頭戴式血氧檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王志宇　袁江濤　周珺　王譽(yù)天

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)血氧飽和度檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和便捷性，設(shè)計(jì)了一種頭戴式血氧檢測(cè)裝置。利用反射式探頭采集額頭的脈搏波（photoplethysmography，PPG）信號(hào)，主控芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算，藍(lán)牙將血氧飽和度和脈率發(fā)送至手機(jī)顯示。與標(biāo)準(zhǔn)血氧儀對(duì)比，實(shí)測(cè)血氧的平均誤差率在1%以內(nèi)，最大誤差在4%以內(nèi)，能夠滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求；在頭部活動(dòng)情況下，實(shí)測(cè)血氧仍在正常范圍內(nèi)波動(dòng)，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。

關(guān)鍵詞：血氧飽和度 頭戴式 反射式 脈搏波 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）06（b）-0119-06

血氧飽和度是反映人體血液氧含量的重要參數(shù)，是衡量人體血液攜帶氧氣能力的生理參數(shù)，在臨床診斷中有著十分重要的意義[1]。人體血氧飽和度的檢測(cè)分為有創(chuàng)和無(wú)創(chuàng)測(cè)量。由于有創(chuàng)測(cè)量給患者帶來(lái)痛苦，而且也不能連續(xù)監(jiān)測(cè)，所以目前的血氧飽和度測(cè)量普遍采用的是無(wú)創(chuàng)方式[2]。

1983年，Nellcor研制出脈搏血氧計(jì)N-100，該血氧計(jì)使用發(fā)光二極管為光源，硅管為接收管，由微型計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成了無(wú)創(chuàng)血氧檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)模式[3]。目前，光電血氧檢測(cè)主要分為透射式和反射式。透射式血氧檢測(cè)的發(fā)光管和接收管處于被測(cè)部位的兩側(cè)，只能用于檢測(cè)手指或耳垂；反射式血氧檢測(cè)的發(fā)光管和接收管處于被測(cè)部位的同側(cè)，檢測(cè)部位不受限制，因此，在可穿戴健康監(jiān)護(hù)設(shè)備領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景[4]。

近年來(lái)，可穿戴血氧檢測(cè)設(shè)備因其便利性與智能化逐漸進(jìn)入人們的生產(chǎn)生活中，多數(shù)是以指環(huán)、指夾或耳夾的形式[5-7]，這樣的設(shè)備雖然檢測(cè)準(zhǔn)確率高，但易受檢測(cè)部位移動(dòng)的影響，不能實(shí)現(xiàn)血氧的實(shí)時(shí)檢測(cè)。特別是對(duì)于公安、消防、士兵等特殊人群的健康監(jiān)護(hù)，市面上的可穿戴血氧檢測(cè)設(shè)備不能達(dá)到要求。該文基于反射式探頭設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種頭戴式血氧檢測(cè)裝置，以血氧檢測(cè)頭帶進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)手機(jī)APP進(jìn)行參數(shù)顯示，在不影響佩戴者正?；顒?dòng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)血氧檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和便捷性。

1 反射式血氧檢測(cè)原理

反射式血氧檢測(cè)如圖1所示，發(fā)光管用于發(fā)射紅光和紅外光，接收管用于接收被測(cè)部位反射或散射的光線。

光在生物組織中的傳播規(guī)律可用光子擴(kuò)散傳輸理論描述，其傳輸方程[8]為：

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 裝置外觀

傳統(tǒng)的血氧檢測(cè)位于手指、手腕或耳垂，易受人體活動(dòng)而影響檢測(cè)精度。該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種血氧檢測(cè)頭帶，可以實(shí)現(xiàn)血氧的實(shí)時(shí)檢測(cè)和傳輸。血氧檢測(cè)頭帶基于反射式探頭在額頭進(jìn)行信號(hào)采集，信號(hào)處理電路板和電池封裝在頭帶內(nèi)，反射式探頭如圖2所示，檢測(cè)頭帶如圖3所示。血氧檢測(cè)頭帶檢測(cè)血氧飽和度和脈率兩個(gè)生理參數(shù)，通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)APP實(shí)時(shí)顯示。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

