基于FFT、光電傳感器的多功能健身監(jiān)測儀的研究

【作 者】田鶴，朱歡燕，張鈺，張珣

杭州電子科技大學 電工電子國家級實驗教學示范中心，杭州市，310018

0 引言

隨著社會的進步，人們越來越重視體育運動，而如何根據(jù)自身條件科學的選擇運動，是人們面臨的一大問題。當前市場上的健身產(chǎn)品大多只是檢測身體的特定生理參數(shù)，或只是完成了對運動數(shù)據(jù)的檢測，并未將二者結(jié)合起來，因此不能達到合理健身的效果。

針對以上問題，本文設計了一種多功能健身監(jiān)測儀，通過計算用戶的運動量，并以運動中人體的血氧飽和度、心率等參數(shù)作為健身的參考指標，科學地指導用戶健身。其硬件是由光電傳感器[1]及相應的調(diào)理電路與單片機PIC24FJ128GA010組成的血氧飽和度檢測系統(tǒng)，采用透射型的脈搏式方法獲得生理信號，通過濾波、可控增益放大，由PIC24FJ128GA010單片機內(nèi)置的高速A/D進行信號采樣，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)還實現(xiàn)了計步器功能，其測步電路由三軸加速度傳感器[2]MMA726采集運動中的加速度特征，通過軟件計算，得到運動過程中的步數(shù)、時間、距離等健身信息。本文將重點介紹人體血氧飽和度及心率的檢測方案。

1 血氧飽和度檢測模型的建立

人體中氧合血紅蛋白(HbO2)占整個血容量中血紅蛋白的百分比稱為“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模型以比爾-朗伯定律[4]為依據(jù)，即當一束單色光通過溶液介質(zhì)時，吸光度與吸光溶液的濃度和溶液層的厚度的乘積成正比，其關系式為：

式中，A表示溶液的吸光度，I0表示入射光強度，It表示透射光強度，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)、入射光波長等因素有關。

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660 nm波長的紅光吸收量較少，而對940 nm波長的紅外光吸收量較多；脫氧血紅蛋白則反之[5]。因此通過測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Fig.1 Hemoglobin light-absorption curve

基于上述原理，本文采用脈搏式無創(chuàng)血氧飽和度檢測方案。該方案把手指看成盛有血紅蛋白的透明容器，來測量紅光和紅外光透過手指的衰減程度，其測量模型如圖2所示。由于光路上的其他組織如皮膚、脂肪和骨骼等對這兩種光的吸收系數(shù)恒定，只有動脈血流中的血紅蛋白濃度隨著血液的脈動周期性的變化，因此通過測量光衰減程度的變化，就可獲得對應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 測量血氧飽和度的硬件系統(tǒng)實現(xiàn)

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

控制模塊通過控制H橋電路驅(qū)動傳感器模塊，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]測量人體的血氧飽和度及心率等生物信號，使用時探頭夾在手指上。其上壁固定兩個并列放置的發(fā)光二極管(LED)，分別發(fā)出波長為660 nm的紅光和940 nm的紅外光。下壁置有光電檢測器，可將光透過手指的衰減量轉(zhuǎn)換成電流信號。

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）、交流信號采樣和直流信號采樣等電路構(gòu)成，如圖4所示。由傳感器模塊產(chǎn)生的電流信號，首先經(jīng)I-V電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，對此信號采樣，經(jīng)軟件濾波可得到紅光（紅外光）對應的直流值。再通過帶通濾波器（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。被放大的交流量由單片機A/D轉(zhuǎn)換器采樣后經(jīng)算法處理，可得到相應的血氧飽和度和心率信息。

圖4 信號處理模塊結(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現(xiàn)

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

(1)信號采集 信號采集部分主要負責LED管的驅(qū)動和信號的采集與轉(zhuǎn)換，其中信號的采集與轉(zhuǎn)換使用單片機PIC24FJ128GA010內(nèi)部的10位高速A/D轉(zhuǎn)換器。通過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。

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

(3)基于FFT的信號分析 在得到直流信號及自動增益放大后的交流信號基礎上，本文采用快速傅里葉分析（FFT）計算交流信號的信息，其主要功能函數(shù)有：

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

void FFT(Length,Log2len)：FFT運算，其中Length為輸入數(shù)組的大小，Log2len為其對應的蝶形運算長度。

void Magnitude()：計算經(jīng)由FFT分析所得的各次諧波的幅值。其幅值最大的點對應原始信號的基次諧波。

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

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

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

(4)結(jié)果標定 根據(jù)比爾-朗伯定律（Beer–Lambert law），當認為指尖對光的衰減量變化主要由血紅蛋白引起時，其透射光強可由下式表示[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)濃度和光路徑長度分別為K0、C0、L0，其透射光強所反映的直流信號記為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。由于光路徑長度及其變化未知，采用雙光束法（波長660 nm的紅光和波長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進行結(jié)果標定，把血氧飽和度探頭夾在仿真器的模擬組織上，通過選定不同的血氧飽和度含量參數(shù)，可得到系統(tǒng)檢測的相應數(shù)據(jù)，即可對系統(tǒng)的血氧飽和度進行定標。

4 計步功能的實現(xiàn)

本文在血氧飽和度及心率檢測的基礎上還增加了計步器功能，具體請參考文獻[10]。

5 實驗結(jié)果

本文采用脈搏式無創(chuàng)血氧飽和度檢測方法，通過光電傳感器采集指尖對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步電路系統(tǒng)實現(xiàn)了計步器功能。其中血氧飽和度及心率信息的檢測信號如圖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，經(jīng)I-V電路轉(zhuǎn)換為電壓信號后，系統(tǒng)首先輸出如圖6(a)所示的交直流疊加信號。對此信號采樣，經(jīng)軟件濾波可得到紅光（紅外光）對應的直流值。疊加信號經(jīng)帶通濾波器，輸出交流量，此時波形如圖6(b)所示。交流信號經(jīng)過自動增益判斷，放大成適合采集和處理的信號，如圖6(c)所示。

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

6 結(jié)語

本文設計的多功能健身監(jiān)測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)成了本設計的硬件系統(tǒng)，并通過FFT分析、自適應計步算法、數(shù)字濾波等分析人體信號。實物測試結(jié)果表明，本文提出的血氧飽和度精度達到95%以上，心率準確度達0.01 Hz。本文設計的多功能健身監(jiān)測儀實現(xiàn)了生理指標與運動信息的結(jié)合，為科學運動提供了指導依據(jù)。

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