一款耳部血氧飽和度采集裝置的研制*

李偉權(quán)，周文光

(1.廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廈門 361102；2.32251部隊醫(yī)學(xué)工程科，廈門 361003)

1 引 言

隨著醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的興起和智能可穿戴設(shè)備的普及[1-9]，人體生理信號的檢測已無需依賴復(fù)雜昂貴的臨床診療設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)，并且可在日常生活中進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

血氧飽和度(SpO2)是是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。臨床上通過監(jiān)測SpO2可以對血液中的氧含量和人體的缺氧情況進(jìn)行估計。

SpO2目前比較普遍的檢測方法是無創(chuàng)光電容積脈搏波法(PPG)[10-17], 其基本工作原理來自于譜分析，運(yùn)用溶液中某種成分對特定波長光的獨(dú)特吸收特性來對其進(jìn)行探測和定量。圖 1是血紅蛋白(Hb)和氧合血紅蛋白(HbO2)在波長位于紅光至近紅外光時的光吸收譜，可以看到在 660 nm 處， Hb對光的吸收量近十倍于 HbO2，而在 940 nm 處，恰恰相反，HbO2對光的吸收更強(qiáng)，即在這兩個波長處，Hb和HbO2具有較強(qiáng)的“對比度”。

圖1 Hb和HbO2的光線吸收曲線Fig.1 Light absorption curves of Hb and HbO2

因此，根據(jù)朗伯-比爾定律，SpO2可以通過檢測兩種光經(jīng)過人體的吸收率獲得,見式(1)、式(2)。

SPO2=A-B×R

(1)

(2)

式中，A,B為常系數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)確定。R為光吸收比例系數(shù)，λ1和λ2為紅光和紅外光的波長，IDC和IAC分別表示光強(qiáng)經(jīng)過人體后的直流分量和交流分量。

2 耳部血氧飽和度檢測

傳統(tǒng)的SpO2檢測一般是在肢體的末端血管豐富的部位，如手指、耳垂等，信號采集的方式可以是透射式也可以是反射式。耳道也是測量多個生理參數(shù)的理想?yún)^(qū)域，因?yàn)轭i動脈血管系統(tǒng)沿著耳道區(qū)域垂直運(yùn)行，且還有一個毛細(xì)血管系統(tǒng)穿過對耳屏和耳垂，見圖2。這就為應(yīng)用PPG技術(shù)檢測SpO2信號提供了良好的檢測環(huán)境。[18-21]

圖2 耳道解剖圖

但是，傳統(tǒng)檢測SpO2的傳感器體積較大，且結(jié)構(gòu)不適用于耳朵區(qū)域的檢測，所以，耳朵區(qū)域的生理信號檢測一直未得到發(fā)展。隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步，以及可穿戴醫(yī)療技術(shù)的應(yīng)用，SpO2檢測技術(shù)得到改進(jìn)。美信公司的MAX30102傳感器模塊是一款新型的SpO2檢測傳感器，見圖3。它集成了紅光和紅外光發(fā)射模塊及光學(xué)傳感器接收模塊，集成LED驅(qū)動電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，自帶的處理器可以自動控制檢測時序，采用I2C通訊，功耗低，應(yīng)用非常簡便。

圖3 MAX30102檢測原理 Fig.3 MAX30102 test principle

耳部血氧采集的裝置是基于MAX30102芯片設(shè)計的入耳式耳塞裝置(見圖4)，在與耳屏接觸的部位應(yīng)用PPG技術(shù)實(shí)現(xiàn)檢測SpO2。整個系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖5。

