一種基于綠光的可穿戴式光電容積脈搏波測量系統(tǒng)

摘 要： 脈搏波中蘊含豐富的血流動力學信息。利用無創(chuàng)的方法檢測脈搏波并推導出人體心血管系統(tǒng)生理、病理特征成為研究的熱點。設計一套可穿戴式的脈搏波提取設備，該設備包括MCU控制模塊、信號采集模塊、藍牙模塊、電源模塊。分析光電容積法獲取脈搏波的原理，采用523 nm綠光和環(huán)境光學傳感器作為設備核心，詳解描述了硬件開發(fā)模型，給出了信號處理部分的關鍵代碼。實驗結(jié)果表明，所設計的脈搏波提取設備在手腕、手指和額頭等部位，能夠很好地描繪脈搏波，具有很強的應用性。

關鍵詞： 脈搏波提取； 無創(chuàng)檢測方法； 光電容積脈搏波； 信號處理

中圖分類號： TN98?34； TP391.4； R331 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）20?0125?04

Abstract： The pulse wave contains rich hemodynamic information. The non?invasive method used to detect the pulse wave and deduce the physiological and pathological features of human cardiovascular system becomes the research hotspot. A set of wearable pulse wave extraction device was designed， which includes MCU control module， signal acquisition module， power supply module， and Bluetooth module. The principle of photoplethysmography （PPG） to acquire the pulse wave is analyzed. The luminous diode at 523 nm and environmental optical sensor are taken as the core of the device. The hardware development model is described in detail， and the key codes of signal processing are given. The experiment results indicate that the designed pulse wave extraction device can describe the pulse wave of wrists， fingers and forehead， and has good applicability.

Keywords： pulse wave extraction； non?invasive detection method； photoplethysmography； signal processing

0 引 言

心血管疾?。–ardio Vascular Diseases，CVDs）作為最能威脅人類健康的一種疾病，其病因涉及人體內(nèi)運輸血液的組織和包括心臟、動脈血管、靜脈血管在內(nèi)的循環(huán)系統(tǒng)[1]。人體脈搏包含豐富的與心血管有關的生理病理信息，其波形幅值、周期、形狀都可作為判斷人體心血管系統(tǒng)健康與否的重要依據(jù)。目前，隨著可穿戴便攜式設備的發(fā)展，人們越來越不滿足在限定時間、地點并且限制生理活動的條件下獲得自身健康信息，而更傾向于自由、靈活、連續(xù)和實時地監(jiān)測自身健康狀態(tài)[2?4]。光學檢測方法具有實施便捷、成本低廉等優(yōu)勢，成為可穿戴便攜式測量的主流研究手段。

當前，光電容積脈搏波（Photo Plethysmo Graphy， PPG）的檢測方法主要分為反射式和透射式。大量研究實驗表明，相比于反射式測量方案，透射式測量對測量位置要求較高且長時間測量會給人帶來不適，不利于可穿戴設備的發(fā)展，因此反射式測量法成為獲取脈搏波并對其進行分析處理的技術(shù)熱點[5?7]?；诩t外光譜和紅光作為光源測量獲取PPG的設計方案很多，但是也存在一些問題。近期，有研究分析了綠光作為光源測量PPG的特性，發(fā)現(xiàn)與紅外光和紅光相比較，綠光受皮下組織的干擾更小，獲取的PPG波形更加完整[8]。

1 光電容積脈搏波

基于紅外光譜測量的理論依據(jù)是朗伯?比爾定律（Lambert?Beer Law），測量的方法是光電容積脈搏波。當特定波長的光束照射到人體皮膚表面時，利用光電接收器接收其透射光或反射光，在此過程中，人體皮下組織的血紅蛋白等吸光物質(zhì)在整個血液循環(huán)中吸光系數(shù)E和血液濃度C保持不變，透射光或反射光光程L隨心臟作用呈周期性變化，心臟舒張期外周血液容積量最小，光程最小，光吸收量也最小，檢測到的光強最小，而心臟收縮期則剛好相反，檢測到的光強最大[9]。因此，根據(jù)朗伯?比爾定律，檢測光強I與入射光強I0的關系為：

由式（2）可知，在吸光系數(shù)E、血液濃度C不變和穩(wěn)定光源I的條件下，透射光或反射光光強信號形成的脈搏波波形由正弦波和余弦波疊加構(gòu)成，幅值隨心臟搏動導致的檢測光程周期性變化而變化。

2 脈搏波測量系統(tǒng)設計實現(xiàn)

本文設計并實現(xiàn)了一款基于綠光光源、反射式PPG原理提取腕部脈搏波的裝置，測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計上采用主體模塊分離設計，將脈搏波采集模塊與其他模塊隔離，保證功能的合理性及抗干擾性。系統(tǒng)主要分為三大模塊，分別是PPG信號采集模塊、MCU控制模塊和藍牙模塊，如圖1所示。

2.1 PPG信號采集

光源選取OSRAM公司生產(chǎn)的光譜寬帶為33 nm的523 nm發(fā)光二極管。脈搏波采集傳感器采用AMS公司生產(chǎn)的TSL2591環(huán)境光學傳感器。TSL2591具備兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換器和I2C接口，寬泛的光譜響應，能夠提供可編程增益和可編程測量時間。此外，TSL2591是一高精度高靈敏度的光電數(shù)字傳感器，即將光輸入信號，去噪、濾波和放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號，避免了傳統(tǒng)模擬接收器在信號傳輸過程中，將外部干擾引入采集設備，增強了系統(tǒng)抗噪性，提高采樣數(shù)據(jù)精度。

