基于無(wú)線傳輸?shù)拿}搏血氧飽和度采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

肖倫蓮，林金朝，龐宇，周金華，黎圣峰（重慶郵電大學(xué)光電信息感測(cè)與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）

基于無(wú)線傳輸?shù)拿}搏血氧飽和度采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

肖倫蓮*，林金朝，龐宇，周金華，黎圣峰
（重慶郵電大學(xué)光電信息感測(cè)與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）

摘要：近年來(lái)，慢性疾病人數(shù)驟增與醫(yī)療資源匱乏之間的矛盾引起了無(wú)線體域網(wǎng)在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。將透射式指端脈搏血氧飽和度采集節(jié)點(diǎn)與Android智能終端系統(tǒng)相結(jié)合，對(duì)光電容積脈搏波進(jìn)行采集，利用近紅外光譜吸光度強(qiáng)弱與物質(zhì)化學(xué)成分信息之間呈現(xiàn)線性相關(guān)的特性，對(duì)人體體征參數(shù)中的脈率和血氧飽和度進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)體積小，功耗低，抗干擾性強(qiáng)，能夠無(wú)創(chuàng)傷，快速準(zhǔn)確地對(duì)脈率和血氧飽和度進(jìn)行實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，適合在家庭中使用。

關(guān)鍵詞：透射式；脈率；血氧飽和度；光電容積脈搏波

0　引言

人體新陳代謝即為物質(zhì)氧化的過(guò)程，氧通過(guò)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體血液，與紅細(xì)胞中的血紅蛋白結(jié)合成氧合血紅蛋白，為人體活動(dòng)提供能量。血氧飽和度（SpO2）即為氧合血紅蛋白（HbO2）的數(shù)量占全部可結(jié)合血紅蛋白（Hb）的數(shù)量的百分比，其濃度可用來(lái)評(píng)判血紅蛋白攜氧能力的強(qiáng)弱以及人體肺部功能是否健全［1］。研究表明，許多慢性疾病早期患者，其脈率和血氧飽和度都會(huì)出現(xiàn)異常狀況［2，5］。

采用傳統(tǒng)的電化學(xué)法測(cè)量血氧飽和度會(huì)對(duì)身體構(gòu)成創(chuàng)傷，且不能及早發(fā)現(xiàn)某些慢性疾?。?］。光學(xué)法彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，光學(xué)法是通過(guò)在光譜的紅色和近紅外區(qū)選取兩種不同波長(zhǎng)的光波，檢測(cè)其經(jīng)過(guò)人體組織后的透射光或者反射光來(lái)獲取脈率和血氧飽和度［7］?；诶什葼柖桑?0年代初，英國(guó)倫敦大學(xué)Cope提出了一種公式來(lái)表達(dá)血氧飽和度和吸光度之間的關(guān)系［8］；1935年，世界上第一個(gè)基于光譜分析技術(shù)的脈搏血氧飽和度測(cè)量探頭誕生；1974年，世界上第一臺(tái)真正意義上的脈搏血氧飽和度（SpO2）儀誕生［9，10］。本文采用的透射法其檢測(cè)原理為：

當(dāng)光透射過(guò)人體組織時(shí)，脈搏跳動(dòng)帶動(dòng)血液循環(huán)，在PPG傳感器模塊中對(duì)透射光波進(jìn)行光—頻轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)對(duì)頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲和處理，得到PPG信號(hào)。通過(guò)對(duì)單一光源PPG信號(hào)進(jìn)行分析，可以計(jì)算脈率；對(duì)雙光源PPG信號(hào)進(jìn)行分析，可以檢測(cè)血氧飽和度［11，12］。根據(jù)一個(gè)完整PPG的時(shí)間t可計(jì)算出脈率，如下式所示：

為了提高精確度，采用二次擬合函數(shù)計(jì)算血氧飽和度：

其中R為光強(qiáng)變化率：

直流分量IrDC和IirDC為兩種信號(hào)上下包絡(luò)線的均值，交流分量IrAC和IirAC為兩種信號(hào)上下包絡(luò)線的差值，n、m、k為常系數(shù)，由MATLAB擬合仿真得到。

目前，我國(guó)采用的脈搏血氧飽和度儀一般只應(yīng)用于市區(qū)醫(yī)院等公共場(chǎng)合，其體積大，價(jià)格昂貴，需要通過(guò)USB接口或者OTG接口，以及專用生理數(shù)據(jù)傳輸器與顯示終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使用極不方便，很難在邊遠(yuǎn)地區(qū)和家庭中得到推廣［13，14］。為了將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)醫(yī)療保健行業(yè)，推動(dòng)無(wú)線體域網(wǎng)的發(fā)展，針對(duì)以上狀況，本文設(shè)計(jì)了一種基于低功耗藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)的脈搏血氧飽和度采集節(jié)點(diǎn)。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

