李雅涵，馬勛，龐宇，李國權(quán)，周前能

（1.重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065；2.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

引言

健康是人類永遠(yuǎn)的話題，現(xiàn)在社會(huì)的生活節(jié)奏加快，工作生活壓力的增大以及環(huán)境污染等問題對(duì)人們的健康帶來了嚴(yán)重的影響。傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備大都體積龐大，不易靈活挪動(dòng)，而且價(jià)格昂貴使其只能在醫(yī)院發(fā)揮其功能，造成廣大人民看病難，看病貴的嚴(yán)重社會(huì)問題。家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀器的夢想與遠(yuǎn)程醫(yī)療體系的發(fā)展使家庭醫(yī)療智能終端應(yīng)運(yùn)而生。這種智能終端在功能上等同與醫(yī)院使用的精密醫(yī)療檢測設(shè)備，能夠讓廣大人民足不出戶就可及時(shí)，便捷的知道自己的各項(xiàng)基本生理信息，例如血氧飽和指數(shù)，心電信息，血氧等重要參數(shù)。

血氧飽和度的檢測方法主要分為有創(chuàng)和無創(chuàng)兩種。有創(chuàng)檢測是通過抽取動(dòng)脈中的血液，利用血?dú)夥治龅姆椒ㄓ?jì)算血氧飽和度[1]。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是準(zhǔn)確，在手術(shù)中的患者或產(chǎn)程中的胎兒等要求高準(zhǔn)確度的特殊場合中常被使用。但其有創(chuàng)、復(fù)雜且無法做到連續(xù)實(shí)時(shí)檢測的缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域。而無創(chuàng)血氧飽和度檢測技術(shù)，采用光電容積脈搏波（PPG）信號(hào)為信息載體構(gòu)建連續(xù)無創(chuàng)血氧飽和度監(jiān)測模型[2]，與有創(chuàng)檢測方法相比，它不需侵入人體組織，不會(huì)對(duì)人體造成傷害且信息獲取簡便，因此可以滿足家庭和社區(qū)能更加方便快捷的對(duì)血氧飽和度檢測的需求。

為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境下血氧飽和度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，本文研制了一種基于反射式檢測原理的基于智能終端的可穿戴血氧飽和度監(jiān)測裝置。

1 總體設(shè)計(jì)

目前，指夾透射式檢測技術(shù)發(fā)展已相對(duì)成熟[3]，但這種檢測方法，只適用于對(duì)住院病人的監(jiān)護(hù)，而無法進(jìn)入社區(qū)乃至家庭。相比之下，反射式血氧飽和度檢測技術(shù)，靈活性要高很多。它的發(fā)光管和接受管放置在同側(cè)，雖然其可檢測的光強(qiáng)相對(duì)于透射式來說要小許多，但是檢測方式方便快捷可以滿足家庭醫(yī)療和社區(qū)醫(yī)療的需求，因此具有較好的開發(fā)價(jià)值和應(yīng)用前景[4]。在家庭醫(yī)療和社區(qū)醫(yī)療的環(huán)境下，監(jiān)測裝置的便捷性以及裝置的能耗都是必須考慮的問題。同時(shí)以反射式血樣檢測技術(shù)進(jìn)行PPG信號(hào)的測量，很容易受到各種干擾的影響而使測量結(jié)果出現(xiàn)偏差[5]，因此，消除這些干擾都是反射式血氧飽和度檢測技術(shù)必須解決的問題。

我們從抗干擾、低功耗以及小型化幾個(gè)方面入手進(jìn)行了設(shè)計(jì)。首先，血氧探頭采用了光頻轉(zhuǎn)換接收頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電三極管作為光強(qiáng)信號(hào)的傳感元件，直接將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字化，避免了信號(hào)在傳輸過程中引入干擾[6]。其次，采用430單片機(jī)作為中央處理器，實(shí)現(xiàn)LED的發(fā)光、信號(hào)接收以及數(shù)據(jù)發(fā)送的控制。并且利用單片機(jī)中的定時(shí)計(jì)數(shù)完成精確的時(shí)序控制，大量縮短LED的發(fā)光時(shí)間，減少能耗。

