一種低功耗脈搏血氧飽和度測量系統(tǒng)的設計

戴 明 ，王 琪，吳萬慶

(1.南昌航空大學 信息工程學院，江西 南昌 330063；

2.中國科學院深圳先進技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055）

0 引言

血氧飽和度和脈搏波是人體新陳代謝的重要體征指標，也是人體呼吸和循環(huán)系統(tǒng)疾病診斷的重要參數(shù)[1]。脈率反映脈搏的節(jié)律性，血氧飽和度反映血液攜帶氧氣的能力。對于中老年人、亞健康人群、吸煙人群，特別是患有間隙性呼吸病和心臟病的人群，在夜間睡眠過程中，時常伴有心臟停車或間歇性呼吸暫?，F(xiàn)象，輕者影響睡眠質(zhì)量，嚴重時直接導致死亡。因此，研究一款低功耗、低成本，能在手機上動態(tài)監(jiān)控血氧飽和度和脈率，并能進行健康報警的便攜式設備變得越來越有意義[2]。目前，市場上光電式脈搏血氧儀種類很多，但普遍功耗較大，有線束縛，且很難做到夜間連續(xù)監(jiān)控和報警。因此，基于目前社會上最流行的光電式脈搏血氧測量原理[3]，本文設計并實現(xiàn)了一種適用于可穿戴式醫(yī)療的連續(xù)血氧飽和度測量系統(tǒng)。

1 無創(chuàng)血氧飽和度檢測原理及相關計算

1.1 血氧飽和度測量原理

血氧飽和度(SpO2)反應血液中氧合血紅蛋白(HbO2)占全部可結(jié)合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比[1]，它是評價人體呼吸和循環(huán)系統(tǒng)的一個重要體征參數(shù)?？梢酝ㄟ^監(jiān)測動脈血氧飽和度(SpO2)來對肺的氧合能力和血紅蛋白攜氧能力進行估計[4]。

血氧飽和度測量原理是基于動脈血液對光的吸收率隨著動脈搏動而變化的理論來進行測量的[1]。動脈血液中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白在不同波長入射光的照射下有著不同的吸收率[1]，當用一定波長的光照射人體手指時，經(jīng)過手指吸收、反射衰減后，由光敏元件探測到的透射（或反射）光經(jīng)光電流轉(zhuǎn)換放大，獲得一較小的脈動分量。通過探測這個變化量，并消除非血液組織的影響，進而測得血氧飽和度。

1.2 血氧測量電路相關計算

根據(jù)血氧飽和度的定義可得：

根據(jù)氧合血紅蛋白HbO2和還原血紅蛋白Hb對紅光和近紅外光具有不同吸收光譜的特性，可得吸光強度與吸光系數(shù)、介質(zhì)厚度、吸光物質(zhì)濃度的近似關系式：

其中K為吸光系數(shù)，L為手指厚度，C為吸光物質(zhì)濃度。

通過Lambert Bear定律,可推導出血氧飽和度近似公式：

其中，Q為兩種波長光線吸收率之比，A、B為常系數(shù)，與傳感器結(jié)構(gòu)、測量條件等因素有關[4]?？紤]到光電傳感器的離散性，在本系統(tǒng)設計中，A、B常系數(shù)通過實驗定標的方法來確定[5-6]。

1.3 脈率檢測相關計算

心臟的跳動引起動脈血管產(chǎn)生收縮和擴張，導致紅外光通過手指頭的透射率產(chǎn)生影響，從而能夠間接地測得心率值。假如n次心跳為一組，先通過相關算法取得n次心跳的時間間隔，再計算出脈搏數(shù)。

其中，Ts為第 s次檢測到的心跳時刻，Te為第 e次檢測到的心跳時刻。即第n個心跳時刻，τ為心跳的時間間隔，其中有：τ=Te-Ts，n=e-s。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)主要由脈搏血氧驅(qū)動調(diào)理電路、MCU、SD卡模塊、Bluetooth Low Energy(BLE)模塊、OLED顯示模塊、按鍵輸入模塊等組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。通過MCU產(chǎn)生兩路PWM信號，控制驅(qū)動電路的三極管Q1和Q2的輪流導通，同時通過DA輸出控制Q3和Q4，進而控制紅光和紅外光的發(fā)光強度。脈搏血氧傳感器的光電晶體管接收到交替的紅光和紅外光后，將光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，再通過OA0，將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號。去除直流后，經(jīng)AD采集，其結(jié)果作為第二級OA1的直流偏壓，用以放大微弱的脈搏血氧信號，再經(jīng)MCU內(nèi)部AD采集、濾波、計算處理后，通過OLED顯示出相應脈搏波、血氧飽和度值和脈率值。同時，將數(shù)據(jù)打包成串口數(shù)據(jù)包，并經(jīng)BLE模塊送給智能手機進行實時顯示和監(jiān)護。

