基于AFE4400的反射式血氧飽和度檢測系統(tǒng)*

陳真誠，甘永進(jìn)，朱健銘

(桂林電子科技大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

基于AFE4400的反射式血氧飽和度檢測系統(tǒng)*

陳真誠，甘永進(jìn)，朱健銘

(桂林電子科技大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

摘要:由于透射式血氧的檢測方法受到使用范圍限制，因此通過反射式來檢測血氧飽和度成了發(fā)展的主流。介紹了一種以 MSP430F5529為處理器，且基于 TI血氧模擬前端芯片 AFE4400 的反射式脈搏血氧飽和度檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案。通過對比幾種基于小波變換的濾波算法的去噪效果，選擇最優(yōu)的濾波算法，以MSP430F5529超微功耗單片機(jī)為核心處理器來實現(xiàn)對指尖脈搏信號的采集和降噪的處理。經(jīng)過實際檢驗驗證樣機(jī)，基本實現(xiàn)了反射方式對脈搏血氧飽和度的檢測功能。

關(guān)鍵詞：血氧飽和度;AFE4400;反射式；MSP430F5529；小波去噪

0引言

未來對血氧飽和度檢測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是反射式、集成化、體積小、便攜、高靈敏度、高精確度以及低功耗等[1～4]。

在無創(chuàng)傷透射式血氧檢測設(shè)備的設(shè)計中,被檢測部位(如手指)被放置于兩個發(fā)光管與接收管之間[5]。但是由于透射式血氧傳感器使用范圍受限，不能使用透射式血氧傳感器在體表部位(如額頭、胸部等)進(jìn)行血氧飽和度的檢測[6]，且長時間測量不僅使得被測者感到不適，還會對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。與透射式血氧飽和度檢測不同，在反射式血氧飽和度檢測中,兩個發(fā)光管和一個接收管位于被檢測部位的同一側(cè),接收管接收來自體表的反射光，血氧飽和度的計算就是通過接收到的不同強(qiáng)度的反射光進(jìn)行的。

本文設(shè)計的血氧飽和度采集檢測裝置考慮到了便攜、低功耗等特點，采用TI脈沖血氧儀的集成模擬前端AFE4400，這種模擬前端集成了脈沖控制電路、濾波放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換模塊等血氧前端采集電路必要功能模塊，從而取代了傳統(tǒng)復(fù)雜的外圍模擬電路設(shè)計，不僅實現(xiàn)了脈搏血氧信號采集、預(yù)處理和顯示，也使得整個系統(tǒng)的體積減小。另外，本系統(tǒng)采用的反射式脈搏血氧傳感器DCM03，集成了雙發(fā)射器和光電探測器在同一個芯片上，解決了透射式傳感器測量時受到檢測部位影響，無法對體表部位進(jìn)行操作的問題。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

不同含氧量的血液對不同波長的光的吸收率是不同的，根據(jù)這一特性可以實現(xiàn)血氧飽和度值的測量。近年來，血氧飽和度檢測儀的發(fā)展主要是集中在不同的處理器芯片上，而前端采集電路設(shè)計的復(fù)雜性問題一直沒有太大的發(fā)展。本文采用TI脈沖血氧儀的集成模擬前端 AFE4400，這種模擬前端包含了兩路發(fā)光 LED 驅(qū)動模塊、I/V轉(zhuǎn)換模塊、放大濾波模塊、時序控制模塊、SPI通信接口模塊等，簡化了系統(tǒng)前端采集電路的設(shè)計，整個系統(tǒng)小巧、便攜、低功耗，而且防止了龐大的前端模擬電路引入噪聲。

設(shè)計采用的反射式血氧傳感器DCM03集成了兩個背靠背相連波長分別為905，660 nm 的LED作為入射光源，AFE4400時序控制模塊控制兩個LED( 紅光、紅外光)以一定的頻率快速交替照射被測手指，光敏二極管檢測照射到手指后反射光光強(qiáng)的變化，根據(jù)光強(qiáng)數(shù)據(jù)變化來分析血液中的氧含量，進(jìn)而得到血氧飽和度值。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

圖1　血氧飽和度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1　Structure block diagram of blood oxygen saturation detection system

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

預(yù)處理模塊的設(shè)計是本系統(tǒng)硬件設(shè)計的重點，其中，預(yù)處理模塊的設(shè)計包括了脈沖控制電路、AFE4400和主控芯片 MSP430F5529的SPI通信電路兩部分。

脈沖控制電路驅(qū)動反射式脈搏傳感器 DCM03的兩個發(fā)光LED按照一定的時序交替工作，并控制 DCM03中的光電二極管接收信號，最后將采集到的容積脈搏波信號輸入到集成芯片AFE4400 中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，放大濾波等預(yù)處理工作。利用SPI橋接MSP430F5529和外圍低速器件，使得數(shù)據(jù)得以在AFE4400和MCU之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，MCU對采集到的脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理和血氧飽和度的計算。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上分為MCU主控程序、AFE4400與MSP430F5529的SPI通信程序、信號濾波程序、信號結(jié)果處理程序以及OLED顯示程序。系統(tǒng)供電后，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作，完成AFE4400對手指脈搏信號的采樣、 主控芯片與 AFE4400間的通信、數(shù)字信號進(jìn)行降噪處理，提取濾波處理后的脈搏信號的周期和幅值并且進(jìn)行分析，最后將最終的結(jié)果和濾波后的波形在OLED上顯示。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2 所示。

