自適應(yīng)脈搏氧系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱子孚，文斌，吳柔，袁思念，李若薇，葉繼倫，3，張旭，3

1.深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東深圳518000；2.深圳市生物醫(yī)學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518000；3.廣東省生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518000

前言

氧氣是人體進(jìn)行新陳代謝的關(guān)鍵物質(zhì)，是維持人體生命活動(dòng)的3大要素之一，氧氣的供給能夠使機(jī)體器官發(fā)揮各自功能［1］。脈搏血氧飽和度是通過(guò)光電方法實(shí)時(shí)測(cè)量和反映血液中動(dòng)脈血氧含量的關(guān)鍵指標(biāo)，表示人體呼吸系統(tǒng)以及心血管系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息，在人類相關(guān)的疾病預(yù)防與診斷中起著重要作用。因此，在針對(duì)脈搏氧飽和度測(cè)量中，不斷提高測(cè)量性能是一件很有重要臨床應(yīng)用價(jià)值的研究［2-3］。特別在人體血流灌注指數(shù)偏低、脈搏非常微弱時(shí)，能否得到波形良好的脈搏波信號(hào)，成為精確計(jì)算血氧飽和度的前提［4-5］。

1 脈搏氧檢測(cè)原理和方案設(shè)計(jì)

1.1 脈搏氧檢測(cè)原理

當(dāng)一定波長(zhǎng)的光束照射到手指表面時(shí)，光束將通過(guò)透射或反射方式傳送到光電二級(jí)管，在此過(guò)程中由于受到組織和血液的吸收衰減作用，光電二級(jí)管檢測(cè)到的光強(qiáng)度將減弱，其中組織等對(duì)光的吸收在整個(gè)血液循環(huán)中是保持恒定不變的，而動(dòng)脈的血液容積在心臟作用下呈搏動(dòng)性變化［6-8］，如圖1a 所示。血紅蛋白具有光吸收特性，但氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白吸收光線的波長(zhǎng)是不同的，利用分光光度計(jì)比色原理，可以測(cè)得隨著動(dòng)脈搏動(dòng)血液中氧合血紅蛋白對(duì)不同波長(zhǎng)光線的吸收光量，如圖1b 所示，從而得到兩種血紅蛋白含量，計(jì)算出血氧飽和度［6-7］。

圖1 脈搏氧檢測(cè)原理Fig.1 Detection principle of pulse oximetry

1.2 系統(tǒng)整體方案

本自適應(yīng)脈搏氧系統(tǒng)由電源模塊、光電驅(qū)動(dòng)電路、前級(jí)I/V 轉(zhuǎn)換電路、二級(jí)放大電路、AD 模塊等組成［9］。系統(tǒng)的整體功能框圖如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)脈搏氧系統(tǒng)功能框圖Fig.2 Functional block diagram of adaptive pulse oximetry

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 恒流源光電驅(qū)動(dòng)電路

為了保證光源的穩(wěn)定，采用恒流源方式的驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（圖3）。DRIVE1、DRIVE2、DRIVE3是通過(guò)MCU 發(fā)出的控制信號(hào)，D1、D2、D3、D4 為兩種不同的MOS 管。通過(guò)DRIVE1、DRIVE2 驅(qū)動(dòng)MOS 導(dǎo)通和關(guān)斷從而實(shí)現(xiàn)紅光和紅外光交替發(fā)光。DRIVE3 通常后接一個(gè)電壓跟隨器，提高帶載能力，調(diào)節(jié)恒流源大小。

圖3 恒流源光電驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Constant current source photoelectric drive circuit

2.2 光電流I/V轉(zhuǎn)換電路

紅光和紅外光射到光電二級(jí)管的活動(dòng)區(qū)后，電流從陰極流向陽(yáng)極。理想情況下，所有光電接收管電流都流向反饋電阻，產(chǎn)生數(shù)值等于光電二極管電流乘以反饋電阻的反饋電壓，如式（1）所示：

V2作為電位抬升，越過(guò)運(yùn)放的軌，避免信號(hào)產(chǎn)生失真；反饋電阻并聯(lián)電容，一是構(gòu)成低通，二是防止產(chǎn)生自激蕩。光電流I/V轉(zhuǎn)換電路見(jiàn)圖4。

圖4 光電流I/V轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Photocurrent I/V conversion circuit

2.3 二級(jí)放大電路

二級(jí)放大電路輸出值如式（2）所示，如電路中電阻值滿足式（3），則電路輸出值滿足式（4），構(gòu)成一個(gè)減法器電路，DA輸出值由MCU控制，如圖5所示。

圖5 二級(jí)放大電路Fig.5 Secondary amplifier circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)設(shè)計(jì)

在下位機(jī)配置方面，主要包括各模塊的初始化以及定時(shí)器中斷、串口、GPIO口等。使用定時(shí)器中斷進(jìn)行內(nèi)部AD 和外部AD 的采樣，讀取AD 轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)。

通過(guò)內(nèi)部AD 轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)，判斷是否有手指接入，如未識(shí)別到手指，進(jìn)入低亮度閃爍待機(jī)狀態(tài)，降低功耗；識(shí)別手指后自動(dòng)初始化進(jìn)入工作狀態(tài)。

通過(guò)計(jì)算得出脈搏波信號(hào)的相關(guān)特性，根據(jù)交流分量和信號(hào)幅值的大小執(zhí)行模擬開(kāi)關(guān)通道的變換、DRIVE1和DA的調(diào)節(jié)，如圖6所示。

