基于AFE4404的脈搏血氧檢測(cè)系統(tǒng)

吳潔 李凱揚(yáng)

關(guān)鍵詞： 心率; 血氧飽和度; 朗博比爾定律; 經(jīng)驗(yàn)定標(biāo); 三波長(zhǎng); AFE4404; 脈搏信號(hào)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.23?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）04?0010?04

Pulse and blood?oxygen detection system based on AFE4404

WU Jie， LI Kaiyang

（Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： In allusion to the problems of large output noise of the pulse acquisition circuit and poor antivibration performance of the current dual?wavelength blood oxygen monitor， an AFE4404?based circuit is designed to measure the heart rate， ?pulse and blood?oxygen saturation （SpO2）. The three?wavelength SpO2 calculation formula is obtained according to the Lambert?Beer law and empirical calibration method， and a detection system is designed by taking the formula as the model. In the design， the three?wavelength oximetry analog front?end AFE4404 chip of the TI Company is used to realize pulse signal acquisition in combination with the control unit. The autonomously?complied upper computer software is used to realize calculation of the heart rate and SpO2， and display of related waveforms. The results of the experimental verification and analysis show that the system can output pulse signals with small noise， and has high accuracy in measurement of the heart rate and blood oxygen.

Keywords： heart rate; blood?oxygen saturation; Lambert?beer law; empirical calibration; three?wavelength; AFE4404; pulse signal

心率及血氧飽和度是心血管疾病相關(guān)的生理參數(shù)，也是心血管疾病預(yù)防及臨床診斷非常重要的指標(biāo)[1]。心腦血管疾病是心臟血管和腦血管疾病的統(tǒng)稱(chēng)，是一種嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康的常見(jiàn)病[2]。目前臨床上使用的檢測(cè)設(shè)備主要為心電監(jiān)護(hù)設(shè)備，這些設(shè)備在血氧設(shè)計(jì)上多采用雙波長(zhǎng)原理。經(jīng)臨床應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，這些監(jiān)護(hù)設(shè)備的測(cè)量精度和準(zhǔn)確性受到血液灌注水平和運(yùn)動(dòng)干擾的限制[3?5]，存在抗震性差、準(zhǔn)確性不夠理想的缺陷。為此本文主要介紹了基于三波長(zhǎng)原理的脈搏血氧檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本文以Aoyagi提出的基于光電容積描記法[6]與朗博比爾（Lambert?Beer）定律 [7]的多波長(zhǎng)血氧模型[3]為基礎(chǔ)，自主設(shè)計(jì)出具有三波長(zhǎng)血氧功能的檢測(cè)系統(tǒng)[7?8]。該系統(tǒng)采用了新的前端脈搏信號(hào)獲取電路和改進(jìn)后的血氧飽和度計(jì)算公式[7]。最后將系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與康泰的CMS60商用兩波長(zhǎng)血氧計(jì)（使用血氧模擬儀定標(biāo)過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)血氧計(jì)）的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，證明了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性。

1 ?三波長(zhǎng)血氧飽和度檢測(cè)原理

三波長(zhǎng)無(wú)創(chuàng)血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理是基于人體血液隨脈搏波動(dòng)導(dǎo)致對(duì)光的吸收變化來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)計(jì)算。而光源的選擇依據(jù)為圖1中的血紅蛋白光吸收曲線[9]。通過(guò)對(duì)圖1分析可知測(cè)量光源波長(zhǎng)選為660 nm和940 nm可使血氧飽和度的靈敏度最大。

為了實(shí)現(xiàn)血氧信號(hào)均衡，同時(shí)提高血氧儀的穩(wěn)定性，本文選擇805 nm波長(zhǎng)作為參考光源。此波長(zhǎng)為含氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白的等吸收點(diǎn)。相關(guān)計(jì)算方法則是依據(jù)光電容積描記法[6]，采集通過(guò)人體組織后透射的光電容積脈搏波信號(hào)，再根據(jù)Lambert?Beer定律[7]推導(dǎo)的公式進(jìn)行計(jì)算。具體推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[7]，本文以文獻(xiàn)[7]中推導(dǎo)出的三波長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)定標(biāo)公式作為模型，計(jì)算出SpO2值，其公式如下：

