手持式微型多生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備的研制

賀玉珍，湯敏芳，何征嶺，趙榮建，陳賢祥，趙湛，方震

1.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 微電子學(xué)院，北京 100049

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長和教育水平的不斷提高，人們的健康意識也普遍增強(qiáng)，以預(yù)防為主，有病早發(fā)現(xiàn)早治療的理念已經(jīng)成為當(dāng)下大眾普遍接受并追尋的一種健康理念[1-2]。從2005年到2018年，我國65周歲及以上的人口數(shù)量逐年遞增；預(yù)計到2020年，65周歲以上的老年人口將會達(dá)到2.48億，占我國總?cè)丝诒壤?1.92%。與此同時，老年階段的慢性病開始逐漸取代傳染病和急性病[3-5]，成為威脅人們健康的主要因素，醫(yī)療模式[6]側(cè)重于向長期保健和疾病預(yù)防的方式轉(zhuǎn)變。

傳統(tǒng)的醫(yī)院監(jiān)護(hù)設(shè)備，可以檢測各種生理參數(shù)，包括十二導(dǎo)聯(lián)心電[7]、脈搏波、舒張壓、收縮壓、血氧飽和度和體溫，但是這些設(shè)備往往體積龐大，操作復(fù)雜，在使用過程中對各類傳感器佩戴的位置和使用方式都有嚴(yán)格的要求，一般都需要經(jīng)過專門培訓(xùn)的醫(yī)護(hù)人員來操作，其使用通常會受到時間、空間的限制而無法達(dá)到實時測量的目的[8]。由于傳統(tǒng)的以醫(yī)院為中心的醫(yī)療模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代人對健康管理的需求，研制可以在家庭中日常使用的多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)設(shè)備具有十分重大的意義。

本文研制了一款集心率、血氧、血壓、體溫測試于一體的手持式微型多生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備，解決了傳統(tǒng)設(shè)備測量參數(shù)單一的問題，且設(shè)備簡易輕便，可隨身攜帶，無創(chuàng)，不會干擾使用者的日常生活，一定程度上解決了用戶的依從性問題。

1 生理信號采集及測量原理

心臟的跳動會造成心肌細(xì)胞電位的變化，該變化的電信號可以通過體液傳到體表，引起體表電勢差的變化，心電信號[9]就是由這種變化的體表生物電信號得來的。在每個心臟跳動周期中，由于傳導(dǎo)時間的不同，大量心肌細(xì)胞瞬間電位的變化會在生物體表的不同位置形成電勢差，心電圖（Electrocardiogram，ECG）就是根據(jù)該電勢差信號隨時間變化描繪出來的曲線圖[10]。測量時通過左手指末與右手指末的體表電勢差采集到ECG信號，進(jìn)而可得到單導(dǎo)聯(lián)心電圖。

光電容積脈搏波描記法（Photo Plethysmo Graph，PPG）是一種常用的無創(chuàng)檢測方法，用來檢測活體血液容積的變化，一般采用光電手段，以反射或透射的方式采集信號。研究發(fā)現(xiàn)，血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）會對紅光和紅外光產(chǎn)生不同的吸收光譜，根據(jù)朗伯-比爾定律（The Lambert-Beer Law），當(dāng)血液中血氧飽和度發(fā)生變化時，光探測器上660 nm和940 nm兩個波長的相對光強(qiáng)有著明顯的線性關(guān)系，基于此原理可得到血氧飽和度[11]。測量時只需用指末覆蓋血氧探頭，操作簡單，具有無創(chuàng)性，且安全無交叉感染，不會給用戶造成心理上的排斥。

體溫也是反應(yīng)人體健康情況的一項重要生理參數(shù)指標(biāo)，通常通過熱敏電阻在不同溫度下阻值的變化對用戶進(jìn)行體溫信號采集。

研究表明，PPG信號的傳輸時間會受人體內(nèi)血壓高低的影響[12-14]。根據(jù)這個規(guī)律，可以用脈搏傳輸時間（Pulse Transmission Time，PTT）來間接測量血壓值。PTT定義為ECG信號中QRS波波峰值點到同一外圍PPG信號上升沿斜率最大值點的時間和，見圖1。

圖1 PTT時間模型示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 設(shè)備模塊設(shè)計

本文選用STM32F411作為主控芯片，負(fù)責(zé)整個硬件平臺的指令控制、數(shù)據(jù)運算及信號處理，通過設(shè)備表面的傳感器分別采集到ECG信號、PPG信號和溫度信號，然后通過相應(yīng)的模擬前端進(jìn)行信號處理，再通過中央處理器進(jìn)行算法控制，解析出各項生理參數(shù)并在上位機(jī)顯示，具體的架構(gòu)見圖2所示。系統(tǒng)以STM32F411為核心，集成生理信號傳感器，體積小巧，各模塊的器件選型及對應(yīng)的通信接口分布，見表1。手持式設(shè)備體積小，ECG信號由單導(dǎo)聯(lián)干電極獲得，PPG信號由反射式血氧探頭獲得，體溫信號由熱敏電阻獲得，設(shè)備無外接導(dǎo)線和探頭。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

表1 主要器件選型及其接口分布

2.2 軟件系統(tǒng)功能

在嵌入式設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)時，主程序首先對設(shè)備進(jìn)行初始化，進(jìn)入到測量模式，然后配置中斷和相應(yīng)的優(yōu)先級，分別對傳感器采集到的各項生理信號進(jìn)行處理、分析和打包，最后通過藍(lán)牙與上位機(jī)通信在終端設(shè)備顯示各生理參數(shù)。具體流程，見圖3。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

