王 娟， 郭亞龍， 鮑丙豪

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

近幾年,針對(duì)不同體征信號(hào)開(kāi)發(fā)的便攜式醫(yī)療設(shè)備大量涌現(xiàn)，如分立式血氧儀、心電儀、心率儀等得到了普遍應(yīng)用，但當(dāng)前集多種生理參數(shù)監(jiān)護(hù)功能于一體，用于家庭實(shí)時(shí)長(zhǎng)期生理監(jiān)測(cè)預(yù)警的監(jiān)護(hù)儀存在體積大、價(jià)格高的弊端[1]。針對(duì)這一弊端，本文提出了一種以手機(jī)為終端的便攜式多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀，實(shí)時(shí)獲取人體日常關(guān)鍵生理參數(shù)如心電(electrocardiogram,ECG)、呼吸、血氧和脈搏，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、藍(lán)牙傳輸、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的融合，為心血管疾病的預(yù)防提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由人體生理信號(hào)采集模塊、MSP430微控制模塊、穩(wěn)壓電源模塊、藍(lán)牙模塊以及手機(jī)客戶端模塊組成，其中,采集的人體生理信號(hào)包括心電、呼吸、血氧和脈搏。系統(tǒng)構(gòu)架框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 集成模擬前端心電呼吸采集電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的心電呼吸信號(hào)采集模塊采用美國(guó)德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的集成芯片ADS1292R。該芯片內(nèi)置2個(gè)24位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)心電和呼吸的雙通道采集，尺寸為5 mm×5 mm，單通道功耗低至335 μW，具備了所有便攜式、低功率醫(yī)療心電圖和健身應(yīng)用所需的全部特性。本系統(tǒng)的心電信號(hào)、呼吸信號(hào)采集模塊電路如圖2所示。

圖2 ADS1292R心電呼吸信號(hào)采集電路

該芯片的通道1(IN1P和IN1N)用于采集呼吸信號(hào)，通過(guò)提取左臂(left arm,LA)和右臂(right arm,RA)兩個(gè)電極信號(hào)，采用阻抗式呼吸檢測(cè)法獲得。通道2(IN2P和IN2N)用于采集心電信號(hào)，ADS1292R內(nèi)部右腿驅(qū)動(dòng)電路選擇通道2，檢測(cè)電極的共模信號(hào)，創(chuàng)建一個(gè)負(fù)反饋回路，把共模信號(hào)加載在人體上，從而降低共模干擾。心電信號(hào)和呼吸信號(hào)在芯片內(nèi)部通過(guò)對(duì)電磁干擾信號(hào)的濾波、可編程放大器6倍放大以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器后，再將數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理，然后通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。

2.2 集成模擬前端血氧脈搏采集電路設(shè)計(jì)

血氧脈搏采集模塊采用TI公司生產(chǎn)的集成芯片AFE4400，該芯片是針對(duì)脈搏血氧儀而設(shè)計(jì)的，非常適合脈搏血氧測(cè)量系統(tǒng)的前端信號(hào)采集，圖3給出了該采集模塊的電路圖。

圖3 AFE4400血氧脈搏信號(hào)采集電路

AFE4400是專用于血氧脈搏檢測(cè)的集成芯片，其不僅具有傳統(tǒng)血氧檢測(cè)電路的發(fā)光驅(qū)動(dòng)、光電檢測(cè)、信號(hào)分離、放大濾波、模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能，還帶有時(shí)序自動(dòng)控制和發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED)故障診斷功能[2]。AFE4400內(nèi)部帶有一個(gè)22位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，在收到紅外光及其環(huán)境光的光電流的半個(gè)周期中，開(kāi)啟紅光和紅光環(huán)境光信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，下個(gè)周期的前半個(gè)周期開(kāi)啟紅外光及其環(huán)境光的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，最終輸出4路數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)環(huán)境光消除模塊得到去除環(huán)境光干擾信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。最終，AFE4400芯片通過(guò)串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)輸出6路數(shù)字信號(hào)，即紅光、紅外光、紅光環(huán)境光、紅外光環(huán)境光、去除環(huán)境光紅光、去除環(huán)境光紅外光信號(hào)[3]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)起到控制芯片工作和傳輸信號(hào)的作用，心電呼吸模塊采集的流程、單片機(jī)初始化后，對(duì)芯片ADS1292R進(jìn)行配置，開(kāi)啟SPI傳輸，將心電、呼吸數(shù)據(jù)存入數(shù)組，最后通過(guò)通用異步收發(fā)器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)將數(shù)據(jù)發(fā)送給藍(lán)牙模塊。