圖4 耳塞式血氧飽和度檢測裝置實(shí)物圖

圖5 耳塞式血氧飽和度檢測裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖5可知，整個系統(tǒng)分為主控芯片，電源模塊，音頻模塊，血氧檢測模塊，藍(lán)牙通信模塊，加速度傳感器檢測電路等六部分。音頻模塊由音頻電路、喇叭和麥克組成，主要實(shí)現(xiàn)耳機(jī)的語音和音頻播放功能；藍(lán)牙模塊負(fù)責(zé)通信，可以和移動終端連接，并傳輸音頻信號和SpO2信號。SpO2檢測電路和檢測光路組成血氧檢測模塊，檢測電路由MAX30102及外圍電路組成，檢測光路主要保障檢測芯片發(fā)射和接收的紅外光能夠聚焦投射到耳道的檢測區(qū)域和檢測芯片上，并減少環(huán)境光對檢測芯片的影響。加速度傳感器檢測電路采用三軸加速度計和外圍電路組成，可檢測人體在三個軸向的運(yùn)動信號，并結(jié)合動態(tài)濾波器濾除信號的運(yùn)動干擾。整套系統(tǒng)采用電池供電，由電源管理模塊負(fù)責(zé)電池的充放電管理。主控芯片負(fù)責(zé)系統(tǒng)與各模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和控制，完成數(shù)據(jù)的提取以及血氧飽和度值的計算和濾波算法的實(shí)現(xiàn)，所以主控芯片采用計算能力強(qiáng)，片上資源比較豐富的高性能單片機(jī)。本系統(tǒng)采用STM32F4系列MCU芯片，該芯片帶有DSP庫，可以進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算。

SpO2檢測中光路的穩(wěn)定性非常關(guān)鍵，人體的運(yùn)動會造成耳塞在耳道內(nèi)的位移，會給SpO2信號的檢測帶來干擾，影響檢測精度。需增加檢測裝置和耳道之間的壓迫力，使檢測裝置緊貼耳道，以此來減少或避免位移。為此，在耳塞檢測部位與對耳屏接觸的位置，我們加入了一個特制的硅膠導(dǎo)光柱[22]以實(shí)現(xiàn)檢測部位與皮膚的緊密接觸，見圖6。導(dǎo)管柱采用獨(dú)特的光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以保證發(fā)射和接收的紅外光能夠聚焦在導(dǎo)光柱內(nèi)，減少光線的散射，同時外部的環(huán)境光也無法透過導(dǎo)光柱進(jìn)入到檢測芯片中。遮光罩是隔光材料制成，也可以有效避免外部光線進(jìn)入檢測芯片。這樣整個裝置既可有效避免環(huán)境光的干擾，也可以減少運(yùn)動帶來的偽影。

圖6 導(dǎo)光柱結(jié)構(gòu)

3 抗運(yùn)動干擾算法

運(yùn)動干擾是可穿戴檢測技術(shù)遇到的主要技術(shù)障礙，對于耳部血氧飽和度檢測來講，運(yùn)動干擾主要是由運(yùn)動過程中檢測探頭與受測部位的相對位移以及靜脈搏動等造成的檢測光程的改變引起。為了有效濾除運(yùn)動干擾信號，裝置中結(jié)合加速度傳感器技術(shù)應(yīng)用自適應(yīng)濾波算法濾波器(LMS)對采集的信號進(jìn)行濾波處理。自適應(yīng)濾波算法在未知干擾信號頻率的情況下，將信號中的干擾成分進(jìn)行動態(tài)跟蹤，并進(jìn)行濾除。而SpO2檢測中的運(yùn)動干擾屬于頻率不固定的干擾信號，適合采用LMS對采集信號進(jìn)行濾波處理[23-26]。

圖7 自適應(yīng)濾波器原理

最小均方誤差 (least-mean-squares，LMS)算法[27-32]，是由 Widrow和Hoff提出的線性自適應(yīng)濾波算法，包括濾波過程和自適應(yīng)過程。因其計算量小、易于實(shí)現(xiàn)，而在實(shí)踐中被廣泛用。