圖1 脈搏血氧測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

3 脈搏血氧硬件電路設計

本設計采用660 nm紅光和940 nm紅外光對被測手指部位進行交替照射，兩透射光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到變化的光電流信號，再經(jīng)過放大、去直流、去工頻干擾和基線漂移得到兩路信號的交流成分，通過計算交流成分平均功率之比，再通過線性擬合得出脈搏血氧飽和度值[2]；最后通過提取一路交流信號特征值求出周期進而計算出脈率和血氧飽和度值[7]。

圖2 脈搏血氧測量驅(qū)動控制電路圖

本脈搏血氧驅(qū)動控制電路包括探頭驅(qū)動電路、光電流放大和去直流電路以及計算電路，如圖2所示。探頭驅(qū)動電路由對稱的4個三極管構(gòu)成，Q1、Q2實現(xiàn)兩路光線的交替照射，Q3、Q4與計算電路的兩DA端相連，通過MCU產(chǎn)生兩PWM信號來控制Q1和Q2實現(xiàn)紅燈和紅外燈的輪流交替通斷，通過對OA0進行AD采集后進行濾波和算法處理，計算出相應的值來控制MCU內(nèi)部DA進而控制Q3、Q4，實現(xiàn)紅燈和紅外燈的光強控制；光電流放大和去直流電路由兩級運算放大器組成，第一級將光電流放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號，此信號同時包含較小的交流成分和較多的直流成分，故需第二級運算放大器進行去直流處理和交流放大。計算電路接受兩個運放輸出，經(jīng)計算后輸出DC_OFFSET_OA1作為反饋為探頭驅(qū)動電路和去直流電路提供參考電壓。同時通過第二級運放對脈搏血氧信號進行放大，經(jīng)MCU采集、濾波、計算、顯示后，通過串口把封裝好的數(shù)據(jù)包送給BLE模塊進行傳輸。本測量模塊通過識別特征電阻R10來選取相應的飽和度定標曲線，從而區(qū)分探頭的種類[7]，做到軟硬件的匹配。

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件部分主要包括中斷程序、濾波、特征值提取、波形繪制等子程序，采用血氧飽和度線性擬合算法、最小均方自適應算法計算脈搏波的周期和血氧飽和度值；采用3次樣條插值擬合的方法消除基線漂移的影響[8]；采用FIR濾波器去除工頻噪聲干擾。其系統(tǒng)主流程圖如圖 3（a）所示。

此外，定時器中斷程序頻率采用200 Hz，其流程圖如圖3(b)所示。進入中斷，先關閉兩LED，然后開啟紅光LED，讀取輸入；再關閉紅光LED，根據(jù)輸入調(diào)整光照強度，經(jīng)平均濾波和FIR濾波、去直流、循環(huán)隊列更新，再確定是否處于找到波谷狀態(tài)。若未找到，則計算兩路光的平方和，同時采樣計數(shù)值累加；若找到，則求平方和，計算血氧飽和度和脈率。隨后關閉兩LED進入紅外光流程，開啟紅外光LED，讀取輸入；再關閉紅外光LED，經(jīng)平均濾波和FIR濾波、去直流、循環(huán)隊列更新，再確定是否處于離開波谷狀態(tài)，再尋找循環(huán)隊列中最小值和位置，再判斷是否為波谷，若不是繼續(xù)尋找，若是則進入離開波谷狀態(tài)。在離開波谷狀態(tài)過程中僅計數(shù)，且計滿20次后再次進入尋找波谷狀態(tài)，從而計算出脈搏周期。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