血氧脈搏模塊采集流程:單片機(jī)初始化后，對(duì)芯片AFE4400進(jìn)行配置，完成LED驅(qū)動(dòng)、LED亮度控制、脈搏波增益控制、診斷、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、環(huán)境光消除等功能，開(kāi)啟SPI傳輸，將6路數(shù)字光電信號(hào)存入數(shù)組并通過(guò)UART發(fā)送給藍(lán)牙模塊。

4 生理信號(hào)預(yù)處理與參數(shù)計(jì)算

4.1 生理信號(hào)預(yù)處理

原始生理信號(hào)存在大量干擾，主要包括工頻干擾、肌電噪聲以及呼吸、電極移動(dòng)等引起的低頻干擾，這幾個(gè)噪聲信號(hào)頻帶分布不同，范圍較廣，為了有效提取生理信號(hào)的特征值，需要對(duì)ECG信號(hào)、呼吸信號(hào)和光電容積脈搏波描記法(photo plethyamo graphy,PPG)進(jìn)行一系列預(yù)處理以獲得純凈、穩(wěn)定的被測(cè)信號(hào)。

原始ECG信號(hào)頻率范圍為0.01～100 Hz，主要有用信息頻率在0.5～40 Hz之間，工頻干擾和肌電噪聲處于ECG信號(hào)的較高頻段，可采用數(shù)字有限脈沖響應(yīng)(finite impulse response,FIR)低通濾波器和50 Hz陷波器將其濾除?；€漂移的本質(zhì)是ECG信號(hào)中摻雜了間斷或持續(xù)的低頻干擾，可采用截止頻率為0.3 Hz的高通濾波器來(lái)濾除。呼吸信號(hào)的頻率集中在2 Hz以下，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)截止頻率為3 Hz的FIR低通濾波器來(lái)濾除工頻干擾和肌電噪聲干擾。

PPG信號(hào)的有效信號(hào)頻率在0～20 Hz之間，其頻率比ECG信號(hào)更低，因此受呼吸等低頻信號(hào)干擾較大，使用單一的高通濾波器濾除或多或少會(huì)造成PPG信號(hào)中有效信號(hào)的丟失，可采用包絡(luò)法去除基線漂移，用三次樣條插值法得PPG信號(hào)峰值和谷值的包絡(luò)線，中線為峰值和谷值包絡(luò)線的均值曲線，可以近似地反映PPG信號(hào)的基線漂移，用原始的PPG信號(hào)減去均值曲線即可去除PPG信號(hào)中的基線漂移。信號(hào)中摻雜的高頻干擾則采用平滑濾波去除。如圖4所示為各生理信號(hào)預(yù)處理前后對(duì)比，從圖中可以發(fā)現(xiàn)噪聲干擾得到了很好抑制。

圖4 各生理信號(hào)處理前后對(duì)比

4.2 參數(shù)計(jì)算

4.2.1 心率和呼吸率計(jì)算

心率的計(jì)算需要定位ECG信號(hào)的R波，通過(guò)計(jì)算相鄰R波的間期得到心率(heart rate,HR)

HR=60fs/RR

(1)

式中fs為采樣率，RR為相鄰R波的間期。傳統(tǒng)的閾值檢測(cè)R波的方法不適用于心律失常的波形，當(dāng)QRS波幅變小或閾值設(shè)置過(guò)高都會(huì)造成漏檢結(jié)果，使得檢測(cè)率不高，本系統(tǒng)采用雙正交二次B樣條小波，并結(jié)合小波變換快速算法——Mallat算法完成ECG信號(hào)特征值提取，明顯提高小波變換的運(yùn)算效率，適用于基于Android智能手機(jī)的硬件平臺(tái)[4]。雙正交二次B樣條是一平滑函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)[5]，其等效濾波器如下