如圖2所示，TSL2591的通道0在523 nm具有較高的響應度。本文設計的脈搏波測量系統(tǒng)只使用TSL2591的通道0并在TSL2591表層放置偏振片以濾除環(huán)境光干擾。當入射光進入皮下組織，經(jīng)過血液內(nèi)吸光物質(zhì)等的作用，導致反射光強與入射光強不一致，TSL2591探測到反射光強的變化并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，進而描繪成脈搏波。

2.2 控制電路

針對可穿戴應用的脈搏波測量系統(tǒng)，體積小和功耗低是必須考慮的因素。因此，選擇意法半導體（ST）公司生產(chǎn)的32位超低功耗微處理器STM32L152作為本文的控制芯片。STM32L152在保證低功耗的基礎上，與STM32系列芯片兼容（便于移植開發(fā)），擁有32 MHz主頻、數(shù)據(jù)E2PROM，RTC，ADC模塊，DAC模塊，DMA，支持USB，USART，83個I/O口，SPI通信，I2C通信。

在本文設計的脈搏波測量系統(tǒng)中，單片機作為主控芯片，通過I2C接口與TSL2591通信，編寫控制代碼設置環(huán)境光傳感器的工作通道、采樣率、增益等運行參數(shù)。傳感器完成數(shù)字信號轉(zhuǎn)換后，觸發(fā)中斷機制，通過I2C通信將信號傳至單片機，從而完成信號采集過程，電路如圖3所示。

2.3 藍牙數(shù)據(jù)傳輸

考慮到可穿戴設備應支持不限地點的無線傳輸功能，本文設計的脈搏波提取系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用低功耗藍牙4.0，實現(xiàn)與手機、平板電腦等搭載藍牙協(xié)議的智能設備實時互聯(lián)。

藍牙低能耗（BLE）技術(shù)是低成本、短距離、可互操作的魯棒性無線技術(shù)。本文選用德州儀器（TI）公司為低能耗以及2.4 GHz 應用的片載系統(tǒng) （SoC） 解決方案生產(chǎn)的CC2541藍牙芯片。本文開發(fā)設計時選用PC機作為數(shù)據(jù)接收設備，因此控制芯片MCU將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至CC2541芯片后通過串口透傳方式進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 充電電路設計

便攜測量對測量環(huán)境要求極低，固定電源的模式不能滿足其需求。本文設計了可充電電路，選取合適的充電電池，實現(xiàn)隨時充電、隨時使用的測量需要。充電接口選擇通用USB 5 V接口，3 V穩(wěn)壓芯片LY2508A30以及恒定電流/恒定電壓線性充電器LY3083。充電電路如圖4所示。

3 實驗數(shù)據(jù)處理和分析

采集脈搏波信號的實驗開始之前，通過調(diào)查問卷形式排除受測者患有心血管疾病，確定10名研究對象。進行脈搏波信號測量之前，每位測試者佩戴醫(yī)用心率帶和本文設計實現(xiàn)的裝置并原地休息15 min，而后由同一位熟悉本次實驗環(huán)節(jié)的記錄員打開開關，分別記錄心率帶所示心率和采集的脈搏波原始數(shù)據(jù)，如圖5（a）所示，PC機提取并展示脈搏波的流程如圖6所示。單片機首先點亮523 nm發(fā)光二極管并設定300 Hz采樣頻率；然后數(shù)據(jù)經(jīng)藍牙傳送至PC機后經(jīng)過0.1～30 Hz的帶通濾波器軟件濾波，去除50 Hz工頻干擾、測量抖動等因素帶來的干擾信號；接著數(shù)據(jù)經(jīng)過基線漂移濾波算法剔除由于呼吸燈不可避免的因素造成的漂移基線；最后PC將捕獲到的每一個 （時間，反射光強度值）繪制出來，得到脈搏波曲線，如圖5（b）所示。

10名受試者在規(guī)定條件下，均能測得如圖5所示的完整脈搏波。由本文第1節(jié)所述原理可知，脈搏波波峰對應心臟搏動，為了驗證脈搏波的有效性，應用波峰識別算法[10]，對10名受試者脈搏波分析可得到他們的心率值。經(jīng)分析可知，10名受試者心率帶所示心率與通過算法識別波峰計算所得心率的誤差均在-2～2之間。結(jié)果表明，本文所設計的脈搏波提取裝置所測量的脈搏波可用性高。

4 結(jié) 語

本文針對可穿戴心血管健康監(jiān)測領域，設計了一款體積小、功耗低、可用性強的脈搏波系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括單片機控制模塊、脈搏波采集模塊、藍牙通信模塊和電源模塊。詳細描述了系統(tǒng)硬件開發(fā)模型，給出了脈搏波采集控制模塊和充電電源模塊的電路圖。對原始采集的數(shù)據(jù)進行濾波和去漂移基線后，通過心率參數(shù)分析脈搏波信號的可用性。實驗結(jié)果說明，所設計測量系統(tǒng)，能夠采集到可用性強的脈搏波，為研究可穿戴血壓測量、血氧測量和各種能由脈搏波反映的健康參數(shù)測量，提供了堅實的基礎。

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