5 系統(tǒng)低功耗設計

本設計采用超低功耗MSP430FG4619作為主控芯片，由于內(nèi)含AD、DA及運算放大器，僅需少量阻容器件即可構(gòu)成驅(qū)動電路，故功耗低，成本低廉。本電路采用單電源供電，且使用藍牙4.0進一步降低了系統(tǒng)總體功耗；顯示屏采用OLED有機發(fā)光二極管，不僅提高了發(fā)光亮度，而且降低了顯示能耗，且MCU可根據(jù)不同模式選擇OLED關閉或者不同亮度顯示；同時本系統(tǒng)具有電源管理模塊，當檢測到電壓低于閾值電壓時，關閉藍牙并降低OLED亮度，以延長使用時間。在保證采樣精度的前提下，可適當減小AD采樣速度和LED發(fā)光強度以及LED通斷頻率來降低功耗。在軟件方面，有多種模式可選擇，當使用夜間監(jiān)護模式時，設備OLED顯示和手機LCD均關閉，MCU只進行數(shù)據(jù)間斷采集、計算和間隙發(fā)送串口數(shù)據(jù)包給藍牙BLE，濾波、算法處理、呼吸暫停警報都放在手機中進行；當選擇低功耗測量模式時，藍牙模塊和OLED顯示關閉，數(shù)據(jù)自動存儲在SD卡中；當選擇連續(xù)測量模式時，設備OLED通過按鈕進行顯示或者關閉。另外，當檢測到手指脫落超過10 s時，系統(tǒng)外圍電路斷開，MCU進入待機模式。

6 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

由于工頻噪聲的影響，故需對脈搏波進行50 Hz濾波，為了濾除脈搏波中50 Hz的工頻干擾，本電路選用適合在單片機上處理的FIR濾波器進行陷波。FIR濾波前后脈搏波波形如圖4所示。其結(jié)果表明，F(xiàn)IR濾波器較好地克服了工頻噪聲干擾。

圖4 通過FIR陷波器濾除50 Hz工頻噪聲前后脈搏波波形

由于呼吸過程中胸腔阻抗的變化及人體運動直接對脈搏波形產(chǎn)生影響，導致脈搏波形嚴重基線漂移[8]。為了克服基線漂移的影響，本系統(tǒng)采用3次樣條插值擬合變換的方法求出脈搏波形基線數(shù)據(jù)，然后去除漂移的基線，最后輸出波形。圖5為經(jīng)3次樣條插值去除基線漂移前后脈搏波的波形圖。

圖5 3次樣條插值去除基線漂移前后對比圖

另外，為了驗證本設計電路的系統(tǒng)功耗和準確度，需利用多組同類型儀器進行驗證。本文采用力康PC-60NW、康泰CMS-50IW與本設計電路進行實驗對比，如表1所示。

本系統(tǒng)測試中，通過美國Fluke公司的Index2型高精度脈搏血氧模擬儀產(chǎn)生一個脈率76次/min、血氧98%的標準測試信號,再利用本設計電路、力康PC-60NW、康泰CMS-50IW對該信號進行10 min測量，每2 min記錄一次脈率值、血氧飽和度值、電流和電壓值。經(jīng)過測量和計算，10 min內(nèi)5次測量的血氧、脈率和系統(tǒng)功率平均值如表1所示。

表1 第2,4,6,8,10等5個時刻點分別測量的數(shù)據(jù)

從表1可知，本設計電路采用3.3 V單電源供電，平均功率為154.9 mW，均低于力康PC-60NW(196.1 mW)和康泰CMS-50IW(184.1 mW)，表明本電路功耗較低。同時，本電路測量的血氧飽和度平均值為97.8%，平均脈率為76.3次/min，與Index2模擬儀輸出的脈率和血氧值以及力康PC-60NW、康泰CMS 50IW所測得的數(shù)據(jù)相比均無顯著性差異，表明本測量電路所測得的脈率和血氧飽和度具有較高的準確性。

7 結(jié)論

本文介紹了一種體積小、成本低、無創(chuàng)傷透射式脈搏血氧測量系統(tǒng)的軟硬件設計，并制成了原型系統(tǒng)。通過該原型系統(tǒng)與兩款商業(yè)產(chǎn)品進行比較，其結(jié)果表明本脈搏血氧測量電路功耗低，可連續(xù)測量，能較好地克服基線漂移和工頻噪聲干擾，同時可通過手機實時監(jiān)護脈率和血氧值，且所測量的脈搏波波形較清晰,血氧飽和度值和脈率值準確可用。該系統(tǒng)在家庭及移動環(huán)境中使用，能夠?qū)崿F(xiàn)實時的、無擾的、長期的生理參數(shù)測量及監(jiān)控，在穿戴式設備開發(fā)領域具有一定應用前景。

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