光及紅外光，光線經被測部位反射或散射后到達接收管。

血氧飽和度是血液中被氧結合的氧合血紅蛋白的容量占全部可結合的血紅蛋白容量的百分比，其計算公式[2]為：

SpO2=■×100%（1）

2 信號處理

反射式探頭在額頭上采集數據時會受到干擾，為了得到準確的數據，必須對原始數據進行處理。原始信號（脈搏波信號）由定時器捕獲光頻信號獲取的，因此會產生隨機的奇異點，但其可通過均值濾波的方法除去。

由于外部影響，收集的PPG信號將產生高頻干擾，這會在波形上產生毛刺，但這些干擾幅度很小，頻率高于脈博波信號。因此，可以使用平滑濾波來消除高頻干擾。同時，由于身體自身呼吸引起的直流分量的不穩定性，會使脈搏波信號產生基線漂移。其可采用形態濾波去除基線漂移。

原始PPG信號和預處理波形如圖2所示。處理后的脈博波波形平滑、干凈、穩定，可用于生理參數的計算。

2.1 參數計算

血氧飽和度的計算需要提取脈搏波信號中的直流分量和交流分量，并且脈率的計算需要定位脈搏波信號的波峰位置。首先，使用差分異號法來定位最大值和最小值點，并計算相鄰最大值點之間的間隙以獲得脈沖率。然后，使用三次樣條差值法[4]計算脈搏波信號的包絡; 直流分量是上下包絡線的平均值，交流分量是上下包絡線之間的差值; 最后，兩個脈博波信號的交直分量值納入公式計算出血氧值。 圖3顯示了脈搏波信號包絡的定位。

3 實驗結果與分析

為了驗證本設備的可行性，結合擬合后的血氧計算公式，招募八名不同體質和類型的測試者，對測試者的頭部佩戴本實驗設備，手指佩戴標準血氧儀的指夾式探頭，同步記錄監護儀和手機顯示的血氧飽和度和脈率，如圖4所示。

記錄八位測試者在靜止狀態下的數據，記錄時長為5分鐘。將頭帶設備測得的參數與標準血氧監護儀測得的參數進行對比，并計算平均誤差率、均方根誤差和最大誤差，如表1所示。

從表1的八名測試者測試參數結果中可以看出，血氧飽和度的平均誤差率在1%以內，均方根誤差在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可以滿足國際標準的要求。

4 總結

由于人的呼吸會使人的身體略有顫動而產生一定的干擾，且額頭部位的脈搏波信號比較微弱，因此，所獲取的信號需要經過一系列有效濾波以去除噪聲，并獲得干凈且穩定的脈博波信號。由此計算出血氧值和脈率值[6]。通過多次實驗得出合適的擬合參數后，搭建出血氧計算的二次函數模型。實驗過程中，將血氧檢測頭帶獲得的結果和標準血氧儀測得的結果進行對比。實驗結果表明，血氧和脈率誤差率低，符合國際血氧檢測標準的要求;同時，在頭部活動范圍小的情況下，測得的血氧仍可保持在合理的范圍內。實現了血氧檢測的實時性。

頭部較劇烈運動會對原始脈搏波造成運動偽跡的干擾，但可以在頭帶中配置加速度傳感器，利用加速度信號消除運動干擾，此法可提高運動狀態下血氧檢測的準確度，這將作為后續的研究方向。

【參考文獻】

[1]薛俊偉，黃岳山，杜欣，等.藍牙低功耗可穿戴血氧監測設備的設計[J].中國生物醫學工程學報，2015，34（6）：701-707.

[2]張根選，石波，劉勝洋，等.一種高效實時脈搏血氧監測系統的研究[J].激光與紅外，2014，44（2）：187-191.

[3]徐盼盼，徐冰俏，徐文龍.基于AFE4400的脈搏血氧飽和度檢測系統[J].激光與紅外，2015，45（3）：320-324.

[4]胡勁松，楊世錫，任達千.基于樣條的振動信號局域均值分解方法[J].數據采集與處理，2009，24（1）：82-86.

[5]孫薇，唐寧，江貴平.脈搏波信號特征點識別與預處理方法研究[J].生物醫學工程學雜志，2015，32（1）：197-201.