圖7為自適應(yīng)濾波器(LMS)的原理，圖中x(n)為輸入信號，即采樣獲取的信號，d(n)為參考信號，即運(yùn)動干擾產(chǎn)生的信號源。在此，用加速度傳感器的信號作為運(yùn)動干擾信號的信號源。在LMS中，輸入信號x(n)通過一個fir濾波W(n)獲得信號y(n),通過y(n)與參考信號d(n)作比較，得到差值ε(n),ε(n)作為濾波器W(n)的相關(guān)系數(shù)動態(tài)調(diào)整W(n),最終使得y(n)接近參考信號d(n),ε(n)收斂為最小。這樣就獲得了檢測信號x(n)中的運(yùn)動干擾分量y(n)。去除y(n)分量，x(n)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動干擾濾除。其中n值代表了LMS的階數(shù)，n值越大濾波器的效果越好，計算量也越大。濾波器W(n)的選擇則決定了LMS的收斂速度。這些參數(shù)都需要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，挑選志愿者實(shí)際佩戴裝置后，進(jìn)行行走運(yùn)動，耳機(jī)采用電池供電，PPG信號檢測數(shù)據(jù)，人體運(yùn)動的三軸加速度數(shù)據(jù)，MCU主控芯片通過抗運(yùn)動干擾算法后計算的結(jié)果及最終計算的SpO2值都通過藍(lán)牙傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，通過上位機(jī)將四組數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并應(yīng)用matlab對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

以x軸的加速度數(shù)據(jù)作為LMS的輸入信號input(x)，以帶噪聲的紅光或紅外光檢測信號作為濾波器的目標(biāo)信號desired(d),經(jīng)濾波器自適應(yīng)迭代后，得到的輸出信號output是所要濾除的噪聲，殘差信號error是濾除噪聲后的純凈紅光或紅外光的反射信號。

LMS的主要參數(shù)是學(xué)習(xí)步長和濾波器階數(shù)，步長μ是LMS的重要參數(shù)，過小影響收斂速率，過大則會導(dǎo)致不穩(wěn)定，并影響到SpO2和HR的處理準(zhǔn)確性。經(jīng)實(shí)測，對比不同的步長對SpO2和 H值的影響，本研究設(shè)置學(xué)習(xí)步長μ為0.017；考慮到系統(tǒng)的計算資源比較有限，同時SpO2檢測的實(shí)時性要求，本研究濾波器階數(shù)為35。則濾波器濾波結(jié)果見圖8—圖10。

圖8 LMS濾波結(jié)果分析圖

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，原始的PPG信號因?yàn)檫\(yùn)動干擾的影響在波形中出現(xiàn)許多尖峰和毛刺，并且波形還出現(xiàn)了基線漂移。這些都會影響SpO2數(shù)值的計算以及脈率的檢測。在有運(yùn)動干擾的情況下，通過PPG信號計算脈率會造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，并且數(shù)值變化起伏比較大。同樣SpO2的計算也會受到很大的影響，數(shù)值跳動比較劇烈，會出現(xiàn)很多低于正常值的無效值(因受試者為健康人，SpO2值應(yīng)保持在97以上)，有時會無法計算獲取結(jié)果。而通過LMS處理后的信號，已基本濾除了波形中的干擾信號，且基線也比較穩(wěn)定，同時濾波后計算獲得的脈率值和SpO2值也比較穩(wěn)定。這說明LMS可以有效濾除運(yùn)動干擾信號，提高信號的準(zhǔn)確性。

圖9 濾波前后脈率計算結(jié)果

圖10 濾波前后血氧飽和度計算結(jié)果

5 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)可知，在結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)光路的抗干擾性，在算法上加入自適應(yīng)濾波算法，可以有效提高耳部SpO2采集的準(zhǔn)確性。同時耳部雖然也可以作為多個生理參數(shù)的理想采集區(qū)域，但是耳部裝置的可固定性，裝置抗運(yùn)動和位移干擾的能力等方面都有待加強(qiáng)，目前的研究僅限于被測者平穩(wěn)緩慢走動中的信號采集，受制于硬件的處理能力，自適應(yīng)濾波算法的步長和濾波器的階數(shù)都有所受限。如要實(shí)現(xiàn)被測者劇烈運(yùn)動等場景下的SpO2的準(zhǔn)確測量，需要在裝置的結(jié)構(gòu)、采集的方法、數(shù)據(jù)處理的能力等方面做更深入的研究。