從圖1可以看出，節(jié)點(diǎn)包含4個(gè)模塊：傳感器模塊，信號(hào)處理模塊，無(wú)線通信模塊，電源管理模塊。傳感器模塊中，兩種LED光波通過(guò)指端后，在MCU的驅(qū)動(dòng)下將傳感器輸出的方波信號(hào)反饋回MCU的定時(shí)器模塊進(jìn)行捕捉，濾波和運(yùn)算，得到血氧和脈率參數(shù)，當(dāng)人體內(nèi)的血氧與脈率低于設(shè)定閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)出報(bào)警信號(hào)提示用戶。同時(shí)，MCU通過(guò)UART接口將得到的數(shù)據(jù)傳送至藍(lán)牙4.0模塊，由藍(lán)牙模塊無(wú)線發(fā)送至Android智能終端進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)。在體域網(wǎng)中，為了滿足節(jié)點(diǎn)微型化，低功耗等要求，硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)主要選用多功能集成芯片。

圖1　采集節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖Fig1　The system diagram of acquisition node

1.1傳感器模塊

由于氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白在波長(zhǎng)為940nm與660nm時(shí)的吸光系數(shù)差異最大［15］，因此本節(jié)點(diǎn)選擇可發(fā)出660nm波長(zhǎng)的紅光和905nm波長(zhǎng)的紅外光的雙色發(fā)光二極管作為光源，通過(guò)單片機(jī)引腳輸出電平高低來(lái)控制發(fā)光二極管是否導(dǎo)通。普通發(fā)光二極管導(dǎo)通電流一般為10mA～30mA，單片機(jī)單個(gè)管腳輸出電流無(wú)法滿足驅(qū)動(dòng)要求。如圖2所示，為了減小傳感器的自身體積以及傳感器與控制器之間的導(dǎo)線數(shù)量，將兩支發(fā)光二極管反向并聯(lián)在一起，采用電壓極性可改變的H橋式驅(qū)動(dòng)電路作為電流驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管交替發(fā)光。

光強(qiáng)探測(cè)器選用TSL235光頻轉(zhuǎn)換器。TSL235感光性在波長(zhǎng)為600nm至900nm時(shí)較強(qiáng)，內(nèi)部集成了各類微分、積分電路，可減少許多外圍電路，有利于采集節(jié)點(diǎn)的微型化設(shè)計(jì)。在光敏二極管感應(yīng)到透射光強(qiáng)后，輸出占空比為50%的方波。

圖2　H橋式驅(qū)動(dòng)電路Fig2　The H-Bridge drive circuit

1.2信號(hào)處理模塊

圖3　基于MSP430F1611的節(jié)點(diǎn)電路圖Fig3 The circuit diagram based on MSP430F1611

如圖3所示，信號(hào)處理模塊的主控芯片采用TI公司的超低功耗芯片MSP430F1611，該芯片工作電壓為3.3V，工作電流為110μA，低功耗模式下電流可低至0.1μA。XT2IN和XT2OUT引腳外接由8MHz石英晶振和兩個(gè)起振電容構(gòu)成時(shí)鐘電路，為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)；同時(shí)，單片機(jī)對(duì)TSL235輸出的方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到方波頻率，然后進(jìn)行數(shù)字濾波，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后，通過(guò)UTXD0將數(shù)據(jù)發(fā)送至藍(lán)牙4.0模塊。

1.3無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊采用德州儀器的低功率藍(lán)牙芯片CC2540。CC2540將加強(qiáng)型8051微控制器、主機(jī)端及無(wú)線射頻發(fā)送器集成在一個(gè)元器件上，內(nèi)建AES-128加密引擎。低功耗，這些優(yōu)點(diǎn)使得其成為市場(chǎng)上最具有彈性及成本效益的單模式低功率藍(lán)牙解決方案。如圖4所示，藍(lán)牙芯片通過(guò)RXD引腳接收來(lái)自單片機(jī)的數(shù)據(jù)，并利用TXD引腳將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至Android終端。

