基于ARMCortex-M0內(nèi)核單片機(jī)的指夾式脈搏血氧儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦 漢，王瑞琦，盧超波

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無(wú)錫 214072）

1 引言

脈率和血氧飽和度是與人體健康狀況相關(guān)的參數(shù)。脈率既可以反映出人體的健康狀況，又能提示人體運(yùn)動(dòng)后的情況[1]。血氧飽和度與血液中氧氣的濃度有關(guān)，該指標(biāo)反映了人體的供氧情況，從而監(jiān)測(cè)人體的循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)狀況[2]。

國(guó)外開(kāi)展無(wú)創(chuàng)血氧飽和度檢測(cè)技術(shù)研究較早。BEER在1851年提出了光學(xué)測(cè)量的基本原理，就是朗伯-比爾規(guī)則，為無(wú)創(chuàng)血氧測(cè)量裝置的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。1982年，NELLCOR對(duì)先前的血氧監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行較大改進(jìn)，研發(fā)了一款光源選用發(fā)光二極管、光接收器選用珪管、用微型計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的性能更佳的血氧監(jiān)測(cè)儀N-100，自此拉開(kāi)了現(xiàn)代血氧監(jiān)測(cè)儀的發(fā)展序幕。20世紀(jì)90年代之后，血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀經(jīng)過(guò)持續(xù)發(fā)展與改進(jìn)，Masimo、Philips等公司已開(kāi)發(fā)出相對(duì)成熟的產(chǎn)品并應(yīng)用于臨床[3]。近年來(lái)，血氧飽和度檢測(cè)研究主要集中在血氧探頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和信號(hào)提取技術(shù)的創(chuàng)新性改進(jìn)等方面，在目前人口老齡化及醫(yī)療保健社區(qū)化的趨勢(shì)下，便攜式血氧儀越來(lái)越受到人們重視。

目前，國(guó)內(nèi)臨床上血氧飽和度檢測(cè)都是通過(guò)生命體征參數(shù)檢測(cè)儀來(lái)完成的，其中便攜式血氧儀大多使用國(guó)外的主控芯片，以朗伯-比爾定律和血液中還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白對(duì)光的吸收特性不同為理論基礎(chǔ)[4]。本文設(shè)計(jì)了一種基于ARMCortex-M0內(nèi)核單片機(jī)的指夾式脈搏血氧儀。通過(guò)兩種不同波長(zhǎng)的紅光和紅外光分別照射組織，經(jīng)透射后再由光電接收器轉(zhuǎn)換成光電容積脈搏波信號(hào)，經(jīng)數(shù)字解調(diào)及信號(hào)處理后，通過(guò)提取特征值計(jì)算出相應(yīng)的脈率和血氧飽和度。設(shè)計(jì)中選用905 nm紅外光和660 nm紅光，在該波長(zhǎng)處，氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的吸收差別較大。

2 指夾式脈搏血氧儀設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

指夾式脈搏血氧儀采用中科芯集成電路有限公司MCU事業(yè)部研制的基于ARM Cortex-M0內(nèi)核單片機(jī)作為主控芯片。該芯片性能強(qiáng)，工作頻率高達(dá)48 MHz且資源豐富，擁有2個(gè)I2C接口，2個(gè)SPI接口，2個(gè)USART，1個(gè)12位ADC，1個(gè)12位DAC，最多5個(gè)通用16位定時(shí)器，1個(gè)32位定時(shí)器和一個(gè)高級(jí)控制PWM定時(shí)器，完全能夠滿足指夾式脈搏血氧儀的設(shè)計(jì)要求。

2.1.1 開(kāi)機(jī)喚醒電路

開(kāi)機(jī)喚醒電路如圖1所示。單片機(jī)的一個(gè)I/O口連接總電源芯片使能引腳POWER_ON端，按鍵K1按下時(shí)，總電源芯片的使能引腳POWER_ON產(chǎn)生高電平脈沖，總電源開(kāi)啟，此時(shí)單片機(jī)上電，上電后單片機(jī)立即保持POWER_ON為高電平，血氧儀可持續(xù)工作，開(kāi)機(jī)完成。血氧儀在8 s內(nèi)未檢測(cè)到有手指放入時(shí)，單片機(jī)POWER_ON引腳軟件拉低置零，總電源斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)操作，由于總電源關(guān)閉，關(guān)機(jī)時(shí)血氧儀的電流不超過(guò)1.5μA。

圖1 開(kāi)機(jī)喚醒電路

2.1.2 發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路

發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。D1為發(fā)光對(duì)管，當(dāng)RED端接地、IR端接驅(qū)動(dòng)電平時(shí)，905 nm紅外燈亮；當(dāng)IR端接地、RED端接驅(qū)動(dòng)電平時(shí)，660 nm紅光燈亮。U9為雙通道模擬開(kāi)關(guān)，4腳為高電平時(shí)，3腳與2腳接通；4腳為低電平時(shí)，3腳與5腳接通；另外一通道原理相同；因此通過(guò)單片機(jī)IO口控制模擬開(kāi)關(guān)U9的4腳和8腳交替變換高低電平，完成紅光和紅外的切換。

