無線生理參數監測方法與系統設計

張振濤，王 娟

(1.吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022； 2.吉林工業職業技術學院 電氣學院，吉林 吉林 132013)

血氧和心率是人體生命體征的重要參數，目前市場上的手環等穿戴設備主要是針對心率的檢測，而血氧飽和度的測量還是依賴于指夾式的透射式傳感器，限制了設備的可穿戴性和便攜性[1]，美信研發的MAX30102生物信號傳感器使血氧的可穿戴測量成為可能.本文設計了一種無線生理參數的檢測系統，該系統可實時監測人體心率和血氧等參數的變化情況，同時作者對于原始信號進行信號算法處理和標度變換，計算出了心率和血氧參數，并且可以通過藍牙傳送到手機端，該裝置通過和ADINSTRUMENTS的生理數據標準化設備進行對比測量，滿足可穿戴測量的要求.

1 測量原理

該系統數據采集芯片為MAX30102，采集原理為光電容積脈搏描記法PPG.當LED光照透過皮膚組織然后再反射到光敏傳感器時光照有一定的減弱[2]，如圖1所示.

當把光轉換成電信號時，正是由于動脈對光的吸收有變化而其他組織如人體的肌肉、骨骼、靜脈和其他連接組織等對光的吸收基本不變，得到的信號就可以分為直流DC信號和交流AC信號[3].提取其中的AC信號，就能反映出血液流動的特點.對于吸收光強度的變化可以用郎伯-比爾定律來計算，出入射光強與吸收層厚度和吸收物濃度的關系為：

(1)

式中：I0為入射光強；I為反射光強；E為物質的吸收系數；C為物質的濃度；L為吸收層厚度.

圖1 采集過程

在600～800波長的光中，氧合血紅蛋白與血紅蛋白會對其進行吸收.在不同波長的光中，氧合血紅蛋白與血紅蛋白對光的吸收程度有所不同，在開始的時候，氧合血紅蛋白占據主要作用，隨著波長的增加，血紅蛋白后來居上[4].基于上述特點，可以利用紅光與波長更高的光進行聯合，在一定的區間檢測氧合血紅蛋白與血紅蛋白，然后在數據處理的過程中，得到兩者的對應關系，緊接著就可以得到血液中氧氣的含量.光吸收特性如圖2所示.

波長/nm圖2 Hbo2與Hb的關系

血液中含有的氧合血紅蛋白HbO2和血紅蛋白Hb存在一定的比例[5]，圖2表示了二者對波長600～1 000 nm的光吸收特性，從圖中可以看出600～800 nm間Hb的吸收系數更高，800～1 000 之間HbO2的吸收系數更高.所以可以利用紅光(600～800 nm)和接近IR(800～1 000 nm)的光分別檢測HbO2和Hb的PPG信號，然后通過程序處理算出相應的比值，這樣就得到了血氧值.

2 系統設計

健康監護系統平臺總體功能模塊結構主要包括MAX30102模塊、OLED顯示模塊、STM32F103 C8T6控制器、手機App顯示、藍牙無線傳輸模塊、電池.系統的總體結構如圖3所示.

圖3 系統總體結構

利用MAX30102模塊于此系統，此模塊可進行全面的血氧飽和度和心率檢測并具備可以穿戴這一優點.與傳統的心率血氧檢測溫度檢測方法相比，該模塊體積小、重量輕、功耗低、功能高度集成[6]，而且有一個專有的濾波器可以消除環境光的影響，內置18位ADC，完全滿足監控系統設計的功能要求.MAX30102借助其特有的數據分析方法對其獲得的數據進行準確無誤的分析和加工.電路圖如圖4所示.

圖4 數據采集電路

0.96英寸OLED顯示屏接口形式是SPI，控制器通過程序模擬SPI時序控制液晶屏.

HC-05藍牙模塊工作在主從模式，此時HC05模塊中Rxd和Txd對應性的和STM32F103中UART1口的Txd和Rxd接在一起.STM32F103C8T6通過串口中斷控制HC-05模塊和手機通信，把采集的生理參數信息發送給手機.本系統采用兩節3.7 V干電池為電源，為了得到3.3 V電壓，使用7805調節器把電壓降為5 V，再用ASM1117把5 V轉換為3.3 V.系統如圖5所示.

