基于光電容積脈搏波的呼吸信號提取及其系統的研制

周晶晶 ，葉繼倫 , ，張旭 ,

1 深圳大學 生物醫學工程學院，深圳市，518060

2 深圳市生物醫學工程重點實驗室，深圳市，518060

3 廣東省生物醫學信號檢測與超聲成像重點實驗室，深圳市，518060

0 引言

呼吸是人體重要的生理過程，呼吸的生理參數也是人們了解自身健康狀況的一個重要參考標準。現有的呼吸檢測方法如可穿戴式測量等會給受測試者帶來很多不適，因此需要一種快速簡單的呼吸測量方法。

光電容積脈搏波（photoplethysmography,PPG）是目前常用的無創檢測方法，利用指夾式血氧探頭幾秒內就可測出脈搏波信號[1]。人體呼吸時，光電容積脈搏波會發生變化，這種變化通過幅度和頻率調制在脈搏波信號中。因此可以提取脈搏波中特征參數來檢測呼吸信號，并進行呼吸率的計算。

1 光電容積脈搏波采集系統

光電容積脈搏波利用紅光紅外光在人體血液中的光學效應來檢測血液容積變化，其原理是根據朗伯比爾定律[1]，物質對某一波長光吸收的能力與吸光物質的濃度呈正比。心臟有節律的跳動會使血管中的血量發生變化。心臟收縮時會將血液泵到動脈，此時血管中血液量變多，吸收光也變多，檢測到的光強最小。心臟舒張時，正好相反，檢測到的光強度最大。

透射光法以朗伯比爾定律和光散射理論為基礎，利用氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白在紅光區（600～700 nm）和紅外光區（800～1000 nm）對光吸收存在明顯差異來檢測血氧飽和度。其中血氧探頭由波長為660 nm紅光發光二極管和940 nm紅外發光二極管以及光敏二極管構成。當血氧飽和度發生變化時，光檢測器上兩個波長的相對光強存在較好的線性關系。血氧飽和度：SpO2=A+BR,A、B為標定常數。

脈搏檢測框圖，如圖1所示；硬件板卡，如圖2所示；指夾式血氧探頭，如圖3所示。

圖1 信號采集框圖Fig.1 Signal acquisition block diagram

圖2 硬件板卡Fig.2 Hardware card

圖3 血氧探頭Fig.3 Blood oxygen probe

2 特征參數提取

對采集到的脈搏波進行特征提取，首先進行5 Hz低通濾波去除高頻干擾，再進行0.05 Hz高通濾波去除基線漂移。對濾波后的脈搏波進行波峰與波谷的時間軸與幅度軸的準確提取。

本研究參考范哲意等[2]提取呼吸頻率的方法從脈搏波中提取包絡、間隔、幅度、面積序列四個參數，并對四個參數進行三次樣條插值和重采樣，擬合出四種曲線。相關算法仿真在Matlab上實現，最后將算法移植至上位機。

算法流程圖，如圖4所示。

圖4 算法流程圖Fig.4 Algorithm flow chart

2.1 包絡參數

脈搏波信號中包含呼吸信號，呼吸通過調節脈搏波的包絡體現出來[3]，因此通過識別脈搏波峰值點，記錄其橫坐標和縱坐標，得到上包絡參數，并進行三次樣條插值得到呼吸信號。所采用的數據是實驗室光電容積脈搏波板卡采集到的信號，采樣率為62.5 Hz，分析數據時長為5 min。原始波形加濾波后標記峰值點的信號，如圖5所示；采集的包絡信號，如圖6所示；插值得到的呼吸波形，如圖7所示。

圖5 原始波形、濾波后標記采樣點的波形Fig.5 Original waveform,waveform marked with sampling point after filtering

2.2 間隔參數

由心率變異性理論可知，在呼吸過程中，由于迷走神經發生變化，引起心率變化，因此脈搏波的頻率改變反映呼吸頻率的變化[4]。我們可以從脈搏波中提取間期來計算呼吸。間隔參數就是利用提取的波峰值，提取兩個點之間的間距，轉換成頻率，再進行插值得到呼吸波形。間隔參數，如圖8所示；計算間隔參數插值得到的呼吸信號，如圖9所示。

圖6 包絡參數Fig.6 Envelope parameter

圖7 包絡插值得到的呼吸波形Fig.7 Respiratory waveform of envelope interpolation

2.3 幅值參數

呼吸能夠改變脈搏波幅度，通過提取脈搏波波峰和波谷點，相鄰兩點之間做插值得到幅值參數，并進行插值得到呼吸信號。幅值參數，如圖10所示。插值后得到的呼吸信號，如圖11所示。

圖8 間隔參數Fig.8 Interval parameter

圖9 間隔插值得到的呼吸波形Fig.9 Respiratory waveform of interval interpolation

圖10 幅值參數Fig.10 Amplitude parameter

圖11 幅值插值得到的呼吸波形Fig.11 Respiratory waveform of amplitude interpolation

2.4 面積參數

面積參數是利用提取的波谷點、原始梯形面積之和求出脈搏波波形面積。先找到波谷點i和i+1，通過將兩點之間的所有點的波形值相加，得到這一段波形與橫坐標圍成的整個波形面積。由于我們的數據是很多離散的點，所以可以用該方法求出波形面積。之后利用i和i+1的波形值求出波形低谷與橫坐標圍成的梯形面積，用整個波形面積減去梯形面積，得到最終的波形面積。面積參數，如圖12所示；利用面積參數插值得到的呼吸波形，如圖13所示。

圖12 面積參數Fig.12 Area parameter

圖13 面積插值得到的呼吸波形Fig.13 Respiratory waveform of area interpolation

3 系統軟件設計

3.1 系統上位機設計

上位機軟件利用Visual Studio 2010 MFC基礎類庫平臺進行開發，主要功能包括：實時顯示下位機傳送的脈搏波數據，顯示計算的呼吸波形，顯示脈率和呼吸率。上位機界面，如圖14所示。

圖14 上位機界面Fig.14 Upper computer interface

3.2 上位機算法設計

本系統是基于靜態下采集的光電容積脈搏波，利用間隔參數并采用三次樣條差值得到呼吸波形。每緩存15個數據進行300個點的插值，依次計算三次樣條差值的步長、上三角矩陣系數、指定常數和確定自然邊界來解矩陣方程，最終得到呼吸數據。利用此種方法存在一定延遲，因此計算出的呼吸數據和脈搏波數據不同時。

3.3 脈率

脈率計算公式[5]為：PR=60×f/T。其中f為采樣頻率，T為脈搏波周期。實時計算脈率采用的是5個峰值的平均周期，依次遞進計算所得。

3.4 呼吸率

呼吸率計算方式同脈率計算一致，其中T為呼吸率周期。

4 試驗結果

在平靜狀態下利用本系統采集了10名志愿者數據，試驗結果如表1所示。

表1 平靜狀態下光電容積脈搏波系統試驗結果（次/min）Tab.1 Experimental results of photoplethysmography in static state

5 討論

本系統初步實現靜態下從光電容積脈搏波中提取呼吸波形并計算脈率和呼吸率，但由于呼吸比較微弱，以及存在一定干擾，且三次樣條差值需緩存幾分鐘數據，因此存在一定響應時間。當噪聲干擾較大或者運動狀態下，提取的呼吸波形存在偏差。若要實現動態下的監測，需要加入SFFT進行計算，從SFFT中提取呼吸波形。這將是今后要研究的重點和難點。