式中，SpO2，AC，DC分別表示血氧飽和度、脈搏波信號(hào)的交流分量和直流分量。交流分量為脈搏波信號(hào)的波峰值與波谷值之差，直流分量為脈搏波信號(hào)的波峰值，下標(biāo)660，805，940為對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)所得值。

2 ?系統(tǒng)概述

本文系統(tǒng)由指夾式探頭、信號(hào)采集部分、控制單元、電源處理電路及上位機(jī)軟件等部分組成。

圖2為系統(tǒng)整體框圖。探頭連接至AFE4404對(duì)應(yīng)外部接口上，通過(guò)AFE4404內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)探頭中的三路發(fā)光二極管分時(shí)發(fā)光。AFE4404完成探頭輸出信號(hào)采集，并可對(duì)接收到的電流信號(hào)進(jìn)行去直流，電流轉(zhuǎn)電壓、放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理?？刂茊卧猄TM32F103微控制器是整個(gè)系統(tǒng)核心控制部分，主要負(fù)責(zé)調(diào)整探頭中LED燈的驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度，控制脈搏信號(hào)中電流的直流偏置及交流增益，完成數(shù)據(jù)的收集并通過(guò)串口將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)軟件。通過(guò)自主編寫(xiě)上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)心率及血氧的計(jì)算，三路脈搏波形、心率和血氧飽和度計(jì)算結(jié)果的顯示。電源處理電路負(fù)責(zé)給其他模塊提供所需工作電壓。

3 ?硬件設(shè)計(jì)

3.1 ?探頭部分

本系統(tǒng)使用指夾式探頭實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，圖3a）為探頭實(shí)物圖，該探頭由3個(gè)發(fā)光二極管（LED）及一個(gè)光電接管分別嵌入硅膠指套的上、下面組成。光線傳播路徑示意圖如圖3b）所示[10]，光電二極管接收透射光并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號(hào)。

3.2 ?信號(hào)采集部分

信號(hào)采集部分主要由AFE4404模塊完成，這是TI公司的一款面向光學(xué)生物傳感應(yīng)用的模擬前端（AFE）。該模擬前端支持3個(gè)開(kāi)關(guān)LED，1個(gè)光電二極管，具有去除直流偏置模塊、電流轉(zhuǎn)電壓模塊、濾波模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）以及6位電流控制的全集成LED驅(qū)動(dòng)器。

3.3 ?控制部分

主控芯片采用Cortex?M3內(nèi)核的STM32F103系列，主要參數(shù)如下，具有128 KB FLASH，20 KB RAM，1個(gè)I2C接口、1個(gè)SPI接口和2個(gè)串口，滿(mǎn)足現(xiàn)有需求。該主控單元在整個(gè)模塊設(shè)計(jì)中負(fù)責(zé)AFE4404的控制及脈搏信號(hào)的讀取及輸出。

4 ?軟件設(shè)計(jì)

固件實(shí)現(xiàn)具體流程圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后，首先完成各模塊的初始化，初始化完成后判斷探頭是否在位。探頭在位后判斷從AFE4404中讀出的數(shù)據(jù)是否超過(guò)設(shè)定閾值1，若沒(méi)超過(guò)閾值1，則手指插入探頭，修改AFE4404寄存器使LED高頻發(fā)光;手指在位條件下判斷ADC讀出的數(shù)據(jù)，判斷讀出值是否在閾值2范圍內(nèi)，若不在，則按相關(guān)算法調(diào)整AFE4404參數(shù)，直到滿(mǎn)足閾值2的條件。最后將處理好的信號(hào)打包上傳至上位機(jī)。相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)是將LED驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置在適當(dāng)值的前提下，調(diào)整直流偏置與信號(hào)放大倍數(shù)。

5 ?結(jié)果討論

為對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證分析，本文采用如下方法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)：使用國(guó)際通用的Fluke Index 2兩波長(zhǎng)血氧模擬儀檢測(cè)康泰的CMS60血氧儀的準(zhǔn)確度;分別使用該系統(tǒng)與康泰的CMS60兩波長(zhǎng)血氧儀同時(shí)測(cè)量同一實(shí)驗(yàn)者，比較二者測(cè)得的心率和血氧值。圖5為實(shí)驗(yàn)操作實(shí)物圖。