血氧檢測(cè)裝置由電源模塊、脈搏波采集模塊、主控模塊和藍(lán)牙4.0模塊組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。電源模塊由800 mA h鋰電池和電源管理電路構(gòu)成，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3 V電壓。脈搏波采集模塊由反射式探頭和采集控制電路構(gòu)成：反射式探頭由660/940 nm 雙波長(zhǎng)LED和TSL237光頻轉(zhuǎn)換器組成，光頻轉(zhuǎn)換器將接收到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)化成光頻的形式輸出；采集控制電路為H橋電路，可控制紅燈和紅外燈的交替亮滅。主控模塊為MSP430F1611微處理器，控制信號(hào)的采集，接收和處理脈搏波信號(hào)，計(jì)算血氧和脈率，將參數(shù)通過(guò)UART發(fā)送給藍(lán)牙模塊。藍(lán)牙4.0模塊采用cc2540低功耗藍(lán)牙芯片，將血氧和脈率發(fā)送到智能終端。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件工作由微處理器完成，主要包括信號(hào)采集的控制、信號(hào)的捕獲和處理、參數(shù)的計(jì)算和傳輸，軟件工作流程圖如圖5所示。在軟件設(shè)計(jì)中，原始信號(hào)的處理和生理參數(shù)的計(jì)算尤為重要。

2.3.1 信號(hào)處理

反射式探頭在額頭上采集的原始脈搏波信號(hào)含有大量的干擾，要準(zhǔn)確計(jì)算血氧和脈率，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理得到干凈、穩(wěn)定的脈搏波信號(hào)。

脈搏波信號(hào)由定時(shí)器捕獲光頻信號(hào)得到，因定時(shí)器溢出導(dǎo)致計(jì)數(shù)錯(cuò)誤而產(chǎn)生一些奇異點(diǎn)，這些奇異點(diǎn)是隨機(jī)出現(xiàn)的，因此，可采用均值濾波的方式去除奇異點(diǎn)。

由于外界干擾的影響，脈搏波信號(hào)存在高頻干擾，使得波形上出現(xiàn)許多毛刺，這些干擾幅度很小且頻率比脈搏波信號(hào)高，因此，可采用平滑濾波的方式去除高頻干擾。平滑濾波是一種線性濾波，具有低通特性，其原理是用某數(shù)據(jù)相鄰數(shù)值的平均值代替該點(diǎn)數(shù)值[13]。脈搏波信號(hào)的頻率一般在4 Hz以內(nèi)，而高頻干擾主要在10 Hz以上，因此，選擇5～9個(gè)點(diǎn)的平滑濾波都能夠滿足保證在PPG信號(hào)不失真的前提下去除高頻噪聲干擾。

脈搏波還存在明顯的基線漂移，這是由人體自身的呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致信號(hào)直流分量不穩(wěn)定造成的。由于計(jì)算血氧需要準(zhǔn)確計(jì)算脈搏波信號(hào)的直流分量和交流分量，不能簡(jiǎn)單用高通濾波器濾除這種干擾，因此，采用形態(tài)濾波去除基線漂移。形態(tài)濾波需要選擇結(jié)構(gòu)元素的形狀和尺寸[14]，該文選取直線型的結(jié)構(gòu)元素，尺寸寬度大于脈搏波信號(hào)特征波形的寬度，將脈搏波信號(hào)特征波形全部濾除，只剩下基線漂移信號(hào)，然后用原始信號(hào)減去該信號(hào)即可得到去除基線漂移后的脈搏波信號(hào)。

原始脈搏波經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的波形如圖6所示，處理后的脈搏波波形平滑、干凈、穩(wěn)定，可以用于勝利參數(shù)的計(jì)算。

2.3.2 參數(shù)計(jì)算

血氧飽和度的計(jì)算需要脈搏波信號(hào)直流分量和交流分量的提取，脈率的計(jì)算需要脈搏波信號(hào)波峰的定位。參數(shù)計(jì)算流程圖如圖7所示。

首先，對(duì)去噪后的脈搏波信號(hào)進(jìn)行極值點(diǎn)的定位，采用差分異號(hào)法定位極大值和極小值點(diǎn)，計(jì)算相鄰最大值點(diǎn)的間期可得脈率。在得到極值點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用三次樣條差值法[15]計(jì)算脈搏波信號(hào)的包絡(luò)線，其基本思想是將插值區(qū)間n等分后，在每一個(gè)小區(qū)間上，采用分段3次Hermite插值法導(dǎo)出插值函數(shù)；直流分量為上下包絡(luò)線的均值，交流分量為上下包絡(luò)線的差值；最后將兩路脈搏波信號(hào)的交、直流分量值帶入公式計(jì)算得血氧。圖8為對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)線的定位。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 參數(shù)標(biāo)定