2.3 生理信號降噪濾波處理

肌電干擾、呼吸干擾、工頻干擾等各種干擾會對由心電電極采集到的原始心電信號造成影響，為了盡量減小這些干擾，需要對原始信號進(jìn)行降噪、濾波處理。去除工頻干擾常用的辦法有50 Hz陷波濾波器[16]。在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，信號的采樣頻率是250 Hz，結(jié)合算法復(fù)雜度以及信號穩(wěn)定性，這里以5點滑動平均濾波器為模型，去除信號的工頻干擾，其差分方程如式(1)所示。

此外，基線漂移也是影響心電信號的一個重要因素?？紤]到MCU的處理性能，采用101點中值濾波器濾除信號中的高頻分量，然后用80點滑動濾波器做去除基線漂移處理，以此得到比較干凈穩(wěn)定的生理信號，便于后續(xù)的分析從而得到準(zhǔn)確的有實際意義的生理參數(shù)。

2.4 ECG信號處理與心率的解析

ECG信號先經(jīng)過濾波降噪處理，再通過PT算法，定位到ECG波形的極大值點，即可找到心電信號QRS特征值波群中的R點。通過相鄰波峰的采樣率和采樣點數(shù)，計算RR點間期，確定一個心動周期的時間，從而計算心率值。具體軟件設(shè)計流程圖，見圖4。

圖4 心率計算流程圖

2.5 PPG信號處理與血氧飽和度的解析

根據(jù)血氧飽和度的計算方法，需要分別對紅光和紅外光提取出信號在周期內(nèi)的直流分量IDC和交流分量IAC。血氧飽和度（Surplus Pulse O2，SPO2）可根據(jù)以下公式得到，式中A、B、C為常量，可用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備由最小二乘法擬合標(biāo)定，660 nm的紅光和940 nm的紅外光在式中由λ1和λ2表示，IDC和IAC分別代表PPG信號的直流分量和交流分量。具體計算方法如式(2)和式(3)所示。

對采集到的原始光電容積脈搏波信號，首先進(jìn)行一階微分運算，掃描得到一階微分曲線，分別找到從負(fù)到正和從正到負(fù)的過零點，再根據(jù)可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)的閾值找到信號的波峰值與波谷值。

2.6 血壓的計算

根據(jù)Lansdown[13]提出的血壓測量模型，血壓與脈搏波傳輸時間存在式(4)的近似線性關(guān)系，其中a和b為待定的系數(shù)。由于動脈口徑、血液粘稠度等也會對血壓造成影響，Ding等[14]提出的血壓測量模型可以有效解決這個問題，收縮壓（SBP）和舒張壓（DBP）的計算模型如式(5)、式(6)所示。

在該系統(tǒng)中，ECG信號和PPG信號的采樣頻率均為250 SPS，在采樣過程中采用插值采樣的方法以確保ECG和PPG信號的同步性。根據(jù)前文信號處理的方法找到心電信號的R值，以及同一外圍光電容積脈搏波上升沿斜率最大值點，得到脈搏傳輸時間。

3 測試與驗證

手持式微型多生理參數(shù)檢測設(shè)備外形設(shè)計符合人體工學(xué)和美學(xué)設(shè)計，兩端呈弧線形，測試時貼合手掌，便于使用者測量，設(shè)備外形，見圖5。使用時，雙手須有四個手指分別置于四個心電電極上，還需一個手指覆蓋血氧探頭，通過串口通信在電腦上位機(jī)進(jìn)行原始生理波形顯示，通過藍(lán)牙通信在手機(jī)APP端進(jìn)行生理參數(shù)的實時測試。測量方式，見圖6。

圖5 設(shè)備外形圖

以Fluke公司的ProSim 8生命體征模擬器作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，選取有參考意義的測試點對心率進(jìn)行對比測試，以PHILIPS脈搏血氧儀DB18為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對血氧飽和度進(jìn)行臨床對比測試，以歐姆龍體溫計對體溫參數(shù)進(jìn)行對比測試，測試結(jié)果，見表2。從測試結(jié)果可以看出，心率的單點誤差絕對值最大為2 bpm，平均絕對誤差小于1 bpm，血氧飽和度誤差在1%之內(nèi)（一般血氧飽和度范圍在99%～75%[14]，但是對于身體健康的人群其測試范圍在99%～94%），體溫測量的最大絕對誤差為0.1℃，平均誤差小于0.1℃，可以滿足家庭日常監(jiān)護(hù)需求。

表2 心率、血氧飽和度、體溫測試結(jié)果

圖6 手持式設(shè)備測量方式

以美國順泰公司的動態(tài)血壓檢測儀SunTech Oscar 2作為血壓測量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，通過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和研制設(shè)備進(jìn)行對比測試。對7個受試者分別在不同時段共測量36組數(shù)據(jù)，測量結(jié)果，見圖7。通過圖7可以看出，測試結(jié)果與SunTech血壓儀參考結(jié)果呈正相關(guān)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，得舒張壓的絕對誤差為2.92 mmHg，收縮壓的絕對誤差為3.78 mmHg，設(shè)備具有較高的準(zhǔn)確率。

圖7 血壓測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文以現(xiàn)代人群健康管理理念的轉(zhuǎn)變及家用可穿戴設(shè)備的需求為出發(fā)點，設(shè)計了一款手持式微型多生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備，并對該設(shè)備所測量的各生理參數(shù)的方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，研制設(shè)備的優(yōu)勢在于采用高度集成的傳感器，集心率、血氧、血壓、體溫測量于一體，體積小，方便攜帶，無外接導(dǎo)線，開機(jī)狀態(tài)工作穩(wěn)定。手持式微型多生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行了對比測試，結(jié)果表明本設(shè)備所測參數(shù)準(zhǔn)確率很高，可達(dá)到家庭健康監(jiān)護(hù)的要求。