基于FFT、光電傳感器的多功能健身監(jiān)測(cè)儀的研究

【作 者】田鶴，朱歡燕，張鈺，張珣

杭州電子科技大學(xué) 電工電子國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，杭州市，310018

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們?cè)絹?lái)越重視體育運(yùn)動(dòng)，而如何根據(jù)自身?xiàng)l件科學(xué)的選擇運(yùn)動(dòng)，是人們面臨的一大問(wèn)題。當(dāng)前市場(chǎng)上的健身產(chǎn)品大多只是檢測(cè)身體的特定生理參數(shù)，或只是完成了對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的檢測(cè)，并未將二者結(jié)合起來(lái)，因此不能達(dá)到合理健身的效果。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種多功能健身監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)計(jì)算用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)量，并以運(yùn)動(dòng)中人體的血氧飽和度、心率等參數(shù)作為健身的參考指標(biāo)，科學(xué)地指導(dǎo)用戶(hù)健身。其硬件是由光電傳感器[1]及相應(yīng)的調(diào)理電路與單片機(jī)PIC24FJ128GA010組成的血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)，采用透射型的脈搏式方法獲得生理信號(hào)，通過(guò)濾波、可控增益放大，由PIC24FJ128GA010單片機(jī)內(nèi)置的高速A/D進(jìn)行信號(hào)采樣，并采用FFT算法分析數(shù)據(jù)，得到人體血氧飽和度及心率的生理信息。此外，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了計(jì)步器功能，其測(cè)步電路由三軸加速度傳感器[2]MMA726采集運(yùn)動(dòng)中的加速度特征，通過(guò)軟件計(jì)算，得到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的步數(shù)、時(shí)間、距離等健身信息。本文將重點(diǎn)介紹人體血氧飽和度及心率的檢測(cè)方案。

1 血氧飽和度檢測(cè)模型的建立

人體中氧合血紅蛋白(HbO2)占整個(gè)血容量中血紅蛋白的百分比稱(chēng)為“血氧飽和度”，其公式為[3]：

式中CHbO2為血液氧合血紅蛋白含量，CHb為脫氧血紅蛋白含量，SpO2為血氧飽和度。

本文選擇的血氧飽和度檢測(cè)模型以比爾-朗伯定律[4]為依據(jù)，即當(dāng)一束單色光通過(guò)溶液介質(zhì)時(shí)，吸光度與吸光溶液的濃度和溶液層的厚度的乘積成正比，其關(guān)系式為：

式中，A表示溶液的吸光度，I0表示入射光強(qiáng)度，It表示透射光強(qiáng)度，l表示溶液層的厚度，c為吸光溶液的濃度，K為吸收系數(shù)，與溶液性質(zhì)、入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。

圖1顯示了血液中不同成分的光吸收程度，其中氧合血紅蛋白對(duì)660 nm波長(zhǎng)的紅光吸收量較少，而對(duì)940 nm波長(zhǎng)的紅外光吸收量較多；脫氧血紅蛋白則反之[5]。因此通過(guò)測(cè)定血液中紅外光吸收量與紅光吸收量之比值，可確定血紅蛋白的氧合程度。

圖1 血紅蛋白吸光程度曲線(xiàn)Fig.1 Hemoglobin light-absorption curve

基于上述原理，本文采用脈搏式無(wú)創(chuàng)血氧飽和度檢測(cè)方案。該方案把手指看成盛有血紅蛋白的透明容器，來(lái)測(cè)量紅光和紅外光透過(guò)手指的衰減程度，其測(cè)量模型如圖2所示。由于光路上的其他組織如皮膚、脂肪和骨骼等對(duì)這兩種光的吸收系數(shù)恒定，只有動(dòng)脈血流中的血紅蛋白濃度隨著血液的脈動(dòng)周期性的變化，因此通過(guò)測(cè)量光衰減程度的變化，就可獲得對(duì)應(yīng)的血氧飽和度及脈搏心率信息[6]。

圖2 脈搏式血氧飽和度采集模型Fig.2 Pulse oxyhemoglobin saturation acquisition model

2 測(cè)量血氧飽和度的硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文采用的血氧飽和度檢測(cè)電路主要由三個(gè)模塊組成：傳感器模塊、控制模塊和信號(hào)處理模塊，如圖3所示。