圖5 生理參數采集系統

3 數據處理與標度變換

光電容積脈搏描述法將這兩束光打到手指上時接收器接收到的光強是與發射器發出的光強是不同的[8]，我們通過計算接收器接收到的兩束光的光強來得到兩束波的脈搏波信號，信號的采樣頻率為50 Hz，采樣4 000個離散信號如圖6所示.

采樣點數圖6 脈搏波離散信號

測量結果中，由于原始信號存在測量動作干擾[9].紅光和紅外光血液中吸光度的變化反映了血紅蛋白含氧量的變化.這里需要注意的是，心率只需使用一個 LED 即可測量，例如IR，因為交流元件是唯一需要的信號.提取800個正常測量點，可以清楚地看到脈搏波的變化，趨勢圖如圖7所示.

采樣點數圖7 脈搏波變化趨勢圖

此信號包含由動脈和毛細血管的體積變化光學調制的光[10]，此光(PPG) 信號在確定心率和 SpO2 電平時極為重要.然而在測量過程中有基線漂移、工頻干擾、運動干擾等.為簡化算法，使其更適合嵌入式設備應用場景[11]，對(工頻)高頻干擾采用滑動平均濾波法處理，該算法原理不再贅述，計算公式為：

(2)

式中：m為正整數；L=2m+1，為濾波器階數，等于滑動窗口的寬度，L為奇數.

實驗中滑動窗口寬度L=11時，截止頻率約為5 Hz，濾波效果如圖8所示.

采樣點數圖8 滑動平均濾波后的脈搏波

把血液流動對光吸收轉變成了AC信號，如果進行FFT變換[12]，那么就能看到頻域的特點.如圖9所示，就是對PPG信號的FFT轉變.圖中的頻域圖，0Hz的信號很強，這部分是骨骼、肌肉等組織的DC信號[13-14].在0.01 Hz附近有個相對比較突出的信號就是血液流動轉變的AC信號.假設測得到的頻率f=0.012 Hz，那么心率HR≈83.

頻率/Hz圖9 經過FFT變換后的頻譜圖

血氧的標度變換是經過計算紅光和紅外光的吸光度比率然后通過經驗擬合得到的，首先計算兩種光的直流分量，直流分量是交流信號的偏移量，它可以通過對去燥處理后的信號連續的波谷值進行滑動平均，得到紅光和紅外光的直流分量.交流分量是峰值與直流值之間的距離，然后通過以下公式求出比率[15]:

(3)

如ACRED=116.25、DCRED=81 590.75、ACIR=314.740、DCIR=94 068.260，那么R≈0.43，SpO2=104-17R=96.8%.

4 誤差分析

為了分析結果的精確度，使用該系統和ADINSTRUMENTS的生理數據標準化設備進行對比測量，該標準化設備如圖10所示.測量對象是實驗室的9名同學，為了減少環境對測量結果的影響，達到同時同地同樣本測量，每名同學分別用左右手食指接觸本系統和標準化設備的傳感器，同時讀出結果，通過讀取5次取平均值，測量結果如表1.

圖10 ADINSTRUMENTS的生理數據標準化設備

表1 檢測結果誤差分析

從檢測結果可以看出，本系統的結果和生理信號標準化設備相對誤差小于2%，誤差分布基本服從正態分布，可以通過多次測量減小隨機誤差，粗大誤差基本是由于外界環境的影響，比如：手腕移動、情緒波動或者測量時說話出聲造成的.該測量結果說明本系統可以用于生理參數的嵌入式測量或者用于可穿戴設備.

5 結 論

本文依據光電容積描述法測量脈搏波的原理，選用MAX30102芯片設計了一種無線生理參數監測系統.設計過程中通過對硬件電路的設計和硬件調試，同時采用滑動平均濾波法完成了脈搏波信號的數據處理和對心率血氧的標度變換.測量結果和生理參數標準化設備的測量結果相近，通過標定對比，血氧飽和度測量范圍35%～100%，分辨率為1%，精度為70%～100%±2%，心率測量范圍0～150次/min，誤差不超過1%，體溫范圍0～50 ℃，分辨率0.1 ℃，誤差不超過0.2%.該系統還通過自定義串口傳輸協議完了串口藍牙通訊，擴展了系統的應用范圍.