耳后脈搏信號檢測系統(tǒng)研究

張愛華，常婷婷，漆宇晟

1.蘭州理工大學計算機與通信學院，甘肅蘭州730050；2.蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，甘肅蘭州730050；3.甘肅省工業(yè)過程先進控制重點實驗室，甘肅蘭州730050；4.蘭州理工大學電氣與控制工程國家級實驗教學示范中心，甘肅蘭州730050

前言

光電脈搏波（Photoplethysmography, PPG）中蘊含大量的生理病理信息，廣泛應用于大多數(shù)病理和非病理性場合，如監(jiān)測心率、呼吸速率、脈率和脈率變異性［1-3］，檢測過早心室收縮［4］、無袖帶血壓［5］、呼吸道刺激［6］，估計動脈硬化［7］、睡眠呼吸暫停［8］等。脈搏信號因檢測位置局限性小且檢測方式簡單方便，現(xiàn)已廣泛應用于醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)［9］，但在檢測中易受體動和血流灌注影響而導致無法準確檢測信號，進而影響對人體健康狀態(tài)的準確判斷。

國內(nèi)外對脈搏信號檢測系統(tǒng)已有大量研究，常見的檢測設備可從人體指部、腳趾、腕部、耳垂、耳道等部位進行檢測［10-13］。指部采用的夾持式結(jié)構(gòu)導致血流灌注發(fā)生變化，且其靈活的運動容易引入較多的運動偽跡［14-15］；腳趾處的脈搏信號測量則給人們的日常活動帶來很大不便［16］；腕部脈搏信號在日常運動中易受運動影響，導致波形失真［17］；耳垂處采用的夾持式結(jié)構(gòu)使耳垂處血流灌注發(fā)生變化，且長時間夾持會使佩戴者出現(xiàn)明顯的不適感［18］；將脈搏傳感器放置于耳道內(nèi)進行脈搏信號檢測時，在咀嚼說話情況下會受到較嚴重的干擾［19］。有學者通過在前臂、手指、前額、手腕和肩膀等部位進行脈搏信號檢測，尋找與心跳和呼吸同步變化的檢測位置，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同部位檢測的脈搏信號之間存在明顯差異，但也具有一定的互補性［20］。也有學者通過對靜止狀態(tài)下在耳屏、耳上、耳后、耳下、前額、左手食指和拇指部位進行PPG 信號檢測，研究傳感器與皮膚的貼合性、傳感器壓力影響被測部位血流灌注及環(huán)境噪聲對脈搏信號產(chǎn)生的影響［21］。雖然上述研究對脈搏信號的穩(wěn)定檢測有了一定探討，但是并沒有很好地解決檢測部位選取、傳感器與檢測部位貼附程度、傳感器放置方式引起的血流灌注等問題，因此日常狀態(tài)下脈搏信號檢測的穩(wěn)定性仍有待提高。

本研究研制的耳后脈搏信號檢測系統(tǒng)，選取完骨穴、頭竅陰穴與耳根骨之間區(qū)域進行脈搏信號的檢測，減少檢測過程中受運動、血流灌注的影響，以提高信號質(zhì)量；并通過3D掃描、打印技術(shù)實現(xiàn)耳廓型封裝結(jié)構(gòu)的專門定制，避免傳感器與檢測部位之間的間隙對信號檢測的影響，進一步確保耳后脈搏信號的穩(wěn)定檢測；然后，將同步檢測的靜止狀態(tài)下的指部脈搏信號作為參考信號，對耳后脈搏信號檢測系統(tǒng)進行有效性驗證。結(jié)果表明系統(tǒng)采集的耳后脈搏信號與傳統(tǒng)指部脈搏信號之間存在較好的一致性，因此，該檢測系統(tǒng)可提高日常生活下脈搏信號檢測的穩(wěn)定性，實現(xiàn)日常狀態(tài)下人體健康狀態(tài)的有效監(jiān)護。

1 脈搏信號檢測系統(tǒng)