控制模塊通過(guò)控制H橋電路驅(qū)動(dòng)傳感器模塊，其內(nèi)部還集成了10位高速A/D轉(zhuǎn)換器。

傳感器模塊采用光電法[7]測(cè)量人體的血氧飽和度及心率等生物信號(hào)，使用時(shí)探頭夾在手指上。其上壁固定兩個(gè)并列放置的發(fā)光二極管(LED)，分別發(fā)出波長(zhǎng)為660 nm的紅光和940 nm的紅外光。下壁置有光電檢測(cè)器，可將光透過(guò)手指的衰減量轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。

圖3 血氧飽和度采集硬件電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Oxygen saturation acquisition hardware circuit block diagram

信號(hào)處理模塊由I-V轉(zhuǎn)換、帶通濾波、可編程增益放大（PGA）、交流信號(hào)采樣和直流信號(hào)采樣等電路構(gòu)成，如圖4所示。由傳感器模塊產(chǎn)生的電流信號(hào)，首先經(jīng)I-V電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，對(duì)此信號(hào)采樣，經(jīng)軟件濾波可得到紅光（紅外光）對(duì)應(yīng)的直流值。再通過(guò)帶通濾波器（0.2～15） Hz提取含有脈搏信息的交流量，并經(jīng)由PGA放大為適合采集的信號(hào)。被放大的交流量由單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器采樣后經(jīng)算法處理，可得到相應(yīng)的血氧飽和度和心率信息。

圖4 信號(hào)處理模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Signal processing module block diagram

3 基于FFT的血氧飽和度算法實(shí)現(xiàn)

本文提出的血氧飽和度算法主要由信號(hào)采集、自動(dòng)增益判斷、基于FFT的信號(hào)分析、結(jié)果標(biāo)定四個(gè)部分構(gòu)成。

(1)信號(hào)采集 信號(hào)采集部分主要負(fù)責(zé)LED管的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換，其中信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換使用單片機(jī)PIC24FJ128GA010內(nèi)部的10位高速A/D轉(zhuǎn)換器。通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換可得到含有血氧飽和度及心率信息的交、直流信號(hào)。

(2)自動(dòng)增益判斷 由于特定光穿過(guò)指尖的衰減程度因人而異，為增強(qiáng)通用性，系統(tǒng)采用可控增益放大器來(lái)進(jìn)行交流信號(hào)的放大。系統(tǒng)通過(guò)判斷交流信號(hào)最大值（Max）與A/D轉(zhuǎn)換器參考正電平（Vcc）的差值，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)可控增益放大器的增益，進(jìn)而使最終所得的數(shù)據(jù)占Vcc的2/3以上，以此提高系統(tǒng)精度。

(3)基于FFT的信號(hào)分析 在得到直流信號(hào)及自動(dòng)增益放大后的交流信號(hào)基礎(chǔ)上，本文采用快速傅里葉分析（FFT）計(jì)算交流信號(hào)的信息，其主要功能函數(shù)有：

void Reverse()：變址運(yùn)算，該函數(shù)將一個(gè)長(zhǎng)度為2?n的自然序列重新排序，轉(zhuǎn)換成倒位序。

void FFT(Length,Log2len)：FFT運(yùn)算，其中Length為輸入數(shù)組的大小，Log2len為其對(duì)應(yīng)的蝶形運(yùn)算長(zhǎng)度。

void Magnitude()：計(jì)算經(jīng)由FFT分析所得的各次諧波的幅值。其幅值最大的點(diǎn)對(duì)應(yīng)原始信號(hào)的基次諧波。

int VectorMax()：尋找幅度的最值，并返回其在數(shù)組中的相應(yīng)下標(biāo)。

void Frequency()：計(jì)算交流信號(hào)頻率。通過(guò)FFT分析得到的信號(hào)頻率Freq= I*Sampling/Length。式中I表示幅度最大值的數(shù)組下標(biāo)，Sampling表示系統(tǒng)的采樣頻率，Length為數(shù)組長(zhǎng)度。