H(z)=(1+3z-1+3z-2+z-3)/4

(2)

G(z)=(-1-3z-1+3z-2+z-3)/4

(3)

ECG信號(hào)R波在尺度4下呈現(xiàn)最大幅值的極值對(duì)形式，抽取出極值對(duì)，采用閾值處理得到準(zhǔn)確定位R波的極值對(duì)并將其還原到重構(gòu)后的ECG信號(hào)，在極值對(duì)位置區(qū)間內(nèi)找到最大值提取到R波。

在提取到R波的同時(shí)，在尺度1上可以檢測(cè)到QRS波的起點(diǎn)和終點(diǎn)，完善心電監(jiān)測(cè)功能，起點(diǎn)對(duì)應(yīng)R波生成的模極大值之前第一個(gè)模極大值，終點(diǎn)對(duì)應(yīng)R波產(chǎn)生模極大值后的第一個(gè)模極大值，采用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)算法仿真，QRS特征值定位如圖5所示。

圖5 ECG信號(hào)R波和QRS波波段定位

以MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)里的48組數(shù)據(jù)為例，R波定位準(zhǔn)確率可達(dá)99.3 %以上。

呼吸信號(hào)近似正弦信號(hào)，采用過(guò)零計(jì)數(shù)法，一個(gè)理想周期的呼吸信號(hào)會(huì)3次穿過(guò)基線，即有3個(gè)過(guò)零點(diǎn)，呼吸頻率為[6]

(4)

式中fs為采樣率，N為零點(diǎn)個(gè)數(shù)，M為檢測(cè)區(qū)間數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

4.2.2 血氧和脈搏計(jì)算

由AFE4400同步采集到去除環(huán)境光紅光和去除環(huán)境光紅外光信號(hào)可以計(jì)算血氧飽和度和脈搏。本文系統(tǒng)采用差分異號(hào)法提取PPG信號(hào)的極值點(diǎn)，并判斷波峰和波谷，利用三次樣條插值法得PPG信號(hào)的包絡(luò)線，如圖6所示。

圖6 PPG信號(hào)極值定位及包絡(luò)線

PPG信號(hào)的直流分量為上下包絡(luò)線的均值，交流分量為上下包絡(luò)線的差值，得到PPG信號(hào)的交直流分量，按朗伯比爾定律進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算得光密度比值R

(5)

式中IAC和IDC分別為PPG信號(hào)的交直流分量，λ1和λ2為2種頻率光的波長(zhǎng)，本文設(shè)計(jì)中λ1為660 nm，λ2為940 nm[7]。實(shí)際應(yīng)用中考慮發(fā)光二極管差別以及人體生理差異，用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算血氧飽和度

S=AR2+BR+C

(6)

式中A,B,C均為經(jīng)驗(yàn)公式，由定標(biāo)確定。

脈搏的計(jì)算只采用紅外光的光波信號(hào)，為消除誤差取5個(gè)脈搏周期平均值。采用過(guò)零檢測(cè)法，檢測(cè)相鄰上升沿的過(guò)零點(diǎn)，最終得出脈率。

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本設(shè)計(jì)使用華為榮耀6plus作為Android終端，采用Eclipse作為Android的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Eclipse是基于Java的開(kāi)源可擴(kuò)充開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)Java開(kāi)發(fā)工具JDK(Java Development Kit)可進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和編寫，手機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)如圖7所示。

圖7 Android手機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

6 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多生理參數(shù)的采集，發(fā)送和實(shí)時(shí)顯示，很好地去除了生理信號(hào)的噪聲干擾，并有效地提取其特征值。同時(shí)，本設(shè)計(jì)在硬件上采用模擬前端的采集方式，最大限度地降低了硬件體積，大大降低了功耗，滿足了家用的便攜性和移動(dòng)性。