如圖1所示，脈搏信號檢測系統(tǒng)由檢測模塊、信號預處理模塊和單片機處理及發(fā)送模塊組成。檢測模塊包括耳部與指部脈搏信號檢測兩部分，耳部脈搏信號檢測使用研制的耳后脈搏監(jiān)測系統(tǒng)，將傳感器固定于耳后完骨穴、頭竅陰穴與耳根骨之間區(qū)域進行檢測；指部脈搏信號檢測采用南京航空航天大學自動化學院先進機器人與精密系統(tǒng)研究中心設計的透射式指夾式脈搏傳感器（PWS-20A,中國），夾持在受試者右手食指進行檢測。由于脈搏信號較為微弱且易受干擾，因此通過信號預處理模塊的放大電路及濾波電路對傳感器檢測到的脈搏信號進行預處理，濾除檢測過程中所產(chǎn)生的低高頻噪聲。與此同時，本研究采用單片機處理及發(fā)送設備檢測預處理后的脈搏信號，并通過藍牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC 進行數(shù)據(jù)的顯示與分析［1］。

圖1 脈搏信號檢測系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of pulse signal detection system

1.1 耳后脈搏傳感器

圖2為耳后脈搏信號檢測系統(tǒng)實物圖。目前常用的透射式脈搏信號檢測系統(tǒng)多為夾持式結(jié)構(gòu)，僅適合于手指、腳趾、耳垂等部位的檢測，且長時間的使用會給使用者帶來不適；而反射式傳感器受測量位置局限性小，可置于手臂、額頭、手腕、腳背等部位，且使用更加方便舒適，因此本研究采用反射式光電脈搏傳感器（SON7015,松恩電子有限公司,中國）進行脈搏信號的檢測，其靈敏度高（發(fā)射管、接收管主要工作波長峰值均為550 nm）、尺寸?。?.0 mm×2.0 mm×1.05 mm）、超低功耗（＜0.5 mA），便于實現(xiàn)耳后脈搏信號的檢測。

圖2 耳后脈搏信號檢測系統(tǒng)Fig.2 System for detecting the pulse signals behind the ear

1.2 信號預處理模塊

由于脈搏信號較為微弱，且檢測過程易受背景噪聲的影響，如基線漂移、工頻干擾等，因此本研究選取包含一階有源低通濾波器和一階無源高通濾波器的預處理電路對脈搏信號進行放大、濾波處理。預處理電路放大倍數(shù)為700倍，通頻帶為0.2～3.1Hz。電路板設計使用計算機輔助設計軟件Altium Designer V13.0（Altium Inc.,澳大利亞）。將預處理電路設計于傳感器的另一側(cè)，避免皮膚與電路接觸而引入噪聲。

1.3 單片機檢測及發(fā)送模塊及封裝結(jié)構(gòu)

選用STM32F030F4P6實現(xiàn)對耳后脈搏信號的檢測與發(fā)送，其采用32位的RISC指令系統(tǒng)，內(nèi)部集成AD轉(zhuǎn)換器、定時器、異步串行通信電路等，滿足設計要求。如圖1所示，通過A/D模塊對耳后脈搏模擬信號進行檢測，采樣頻率1 000 Hz，A/D轉(zhuǎn)換采用12位工作方式。使用串口通信模塊實現(xiàn)對藍牙模塊的控制，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC，傳輸速率為115 200 bps。單片機檢測及發(fā)送模塊體積小巧（25.0 mm×15.0 mm×10.0 mm），便于日常佩戴使用。圖3為信號檢測及發(fā)送設備原理圖，其中包括STM32F030F4P6單片機、程序下載及調(diào)試端口、鋰電池供電接口、復位電路、時鐘電路、傳感器接口、藍牙接口等。

圖3 信號檢測及發(fā)送設備原理圖Fig.3 Schematic diagram of signal detection and transmission equipment

由于脈搏傳感器與檢測部位之間的貼附程度及檢測部位的日常運動影響信號的穩(wěn)定檢測，因此對傳感器的穩(wěn)定固定及放置位置選取提出了更高要求。本研究選取耳后完骨穴、頭竅陰穴與耳根骨之間區(qū)域，與傳統(tǒng)的檢測部位相比，運動幅度小于四肢，且其離心臟更近，分布較為豐富的血管可為脈搏及血氧飽和度信號檢測提供較為穩(wěn)定的血流灌注；與此同時，此檢測位置主要由皮膚、軟骨組成，且皮膚組織較薄，便于傳感器穩(wěn)定的貼附，保證脈搏信號的穩(wěn)定檢測?？紤]到材料的生物相容性、佩戴的舒適度、穩(wěn)定度以及對不同耳形的貼合情況等人體工學因素，傳感器的封裝結(jié)構(gòu)選取質(zhì)地柔軟、不易造成皮膚敏感的柔性樹脂材料制成，設計為可穩(wěn)定貼附于佩戴者耳部的耳廓型結(jié)構(gòu)，即使用3D掃描儀（FreeScan X3,北京天遠三維科技）對不同佩戴者的耳廓形狀進行掃描生成佩戴者耳廓形狀數(shù)據(jù)，以3D掃描得到的數(shù)據(jù)為基礎，設計適合佩戴者耳廓形狀的封裝結(jié)構(gòu)，最后通過3D打印得到該耳廓型封裝結(jié)構(gòu)。3D掃描、打印后的封裝結(jié)構(gòu)實物圖如圖4所示，該結(jié)構(gòu)使得傳感器在受試者處于運動及靜止狀態(tài)下均與耳后區(qū)域貼附，實現(xiàn)耳后脈搏信號的穩(wěn)定檢測。