血氧計(jì)算公式為，其中A、B為常數(shù)，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合確定。在實(shí)驗(yàn)中，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合[16]，其中。利用血氧檢測(cè)頭帶和MEC-1000標(biāo)準(zhǔn)血氧檢測(cè)監(jiān)護(hù)儀同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行測(cè)量，得到與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的值，對(duì)兩組數(shù)值進(jìn)行二次函數(shù)擬合，以確定參數(shù)A、B、C。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

確定血氧計(jì)算公式后，利用血氧檢測(cè)頭帶和標(biāo)準(zhǔn)血氧檢測(cè)監(jiān)護(hù)儀對(duì)10名測(cè)試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試者手指佩戴標(biāo)準(zhǔn)血氧儀的指夾式探頭，頭部佩戴血氧檢測(cè)頭帶，同步記錄監(jiān)護(hù)儀和手機(jī)顯示的血氧飽和度和脈率，如圖9所示。

在靜止?fàn)顟B(tài)下記錄5 min內(nèi)的十組參數(shù)值，將實(shí)測(cè)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算平均誤差率、均方根誤差和最大誤差，如表1所示。

由表1所統(tǒng)計(jì)的10名實(shí)驗(yàn)者的準(zhǔn)確性參數(shù)來(lái)看，血氧飽和度的平均誤差率在1%以內(nèi)，均方根誤差（表征測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差程度）在1.5%以內(nèi)，最大誤差在4%以內(nèi)；脈率的平均誤差率在5%以內(nèi)，均方根誤差在4次/分以內(nèi)，最大誤差在6次/分以內(nèi)。在靜止?fàn)顟B(tài)下，血氧飽和度和脈率的檢測(cè)精度都能滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。

為了驗(yàn)證血氧檢測(cè)頭帶實(shí)時(shí)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和有效性，進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，佩戴標(biāo)準(zhǔn)血氧夾的手指保持靜止，佩戴血樣檢測(cè)頭帶的頭部可以自由活動(dòng)，對(duì)5 min內(nèi)的實(shí)測(cè)血氧值和標(biāo)準(zhǔn)血氧值進(jìn)行描跡，圖10為其中兩名實(shí)驗(yàn)者的血氧值描跡圖。從圖10中可以看出，在頭部可以活動(dòng)下的實(shí)測(cè)血氧值有所波動(dòng)，也會(huì)出現(xiàn)突變點(diǎn)，但血氧值仍在90%～100%的范圍內(nèi)，最大誤差也在5%以內(nèi)，因此，在不影響佩戴者正?；顒?dòng)情況下，血氧檢測(cè)頭帶能滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)血氧飽和度的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的血氧檢測(cè)設(shè)備多用于檢測(cè)手指或耳垂，但限制人體的自由活動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)血氧的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。對(duì)于患者家庭使用或公安、消防、士兵等高危行業(yè)的健康監(jiān)測(cè)，一種實(shí)時(shí)血氧監(jiān)測(cè)裝置有其必要性和重要性。該文基于反射式探頭設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種頭戴式血氧檢測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和傳輸血氧飽和度和脈率，并通過(guò)手機(jī)APP顯示。

由于額頭采集的脈搏波信號(hào)微弱且干擾大，裝置通過(guò)一系列有效的濾波去除噪聲，得到干凈、穩(wěn)定的脈搏波信號(hào)，由此計(jì)算得到血氧和脈率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)擬合后，確定血氧計(jì)算的二次函數(shù)模型，將血氧檢測(cè)頭帶和標(biāo)準(zhǔn)血氧儀進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，實(shí)測(cè)血氧和脈率誤差率低，能夠滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)血氧檢測(cè)的要求；同時(shí)，在頭部活動(dòng)情況下，實(shí)測(cè)血氧仍能保持在較為準(zhǔn)確的范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)血氧檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。

頭部運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)脈搏波原始波形造成運(yùn)動(dòng)偽跡的干擾，若在頭部放置加速度傳感器，利用加速度信息去除運(yùn)動(dòng)干擾，會(huì)使運(yùn)動(dòng)情況下血氧檢測(cè)的準(zhǔn)確度大大提高，作者將會(huì)在這個(gè)方向上繼續(xù)探究。

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