裝置的設(shè)計(jì)盡量使用集成化元器件，以簡化電路的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)裝置的小型化。工作過程如下：采集裝置通過USB供電，經(jīng)過單片機(jī)的D/A模塊輸出控制電壓，控制恒流源驅(qū)動(dòng)雙光源LED發(fā)光，經(jīng)組織反射的光通過光頻轉(zhuǎn)換接收頭轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，直接送入處理器進(jìn)行信號(hào)的采集，獲取的信號(hào)再通過USB發(fā)送到智能終端上。

動(dòng)態(tài)環(huán)境下血氧飽和度監(jiān)測會(huì)受到嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)干擾的影響[7]。針對(duì)這一問題，本文以自適應(yīng)濾波為基礎(chǔ)，提出了一種新的抗運(yùn)動(dòng)干擾的自適應(yīng)對(duì)消算法。在對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境下光電容積脈搏波信號(hào)干擾分析的基礎(chǔ)上，本文利用了PPG信號(hào)的包絡(luò)線信息，從中提取出光電容積脈搏波信號(hào)的交流分量，并利用兩種色光之間的關(guān)系，構(gòu)建與干擾相關(guān)的信號(hào)作為參考信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)濾波，抑制運(yùn)動(dòng)干擾。自適應(yīng)濾波的使用克服了傳統(tǒng)濾波器無法處理頻帶重疊干擾的問題，在構(gòu)建合適的參考信號(hào)的前提下，能有效的抑制運(yùn)動(dòng)干擾的影響。

下面重點(diǎn)介紹整個(gè)裝置的硬件、軟件、消除干擾設(shè)計(jì)和初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 硬件設(shè)計(jì)

裝置的硬件系統(tǒng)主要包括反射式探頭和中央處理器兩個(gè)模塊，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

為了實(shí)現(xiàn)穿戴式的血氧飽和度實(shí)時(shí)監(jiān)測，在不影響被測者日常生活的前提下，采用反射式血氧監(jiān)測技術(shù)能彌補(bǔ)透射式監(jiān)測的許多缺點(diǎn)[8]。根據(jù)反射式原理設(shè)計(jì)的血氧探頭，探測器與LED發(fā)光器件在測量時(shí)處于受測物體的同側(cè)，探測器接收的是反射回受測物體表面的光強(qiáng)[3]，因此理論上可放置于人體任何部位進(jìn)行測量。

圖1反射式血氧檢測裝置設(shè)計(jì)框圖

反射式探頭包括光強(qiáng)探測器和發(fā)光LED。LED在中央處理器的控制下發(fā)光，光通過組織后會(huì)攜帶血液信息返回體表，在探測器的監(jiān)測下轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率信號(hào)送入單片機(jī)采集處理。發(fā)光LED采用BR660905HM2-2型雙色光發(fā)光二極管，這是一種專門用于血氧飽和度檢測的發(fā)光LED，是具有兩個(gè)引腳的表貼器件，其發(fā)光波長為660nm和905nm兩種。它的發(fā)光方式如圖2所示。

圖2雙色光LED發(fā)光原理

當(dāng)正向電壓加載在LED上時(shí)，會(huì)有正向電流流過LED，使發(fā)紅光的二極管正偏導(dǎo)通，而發(fā)紅外光的二極管反偏截至，發(fā)出660nm的紅光；當(dāng)將加載在兩引腳上的電壓反向后，通過LED的電流也會(huì)反向流通，這時(shí)二極管的導(dǎo)通模式正好與前者相反，則LED發(fā)出紅外光。因此只需要控制加載在LED兩引腳上的電壓方向便可得到需要的兩種色光。

中央處理器是整個(gè)監(jiān)測裝置正常運(yùn)行的核心，肩負(fù)著控制、采集和處理任務(wù)。設(shè)計(jì)采用430單片機(jī)作為中央處理器，利用其內(nèi)置的兩個(gè)D/A模塊對(duì)發(fā)光LED進(jìn)行控制，另外通過處理器的捕捉計(jì)數(shù)功能對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行采集，獲取PPG信號(hào)。