血氧飽和度及心率檢測(cè)的軟件算法的整體流程圖如圖5所示。

圖5 血氧飽和度及心率檢測(cè)的軟件算法流程圖Fig.5 Oxygen saturation and heart rate detection algorithm flowchart

(4)結(jié)果標(biāo)定 根據(jù)比爾-朗伯定律（Beer–Lambert law），當(dāng)認(rèn)為指尖對(duì)光的衰減量變化主要由血紅蛋白引起時(shí)，其透射光強(qiáng)可由下式表示[8]：

其中光的衰減一部分由光路上的其他組織引起，這部分組織的吸光量不隨脈搏變化，其總的吸光系數(shù)、光吸收物質(zhì)濃度和光路徑長(zhǎng)度分別為K0、C0、L0，其透射光強(qiáng)所反映的直流信號(hào)記為IDC。光的另一部分衰減由血液中的氧合血紅蛋白(HbO2)與脫氧血紅蛋白(Hb)引起，其光吸收量隨脈搏而變化，記變化量為IAC。由于光路徑長(zhǎng)度及其變化未知，采用雙光束法（波長(zhǎng)660 nm的紅光和波長(zhǎng)940 nm的紅外光），可得到下式[9]：

代入血氧飽和度公式，考慮到透射光中交流分量占直流分量的百分比遠(yuǎn)小于1，用IAC/IDC近似代替In[(IDC-IAC)/IDC]，可得下式：

本文采用脈搏血氧仿真器來(lái)進(jìn)行結(jié)果標(biāo)定，把血氧飽和度探頭夾在仿真器的模擬組織上，通過(guò)選定不同的血氧飽和度含量參數(shù)，可得到系統(tǒng)檢測(cè)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，即可對(duì)系統(tǒng)的血氧飽和度進(jìn)行定標(biāo)。

4 計(jì)步功能的實(shí)現(xiàn)

本文在血氧飽和度及心率檢測(cè)的基礎(chǔ)上還增加了計(jì)步器功能，具體請(qǐng)參考文獻(xiàn)[10]。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用脈搏式無(wú)創(chuàng)血氧飽和度檢測(cè)方法，通過(guò)光電傳感器采集指尖對(duì)紅光及紅外光的吸收量，經(jīng)硬件濾波、放大，以及軟件的傅里葉分析算法，得到有關(guān)血氧飽和度和心率的數(shù)字信息。由加速度傳感器組成的測(cè)步電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)步器功能。其中血氧飽和度及心率信息的檢測(cè)信號(hào)如圖6所示。

在圖6中，傳感器模塊產(chǎn)生帶有光衰減程度的電流信號(hào)，經(jīng)I-V電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，系統(tǒng)首先輸出如圖6(a)所示的交直流疊加信號(hào)。對(duì)此信號(hào)采樣，經(jīng)軟件濾波可得到紅光（紅外光）對(duì)應(yīng)的直流值。疊加信號(hào)經(jīng)帶通濾波器，輸出交流量，此時(shí)波形如圖6(b)所示。交流信號(hào)經(jīng)過(guò)自動(dòng)增益判斷，放大成適合采集和處理的信號(hào)，如圖6(c)所示。

圖6 血氧飽和度及心率信息的檢測(cè)信號(hào)Fig.6 Detect signal of oxygen saturation and heart rate

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的多功能健身監(jiān)測(cè)儀主要由血氧飽和度、心率采集及處理模塊和基于加速度傳感器的計(jì)步控制分析模塊兩部分組成。采用光電傳感器、加速度傳感器MMA7260以及16位微控制器PIC24FJ128GA010等，構(gòu)成了本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)，并通過(guò)FFT分析、自適應(yīng)計(jì)步算法、數(shù)字濾波等分析人體信號(hào)。實(shí)物測(cè)試結(jié)果表明，本文提出的血氧飽和度精度達(dá)到95%以上，心率準(zhǔn)確度達(dá)0.01 Hz。本文設(shè)計(jì)的多功能健身監(jiān)測(cè)儀實(shí)現(xiàn)了生理指標(biāo)與運(yùn)動(dòng)信息的結(jié)合，為科學(xué)運(yùn)動(dòng)提供了指導(dǎo)依據(jù)。

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