圖2　軟件流程圖Fig 2　Flow chart of software

在脈搏血氧信號的采集過程中，很容易受到外界環(huán)境、儀器本身和受測試者等因素的影響，使得通過AD采樣得到的容積脈搏血氧信號中含有大量噪聲，這些噪聲主要包括：1)由人體呼吸、肌肉抖動等原因引起的基線漂移，它是一種低頻正弦波；2)容積脈搏波采集系統(tǒng)引入的50 Hz工頻干擾；3)由容積脈搏波采集系統(tǒng)引入的白噪聲，屬于高頻噪聲。在對容積脈搏波進(jìn)行分析之前需對其進(jìn)行濾波處理。因此，數(shù)據(jù)處理是軟件設(shè)計重點部分。本文設(shè)計基于小波變換理論研究去噪算法，對比不同的濾波算法的去噪效果，從而選出最優(yōu)濾波算法進(jìn)行血氧信號濾波。

滑動平均濾波既能濾除信號中的高頻噪聲，又能濾除信號中的低頻噪聲，它對信號中的高頻和低頻噪聲的濾除作用就相當(dāng)于低通濾波器和高通濾波器的作用。另外，小波去噪對容積脈搏波信號中的基線漂移的去除效果極佳。本實驗先將原始信號進(jìn)行滑動平均濾波，再進(jìn)行小波去噪濾波算法的擇優(yōu)選擇。

實驗中，分別采用db2小波、db5小波和sym4小波這三種小波對采樣點數(shù)為6 235的脈搏血氧信號進(jìn)行了9層分解，小波閾值去噪算法的選擇采用了給定硬閾值去噪和給定硬閾值去噪二種方法對信號進(jìn)行處理[7～9]。

原始信號和不同濾波算法去噪后的信號如圖3和圖4所示。

圖3　原始信號和db2小波去噪后的信號Fig 3　Original signal and signal processed by db2 wavelet denoising

圖4　db5和sym4小波去噪后的信號Fig 4　Signal processed by db5 and sym4 wavelet denoising

本實驗通過SNR衡量濾波算法的優(yōu)劣，以選擇更優(yōu)的濾波算法進(jìn)行血氧信號濾波,如表1。SNR定義如下

(1)

由表1可知,db5給定硬閾值去噪算法得到的SNR最大，去噪效果較好,因此，設(shè)計中選用了db5給定硬閾值去噪去噪算法。

4測試結(jié)果

在環(huán)境 25 ℃下，選定6名志愿者處于靜息狀態(tài)下，將手指適度的貼在DCM03上電檢測;同時使用康泰公司的血氧飽和度儀與本系統(tǒng)樣機(jī)同時進(jìn)行測試，其中，將康泰公司的血氧飽和度儀的測量值作為標(biāo)準(zhǔn)值。記錄部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2和表3所示。

表1　6種算法去噪的SNR比較

表2　脈率測量結(jié)果對比

表3　血氧測量結(jié)果對比

由表2和表3可知，對比本系統(tǒng)血氧與脈率的測量值和康泰公司的血氧飽和度儀的測量值，誤差在3 %以內(nèi)，說明所建立的基于AFE4400檢測血氧飽和度的方法是可行的，采用的小波去噪算法計算得到的血氧值和脈率值的精度滿足設(shè)計要求。

5結(jié)論

本文設(shè)計根據(jù)血氧飽和度原理，綜合考慮到了便攜、輕巧、低功耗的的設(shè)計，提供了一種基于集成模擬前端 AFE4400 的反射式血氧飽和度檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案，方案包括對系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計、信號降噪的方法以及系統(tǒng)的有效性等方面進(jìn)行了研究。測試結(jié)果比較，驗證了本文方案的可靠性和有效性。系統(tǒng)體積小，精度高，操作簡單，檢測速度較快，功耗低，便攜式人體生理參數(shù)檢測設(shè)備的研制提供了一定的基礎(chǔ)。

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Reflective type oxygen saturation detection system based on AFE4400*

CHEN Zhen-cheng,GAN Yong-jin,ZHU Jian-ming

(School of Life and Environmental Sciences，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China)

Abstract:Because of limitation of transmission type oxygen detecting method,using reflective type oxygen instrument to test blood oxygen saturation become main flow of development.Based on TI blood oxygen analog front-end chip AFE4400 and processor MSP430F5529,a design scheme of reflective type pulse oxygen saturation detection system is introduced.In system design process,compare denoising effect of several filtering algorithm based on wavelet transform,select the optimal filtering algorithm,use MSP430F5529 as core processor to complete aquisition of fingerpoint pulse signal and denoising processing.Through practical test,the system prototype machine realizes the function of pulse oxygen saturation detection.

Key words:oxygen saturation;AFE4400;reflective type;MSP430F5529;wavelet denoising

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0091—03

收稿日期：2015—08—22

*基金項目：廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點實驗室主任基金資助項目(YQ14116)；國家自然科學(xué)基金資助項目(61271119)；國家科技支撐計劃資助項目(2013BAI03B01)；廣西高等學(xué)?？茖W(xué)研究項目(KY2015YB096)

中圖分類號：R 318.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)05—0091—03

作者簡介:

陳真誠(1965-)，男，湖南永州人，教授，主要研究方向為生物傳感器與智能儀器。

朱健銘，通訊作者,E—mail:zjmcsu@126.com。