基于AFE4490的無(wú)創(chuàng)血氧檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張純青，千 博

（西安電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710071）

隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視自身的健康。在當(dāng)今醫(yī)療保健社區(qū)化、家庭化形勢(shì)下，便攜式生理監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，并且越來(lái)越受到青睞[1]。氧在維持個(gè)體正常生理活動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用，血氧飽和度（SpO2）是人體一項(xiàng)重要的生理參數(shù)。血氧含量較低時(shí)，對(duì)組織和細(xì)胞進(jìn)行新陳代謝是尤為不利的，甚至威脅生命[2]。為了反映人體是否具有足夠的氧氣供應(yīng)和衡量心血管系統(tǒng)的健康水平，現(xiàn)代血氧飽和度測(cè)量采用一種非侵入式光學(xué)測(cè)量方法[3]。把光電傳感器放置在組織測(cè)量部位兩側(cè)（比如手指、耳垂）。光在人體組織中動(dòng)脈血的吸收量會(huì)隨著波動(dòng)而變化，而光在骨骼、肌肉、皮膚以及靜脈血等組織吸收不變。根據(jù)血氧飽和度定義和Lambert-Beer定律，利用紅光和紅外光在人體組織中含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白透射吸收率不同這一特性，進(jìn)而能夠快速計(jì)算出血氧含量。

1 血氧飽和度概念及測(cè)量原理

血氧飽和度（SpO2）是外圍毛細(xì)血管含氧血紅蛋白的百分比，可以用下面的方程來(lái)表示：

其中，[HbO2]是含氧血紅蛋白濃度，[Hb]是脫氧血紅蛋白濃度。HbO2和Hb光學(xué)吸收光譜如圖1所示。

由圖1可知，光在人體組織血液中含氧血紅蛋白與脫氧血紅蛋白在不同波段Red區(qū)域（600～700 nm）和IR區(qū)域（900～1 000 nm）吸收特性存在相當(dāng)明顯的差異。由于動(dòng)脈血變化對(duì)Red光和IR光吸收量改變，看作是交流分量（AC），其他組織透射光吸收量不變，作為直流分量（DC）。進(jìn)而計(jì)算得到光吸收比R[4]。

式中Δφ，Δφ′分別為動(dòng)脈血液變化對(duì)紅光和紅外光吸收量改變。

經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐驗(yàn)證，血氧飽和度經(jīng)驗(yàn)公式：

圖1 HbO2和Hb吸光度

式中，A，B，C為常數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試標(biāo)定。本文采用Fluke Index 2血氧模擬儀對(duì)式（3）進(jìn)行標(biāo)定標(biāo)，定標(biāo)曲線如圖2所示。

圖2 定標(biāo)曲線

2 采集信號(hào)硬件電路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)并采用的硬件電路是根據(jù)主控芯片STM32F103和模擬前端AFE4490及其外圍電路搭建起來(lái)的。將采集得到的PPG信號(hào)傳輸?shù)紸FE4490進(jìn)行預(yù)處理。

AFE4490是TI公司推出的一款非常適用于脈沖血氧儀的高度集成模擬前端。該芯片包含一個(gè)具有22位數(shù)模轉(zhuǎn)換低噪聲接收通道，一個(gè)LED傳輸組件和針對(duì)LED故障檢測(cè)以及傳感器的診斷功能。血氧探頭采集得到的透射光信號(hào)通過(guò)光電二極管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸?shù)较鄳?yīng)的接收通道經(jīng)過(guò)一個(gè)差分電流—電壓跨阻放大器，其反饋電阻把光電二極管輸入電流值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓值，緊接著對(duì)原始PPG信號(hào)進(jìn)行消除環(huán)境光噪聲，然后經(jīng)過(guò)一系列濾波處理去除其他信號(hào)干擾，最后A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)SPI接口傳輸數(shù)字信號(hào)至單片機(jī)。

3 測(cè)試結(jié)果

本文所設(shè)計(jì)的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)血氧飽和度模塊對(duì)身體健康人體測(cè)量PPG信號(hào)。首先要進(jìn)行的就是小波db6降噪處理。如圖4所示。

圖4 原始脈搏波信號(hào)與濾波信號(hào)對(duì)比

測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了采用高度集成芯片模擬前端AFE4490進(jìn)行血氧飽和度測(cè)量，并提出使用db6小波對(duì)原始PPG信號(hào)進(jìn)行去除噪聲處理，取得了良好的效果以及相對(duì)精確的計(jì)算結(jié)果，下一步將考慮一些抗干擾處理，比如運(yùn)動(dòng)干擾、弱灌注的處理，以進(jìn)一步提高血氧飽和度在這兩種情況下的測(cè)量準(zhǔn)確度和精度。