圖4 封裝結(jié)構(gòu)Fig.4 Package structure

2 耳后脈搏信號評估

2.1 實驗數(shù)據(jù)

同步檢測靜止狀態(tài)下的耳后與指部脈搏信號，實驗數(shù)據(jù)時長共16 min。獲取的部分脈搏信號波形如5a所示，峰值提取如5b所示，對峰值點做差分得到PP間期，結(jié)果如圖5c所示。

圖5 PP間期提取Fig.5 PP interval extraction

2.2 一致性分析

為了驗證所研制耳后脈搏信號檢測系統(tǒng)的有效性，同步檢測靜止狀態(tài)下的指部脈搏信號作為參考信號，對耳后脈搏與指部脈搏進行一致性分析。一致性評估的常用方法有線性相關、線性回歸、配對t檢驗、組內(nèi)相關系數(shù)以及Bland-Altman法［22］。其中線性回歸是以觀測到的X預測觀測到的Y；Bland-Altman法用于兩種測量方法結(jié)果的一致性評價，同時考慮隨機誤差和系統(tǒng)誤差，廣泛應用于臨床中。通過醫(yī)用軟件Medcalc對檢測的兩組脈搏信號（每一組都包含耳部脈搏信號與指部脈搏信號）所得到的PP間期做Bland-Altman圖（圖6a、圖6c）、散布圖和回歸線（圖6b、圖6d）。

圖6 一致性及相關性評估Fig.6 Consistency and relevance assessment

Bland-Altman圖分別以檢測結(jié)果均值和差值作為橫軸和縱軸，計算95%差值在一致性界限（-1.96 SD,+1.96 SD）的分布情況，如果這個一致性界限的寬度在臨床上可以接受，則認為一致性較好，反之，一致性較差。由圖6a可知，791個點中有29個位于一致性界限范圍以外，比例為3.67%，小于5.00%，一致性界限范圍為（-41.049 6,47.440 7）；圖6c中的256個點中有8個位于一致性界限范圍以外，比例為3.13%，小于5.00%，一致性界限范圍為（-37.670 5,39.694 4）；由以上實驗結(jié)果可知，兩組實驗中的耳后脈搏信號與指部脈搏信號都有較好的一致性。圖6b、圖6d為其散布圖與回歸線，將均等線（y=x）與線性最佳擬合曲線進行比較，兩組實驗的耳后脈搏信號與指部脈搏信號PP間期回歸曲線的斜率都接近1，這表明耳后脈搏與指部脈搏之間有較好的對應關系。

3 結(jié)論

本研究研制的耳后脈搏信號檢測系統(tǒng)，選取完骨穴、頭竅陰穴與耳根骨之間區(qū)域，減少了運動及血流灌注對檢測結(jié)果的影響，脈搏傳感器的耳廓式封裝結(jié)構(gòu)通過3D掃描、打印技術(shù)進行專門定制，以適應不同佩戴者的耳廓形狀，實現(xiàn)傳感器與檢測部位穩(wěn)定貼附，減少傳感器與被測部位之間間隙對脈搏信號質(zhì)量的影響，進一步提高耳后脈搏信號檢測的穩(wěn)定性，避免對日常生活中人體健康狀態(tài)的錯誤判斷。然后通過Bland-Altman法、散布圖和回歸線對同步檢測右手食指的脈搏信號與耳后脈搏信號進行一致性分析，實驗結(jié)果表明，耳后與指部脈搏信號之間存在較好的一致性。因此所研制的檢測系統(tǒng)可以穩(wěn)定地檢測耳后脈搏信號，有效解決傳感器貼附不好及血流灌注對信號檢測的影響。