圖6 下位機(jī)流程圖Fig.6 Slave computer flowchart

下位機(jī)中對(duì)外部AD 采樣的脈搏波信號(hào)做了簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理，基于MATLAB 中的filterDesigner 工具箱，選擇二階巴特沃斯高通、低通濾波器，設(shè)置采樣率、截止頻率，生成相應(yīng)濾波器參數(shù)并進(jìn)行測(cè)試，信號(hào)濾波處理如圖7所示。查看濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)，移植入MCU 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，減小環(huán)境噪聲對(duì)脈搏波有效信號(hào)的干擾。

3.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

在上位機(jī)配置方面，主要包括圖形化界面設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)傳遞以及脈率、灌注指數(shù)、血氧飽和度的計(jì)算。對(duì)下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)每隔5 s 進(jìn)行1 次處理計(jì)算，識(shí)別主波位置，根據(jù)相鄰主波時(shí)間間隔計(jì)算脈率；分析信號(hào)的最大值、最小值，得出交流分量和直流分量大小，分別計(jì)算出兩路光源脈搏波的灌注指數(shù)和相應(yīng)R值；通過(guò)FLUKE INDEX2 血氧模擬器提供的信號(hào)模擬功能實(shí)現(xiàn)R曲線擬合，計(jì)算血氧飽和度。相關(guān)參數(shù)計(jì)算流程圖［10］如圖8所示。

圖8 參數(shù)計(jì)算流程圖Fig.8 Parameter calculation flowchart

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

4.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)上述主要設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)脈搏氧板卡實(shí)物圖如圖9所示。板卡整體長(zhǎng)度為90 mm，寬度為50 mm，厚度約5 mm，外接串口板可實(shí)現(xiàn)供電和串口收發(fā)功能，外接血氧探頭可實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏、血氧的實(shí)時(shí)測(cè)量。經(jīng)測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)上電自檢時(shí)間14～15 s，自檢完成后快速響應(yīng)時(shí)間3～4 s，經(jīng)測(cè)量可得系統(tǒng)整體工作電流115 mA，工作電壓10 V，系統(tǒng)總功耗1.15 W，能夠滿足快速響應(yīng)、實(shí)時(shí)測(cè)量的需求。

圖9 自適應(yīng)脈搏氧板卡Fig.9 Circuit board of adaptive pulse oximetry

4.2 脈搏波信號(hào)質(zhì)量測(cè)試

為驗(yàn)證該系統(tǒng)在正常情況、低灌注情況下均能得到高質(zhì)量的脈搏波信號(hào)，通過(guò)FLUKE INDEX2 血氧模擬器分別模擬灌注指數(shù)6%、0.1%、0.075%、0.05%參數(shù)下的脈搏波信號(hào)，通過(guò)上位機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠采集到相應(yīng)的脈搏波信號(hào)，并準(zhǔn)確計(jì)算出相關(guān)參數(shù)值。目前可做到灌注指數(shù)0.05%下波形穩(wěn)定，計(jì)算準(zhǔn)確，如圖10所示。

圖10 脈搏波信號(hào)質(zhì)量測(cè)試Fig.10 Pulse wave signal quality test

4.3 參數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確性測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)對(duì)脈率、灌注指數(shù)、血氧飽和度的計(jì)算準(zhǔn)確度，采取控制變量的方式，使用FLUKE INDEX2血氧模擬器設(shè)定了脈率范圍為40～250次/min，灌注指數(shù)范圍為0.025%～20%，血氧飽和度范圍為70%～100%。對(duì)系統(tǒng)計(jì)算值進(jìn)行3次求平均，計(jì)算值與參考值擬合曲線如圖11所示。表1顯示計(jì)算值與參考值的偏差。

表1 計(jì)算值與參考值誤差Tab.1 Deviations between calculated and actual values

圖11 數(shù)據(jù)擬合曲線圖Fig.11 Data fitting curves

由計(jì)算值和參考值中的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差可知計(jì)算值與參考值的偏差很小，脈率偏差不超過(guò)1次/min，灌注指數(shù)和血氧飽和度偏差均不超過(guò)1%。由數(shù)據(jù)擬合曲線圖可以看出，脈率、灌注指數(shù)的計(jì)算值很接近參考值，較為準(zhǔn)確。血氧飽和度的計(jì)算值與參考值還存在一些偏差，可能是擬合曲線的系數(shù)位數(shù)偏低引入的誤差，但是仍在誤差允許范圍內(nèi)，已經(jīng)滿足血氧產(chǎn)品認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)要求（2%），有待于進(jìn)一步的工程化及驗(yàn)證確認(rèn)。

5 總結(jié)

本文基于光電容積方法，設(shè)計(jì)出一種自適應(yīng)脈搏氧測(cè)量系統(tǒng)，即通過(guò)將前級(jí)反饋回的信號(hào)幅值作為依據(jù)，對(duì)恒流源大小與接入電路反饋電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)增益的動(dòng)態(tài)可調(diào)。既避免了由于信號(hào)幅值過(guò)高，放大后飽和的情況，又可以對(duì)低灌注情況下脈搏波信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大。由于增益可調(diào)，大大提高了輸入信號(hào)范圍，適用于更多種情況下的測(cè)量，提升整體可靠性和穩(wěn)定性，打破了傳統(tǒng)脈搏血氧儀測(cè)量的局限性。不僅提高了獲取信號(hào)的質(zhì)量，也實(shí)現(xiàn)了脈率、灌注指數(shù)、血氧飽和度的精確計(jì)算，后續(xù)將進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)，并開(kāi)展基于標(biāo)準(zhǔn)要求的驗(yàn)證，為集成應(yīng)用于多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀奠定基礎(chǔ)。