圖2 發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路

LED燈的亮度取決于流過(guò)燈的電流，紅光燈或紅外燈的電流都會(huì)從三極管Q1流過(guò)；當(dāng)單片機(jī)DA_OUT輸出為0時(shí)，三極管Q1關(guān)斷，發(fā)光管不亮；當(dāng)單片機(jī)的DA_OUT輸出不為0時(shí)，運(yùn)放U1C輸出達(dá)到高電平，Q1開(kāi)啟；當(dāng)Q1開(kāi)啟后，引入負(fù)反饋，此時(shí)運(yùn)放反相端電壓為1/5VDA_OUT值；對(duì)于反相端，R28與R29并聯(lián)，其電流等于)/（R28//R29），從而通過(guò)DA_OUT控制發(fā)光強(qiáng)度和LED發(fā)光的占空比。

2.1.3 信號(hào)采集電路

脈搏波信號(hào)采集電路如圖3所示。D2為光電二極管，當(dāng)紅光或紅外光照射時(shí)，光電二極管會(huì)產(chǎn)生微安級(jí)的電流，通過(guò)U1A構(gòu)成的跨阻放大器，將微弱電流轉(zhuǎn)化成毫伏級(jí)的電壓，U1A的輸出電壓為Vout=249 kΩ·ID2。U1A構(gòu)成的有源低通濾波器截止頻率16.4 kHz，R5=249 kΩ，C1=39 pF。U1B構(gòu)成的有源低通濾波器截止頻率81 kHz，R13=49.9 kΩ，C2=39 pF；通帶電壓放大倍數(shù)為6，R12=10 kΩ。R21和C3構(gòu)成的無(wú)源低通濾波器截止頻率160 kHz。

圖3 脈搏波信號(hào)采集電路

調(diào)試時(shí)，根據(jù)示波器顯示電壓范圍，將DAC輸出適當(dāng)調(diào)整，使得采集端電壓處于ADC的合理輸入范圍內(nèi)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件主體程序

血氧儀的整體軟件流程如圖4所示。設(shè)備開(kāi)機(jī)鍵按下一瞬間，MCU上電首先將相應(yīng)引腳置高保持總電源通路，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)完成。接著進(jìn)行系統(tǒng)各模塊初始化，完成初始化后，DAC按照一定時(shí)序調(diào)節(jié)LED兩端電壓，ADC按照一定時(shí)序采集信號(hào)；對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字解調(diào)去除背景光的干擾。同時(shí)判斷脈搏波信號(hào)值是否偏小，直到滿足要求。對(duì)得到的紅光和紅外脈搏波信號(hào)進(jìn)行濾波處理，提取脈搏波中所需要的特征點(diǎn)，計(jì)算求得血氧飽和度值（SPO2）、脈率值（PR）并顯示在OLED屏幕上。

圖4 血氧儀的整體軟件流程

2.2.2 噪聲信號(hào)快速濾除方法

采用動(dòng)態(tài)光譜法測(cè)量很容易受到干擾[7]，本設(shè)計(jì)中分別對(duì)高頻毛刺噪聲、混頻運(yùn)動(dòng)干擾噪聲進(jìn)行濾波。采集到的原始脈搏波信號(hào)波形如圖5所示。

圖5 原始脈搏波信號(hào)波形

針對(duì)高頻毛刺噪聲，采用20點(diǎn)過(guò)采樣平均下抽方法，經(jīng)過(guò)數(shù)字平均提升信噪比，減少輸入端的噪聲。本設(shè)計(jì)將1000 Hz采樣率下抽到50 Hz，確保光電容積脈搏波的時(shí)域特征。與傳統(tǒng)EDM方法相比，實(shí)時(shí)性大大提高，也比較適合在下位機(jī)中運(yùn)行。

原始信號(hào)經(jīng)過(guò)20點(diǎn)過(guò)采樣平均下抽后的脈搏波信號(hào)波形如圖6所示。與圖5進(jìn)行對(duì)比，有用信號(hào)電壓和噪聲電壓比值趨于無(wú)窮大，高頻毛刺噪聲基本全部濾除，與傳統(tǒng)EMD方法相比，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性獲得了較大提高，有利于在單片機(jī)上執(zhí)行。

圖6 經(jīng)過(guò)20點(diǎn)過(guò)采樣平均下抽后的脈搏波信號(hào)波形

針對(duì)混頻運(yùn)動(dòng)干擾噪聲，由于人體脈搏波信號(hào)是基本恒定周期的時(shí)間序列，在不同的脈搏周期相同的相位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值基本相同，本設(shè)計(jì)采用多點(diǎn)中值濾波對(duì)不同周期的脈率波峰谷值進(jìn)行處理，以濾除輕微突變的運(yùn)動(dòng)噪聲。該算法計(jì)算量極小，保證實(shí)時(shí)性，有利于在單片機(jī)上執(zhí)行。

脈搏波輕微突發(fā)性運(yùn)動(dòng)干擾濾除前后的波形對(duì)比如圖7所示。從圖中能夠看出，脈搏波的輕微突發(fā)性運(yùn)動(dòng)干擾得到了有效濾除。