圖4　藍(lán)牙模塊電路圖Fig4　The Bluetooth module circuit diagram

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)檢測(cè)原理，利用單片機(jī)的定時(shí)器功能，以10ms為時(shí)間周期控制兩個(gè)LED燈交替發(fā)光，為了降低節(jié)點(diǎn)功耗，設(shè)定周期內(nèi)紅光和紅外光分別發(fā)光2ms，其余6ms單片機(jī)處于休眠狀態(tài)。

外界光線以及人體和節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)采集的脈搏波造成多種噪聲干擾，故需要在微處理器中進(jìn)行濾波處理。原始PPG信號(hào)中存在大量高頻干擾，采用40階的FIR低通濾波器，即可消除多數(shù)波形毛刺；其次，針對(duì)波形圖中出現(xiàn)的突變點(diǎn)，利用窗函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，如果某數(shù)據(jù)與其所在組的數(shù)據(jù)的平均值差值大于設(shè)定閾值，則認(rèn)定該點(diǎn)為突變點(diǎn)，然后用該組其余數(shù)據(jù)的平均值代替該點(diǎn)數(shù)值；最后，采用形態(tài)學(xué)濾波濾除基線漂移，得到濾波后的PPG信號(hào)。

在對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，為了得到信號(hào)的直流分量與交流分量，需要對(duì)PPG進(jìn)行極大值和極小值定位，具體流程如圖5所示。然后利用插值法，擴(kuò)充脈搏波的包絡(luò)線，求取信號(hào)的直流分量和交流分量，得到脈率值和血氧飽和度值。

圖5　求極值流程圖Fig5　The flow diagram of extremum

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)征集多名志愿者進(jìn)行測(cè)試，將采集的PPG信號(hào)在MATLAB軟件上進(jìn)行預(yù)處理仿真，結(jié)果表明，信號(hào)的預(yù)處理時(shí)間約為0.398s，處理時(shí)間短且對(duì)原始PPG信號(hào)的預(yù)處理效果良好。圖6、圖7為其中某兩名志愿者的血氧信號(hào)預(yù)處理仿真圖。

同時(shí)，整個(gè)節(jié)點(diǎn)的尺寸大概為4×3cm2,符合微型化設(shè)計(jì)要求。將采集的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)MEC-1000多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)對(duì)血氧飽和度值和脈率值的測(cè)量誤差在2%以內(nèi)。

圖6　第一名志愿者PPG信號(hào)預(yù)處理仿真圖Fig6 PPG preprocessing simulation diagram of the first volunteer

圖7　第二名志愿者PPG信號(hào)預(yù)處理仿真圖Fig7 PPG preprocessing simulation diagram of the second volunteer

4　總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種可在無(wú)線體域網(wǎng)中應(yīng)用的脈搏血氧飽和度采集節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)利用透射式血氧飽和度檢測(cè)技術(shù)并通過(guò)藍(lán)牙4.0與Android智能終端系統(tǒng)連接，對(duì)脈率值和血氧飽和度值進(jìn)行檢測(cè)和存儲(chǔ)，迎合了當(dāng)代社會(huì)生活習(xí)慣。同時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)化硬件電路，優(yōu)化軟件濾波處理程序，實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確、低功耗的體征參數(shù)監(jiān)測(cè)。

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Email：15340531612@163.com

中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:[CLC Number] TP274[Document Code] A10.11967/2016140308 10.11967/2016140308

基金項(xiàng)目：?國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61471075）

通訊作者：肖倫蓮（1991-），女，四川達(dá)州人，重慶郵電大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹腔坩t(yī)療系統(tǒng)

A Design of Pulse Oximetry Acquisition Node Based on Wireless Transmission

Lunlian Xiao*， Jinzhao Lin， Yu Pang， Jinhua Zhou， Shengfeng Li
（ Chongqing Municipal Level Key Laboratory of Photoelectric Information Sensing and Transmitting Technology，Chongqing 400065 ）

Abstract:In recent years, there is an prominent contradiction between limited resources and the increasing number of people who suffered from chronic diseases, which inspired the wide utilization of wireless body area network in medical field. Based on transmittance oximetry, node combined with android intelligent terminal system and collected PhotoPlethysmoGraphy ( PPG ) at the end of the finger, utilized the characteristics that the strength of near-infrared spectroscopy absorbance linearly related to the chemical composition of the material to measure pulse rate and oxygen saturation. Experimental result shows that the node contains many advantages, including small size, low power consumption, strong anti-interference, which can be invasively, fast and accurately monitor pulse rate and oxygen saturation in real time, and transfers data using wireless transmission, which is suitable for use in family.

Key Words:Transmittance; Pulse rate; Oxygen saturation; PPG