整個(gè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)很大程度上利用了功能強(qiáng)大的集成化器件，如光頻轉(zhuǎn)換的接收探頭，避免了放大濾波等復(fù)雜電路的使用；再如中央處理器，選擇了內(nèi)置有D/A模塊的型號(hào)，不需添加數(shù)模轉(zhuǎn)換的芯片及其外圍附加電路。這種設(shè)計(jì)使所需要使用的元器件大量的減少，利于裝置的小型化。硬件系統(tǒng)制成的PCB電路板如圖3所示。

整個(gè)硬件模塊尺寸大概為3.8×2.2mm2，發(fā)光管與接收管均集成在電路板上，實(shí)現(xiàn)小型一體化設(shè)計(jì)。

圖3反射式血氧飽和度監(jiān)測裝置PCB電路板

系統(tǒng)工作時(shí)，由單片機(jī)D/A轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生一組脈沖，經(jīng)恒流源驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)放大以后，控制LED雙光源交替發(fā)光。光經(jīng)過人體組織，反射回組織表面，被光電接收頭捕獲，并轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)送到單片機(jī)的計(jì)數(shù)端口計(jì)數(shù)采樣，獲取的信息可以通過USB傳送到智能終端。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是以硬件為載體，通過適當(dāng)?shù)某绦蚩刂朴布５墓ぷ鳎瑢?shí)現(xiàn)所需要的功能。血氧飽和度監(jiān)測需交替采集雙波長的PPG信號(hào)，因此必須進(jìn)行精確的時(shí)序控制。軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖4所示：

圖4主程序軟件流程

由于需要同時(shí)獲取兩種不同波長光照射下的PPG信號(hào)，而當(dāng)兩束光同時(shí)照射人體時(shí)卻無法區(qū)分兩種光束的PPG信號(hào)，因此兩種光通過脈沖調(diào)制交替發(fā)光。如圖所示主程序利用處理器的定時(shí)器完成時(shí)序的控制。此次設(shè)計(jì)中，紅光與紅外光以采樣率50Hz頻率交替發(fā)光，則意味著兩種波長光的PPG信號(hào)每秒各獲取50次，即工作周期為20ms并在一個(gè)周期內(nèi)完成一次光源交替點(diǎn)亮的過程。一個(gè)工作周期中，兩波長光源各點(diǎn)亮3ms，光源點(diǎn)亮延時(shí)1ms待光源穩(wěn)定后開啟捕捉定時(shí)器。捕捉器開啟后，等待輸入頻率信號(hào)的第一個(gè)上升沿，檢測到上升沿后開始計(jì)數(shù)，直到下一個(gè)上升沿時(shí)停止，相鄰兩個(gè)上升沿之間的計(jì)數(shù)值直接反映了信號(hào)頻率的大小，完成數(shù)據(jù)的采集后，進(jìn)入一個(gè)周期中較長的LED熄滅期。但要注意在點(diǎn)亮LED后調(diào)用捕捉子函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，點(diǎn)亮LED后數(shù)據(jù)采集應(yīng)稍作延遲。

5 總結(jié)

本文介紹了基于智能終端的血氧信號(hào)采集裝置的設(shè)計(jì)，該裝置采用反射式血氧飽和度檢測技術(shù)并通過USB與智能終端連接。血氧探頭采集到的數(shù)據(jù)由USB傳給智能終端并在智能終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算血氧飽和度值并顯示。圖5即是實(shí)驗(yàn)人員使用本裝置測量手指血氧飽和度的PPG波形圖。

圖5手指血氧飽和度PPG圖

由圖5 PPG波形圖可知，通過此裝置測量人體血氧濃度可以得到較好的測量數(shù)據(jù)，并且該裝置測量血氧濃度方便、快鍵能更好的滿足社區(qū)及家庭醫(yī)療。

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