檢測(cè)康泰CMS60血氧儀準(zhǔn)確度的具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1） 將血氧模擬儀的血氧值及灌注水平值均固定，將心率值從30～250按增量值為5依次增加，圖6a）顯示了血氧值為96%，灌注水平為5%條件下心率測(cè)量結(jié)果。當(dāng)固定值為其他條件時(shí)所得結(jié)果基本一致。

2） 將血氧模擬儀的心率值及灌注水平固定，將血氧值在35%～95%之間按步進(jìn)值為2%依次增加，在95%～100%之間按步進(jìn)值為1%依次增加。圖6b）顯示了心率為75，灌注水平為5%條件下血氧值的測(cè)量結(jié)果，當(dāng)固定值為其他條件時(shí)測(cè)量結(jié)果基本一致。

分析圖6可以得出：CMS60血氧儀的脈率范圍在30～250 BPM間誤差絕對(duì)值不超過(guò)2;血氧飽和度在85%～100%間誤差不超過(guò)1%，35%～85%間誤差不超過(guò)3%，具有較高的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，滿(mǎn)足臨床醫(yī)療儀器測(cè)量要求，可作為標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證分析。

最后將本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)與康泰CMS60血氧儀同時(shí)測(cè)量多名健康實(shí)驗(yàn)者的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：實(shí)驗(yàn)選取了28名身體健康的志愿者，年齡在23～50歲，其中部分志愿者具有多年的抽煙史。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)者呼吸平穩(wěn)，正常坐立情況下分別使用該系統(tǒng)與CMS60進(jìn)行測(cè)量。

為對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行一致性分析，采用Bland?Altman法[11]。通過(guò)圖6中的數(shù)據(jù)分布情況以及計(jì)算2種測(cè)量結(jié)果的一致性界限，判斷結(jié)果的一致性。數(shù)據(jù)分析過(guò)程中將置信區(qū)間設(shè)為95%作為兩種方法測(cè)量的結(jié)果是否具有一致性的界限。經(jīng)28組數(shù)據(jù)可分別計(jì)算出兩種方法測(cè)量結(jié)果差值的均值[d]（平均偏倚）以及心率和血氧對(duì)應(yīng)置信區(qū)間。經(jīng)計(jì)算心率的[d=0.107]，置信區(qū)間為-1.84～2.06;血氧飽和度的[d=-0.429]，置信區(qū)間為-1.88～1.03。圖7中顯示了兩種測(cè)量方法的心率和血氧飽和度的數(shù)據(jù)大部分均位于置信區(qū)間內(nèi)，表明兩種測(cè)量結(jié)果具有很好的一致性。此外，為量化評(píng)估測(cè)量結(jié)果，本文進(jìn)一步使用相對(duì)精確度（Accuracy）和均方根誤差（RMSE）對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。上述各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)血氧儀CMS60有很好的一致性。證明了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)準(zhǔn)確性高，且穩(wěn)定性較好。

6 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文提出一種基于AFE4404的三波長(zhǎng)脈搏血氧檢測(cè)系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)從工作原理，硬件電路的實(shí)現(xiàn)，軟件界面等方面進(jìn)行了介紹。最后將本文系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)血氧儀CMS60進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，得出通過(guò)采用三波長(zhǎng)測(cè)量原理設(shè)計(jì)出的血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合AFE4404設(shè)計(jì)的脈搏信號(hào)獲取電路，可得到噪聲小的脈搏信號(hào)，并在確保精確性的前提下提高了血氧檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這有利于減少將來(lái)儀器在臨床使用時(shí)對(duì)病人的限制因素。由于條件限制，本文測(cè)量數(shù)據(jù)樣本有限，后期還需進(jìn)一步做臨床實(shí)驗(yàn)，獲取更多不同類(lèi)型的樣本對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證分析。

注：本文通訊作者為李凱揚(yáng)。

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