圖7 脈搏輕微突發(fā)性運(yùn)動(dòng)干擾濾除前后的波形對(duì)比

2.2.3 脈搏特征點(diǎn)提取

根據(jù)血氧飽和度和心率算法，需要在經(jīng)過(guò)解調(diào)和濾波處理的脈搏波上找到單心跳周期的波峰值和波谷值，由于人體心跳存在重搏現(xiàn)象（單周期內(nèi)會(huì)存在2個(gè)峰值和谷值），故采用前后滑動(dòng)比較的方法去除重搏干擾[5]。

具體步驟（以提取紅外光的波峰和波谷為例）：在連續(xù)的紅外脈搏波ir[m]數(shù)組中，當(dāng)滿足ir[16]為ir[0]～ir[32]的最大值時(shí)，ir[16]即為峰值，ir[16]對(duì)應(yīng)時(shí)間存入ir_time_top[10]中；當(dāng)滿足ir[16]為ir[0]～ir[32]的最小值時(shí)，ir[16]即為谷值，ir[16]對(duì)應(yīng)時(shí)間存入ir_bottom[10]中；脈搏波峰值和谷值提取方法如圖8所示（圖中只標(biāo)記了ir[0]、ir[16]、ir[32]，中間的點(diǎn)未標(biāo)記出）。類似方法求出紅光的波峰和波谷值分別存入r_top[10]及r_bottom[10]中。對(duì)r_top[10]、r_bottom[10]、ir_top[10]、ir_bottom[10]數(shù)組分別取平均值，消除手指不自主抖動(dòng)和呼吸等低頻干擾，最終得到紅光和紅外光脈搏波較為準(zhǔn)確的峰值和谷值。

圖8 脈搏波峰值和谷值提取方法示意

2.2.4 血氧飽和度值、脈率值

計(jì)算血氧值的方法為將提取得到的特征點(diǎn)的值（紅光的峰值、谷值和紅外光的峰值、谷值）代入式（1）：

Y為血氧SPO2值為紅光脈搏波單周期內(nèi)峰值和谷值，為紅外光脈搏波單周期內(nèi)峰值和谷值。

脈率值即脈搏跳動(dòng)的頻率值，使用1 min內(nèi)跳動(dòng)的次數(shù)表示。圖9為脈搏波信號(hào)波形圖，2個(gè)峰值之間的時(shí)間差值為T2-T1，脈率P=60 s/（T2-T1）。

圖9 脈搏波信號(hào)波形圖

本設(shè)計(jì)中，ir_time_top[10]用來(lái)存放10個(gè)波峰之間的時(shí)間，由此可以計(jì)算出10個(gè)波峰之間的時(shí)間間隔Δt，則脈率值P計(jì)算公式如下：

3 系統(tǒng)測(cè)試及試驗(yàn)結(jié)果

3.1 準(zhǔn)確性測(cè)試

將自制血氧儀與魚(yú)躍血氧儀作對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)。選擇100名測(cè)試者，令其在室內(nèi)靜坐5 min，對(duì)同一測(cè)試者同一手的食指和中指分別使用自制血氧儀和魚(yú)躍血氧儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試過(guò)程保持靜止，測(cè)量3次，每次測(cè)試20 s，每次測(cè)試間隔也為20 s。圖10為某個(gè)測(cè)試者測(cè)試過(guò)程中的圖片（左側(cè)為本設(shè)計(jì)血氧儀）。

圖10 測(cè)試者測(cè)試過(guò)程（左側(cè)為本設(shè)計(jì)血氧儀）

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

血氧儀準(zhǔn)確性試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，自制血氧儀與魚(yú)躍血氧儀測(cè)得的血氧飽和度值最大差值為1，而該公司血氧儀血氧飽和度在70%～99%段測(cè)量誤差為2%，由此可得到自制血氧儀的血氧飽和度值測(cè)量誤差為3%。測(cè)得的脈率值最大相差1，而該公司血氧儀脈率值測(cè)量誤差為1%，由此可得到自制血氧儀的脈率值測(cè)量誤差為2%。

表1 血氧儀準(zhǔn)確性試驗(yàn)數(shù)據(jù)部分結(jié)果

4 總結(jié)

隨著社會(huì)發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)于醫(yī)療保健和疾病預(yù)防的重視程度也越來(lái)越高，便攜式醫(yī)療設(shè)備逐漸成為家庭中必不可少的設(shè)備。本文以設(shè)計(jì)便攜指夾式脈搏血氧飽和度及脈率檢測(cè)為導(dǎo)向，在低功耗、發(fā)光管驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、信號(hào)接收管設(shè)計(jì)等軟硬件結(jié)構(gòu)以及脈搏信號(hào)采集、處理、特征點(diǎn)提取、準(zhǔn)確性測(cè)試等方面進(jìn)行了研究，完成了指夾式脈搏血氧儀的設(shè)計(jì)，并通過(guò)與魚(yú)躍血氧儀產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可靠性。