【作 者】朱明善，曾碧新

溫州醫(yī)科大學(xué)，溫州市，325027

基于Android智能手機(jī)的血氧飽和度、心率、呼吸頻率監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【作 者】朱明善，曾碧新

溫州醫(yī)科大學(xué)，溫州市，325027

該文設(shè)計(jì)了一種通過MSP430單片機(jī)采集血氧飽和度、呼吸信號，通過藍(lán)牙芯片發(fā)送信號到Android智能手機(jī)，實(shí)現(xiàn)了基于Android智能手機(jī)的血氧飽和度、心率、呼吸頻率監(jiān)測系統(tǒng)。

血氧飽和度；心率；呼吸頻率；Android系統(tǒng)

0 引言

血氧飽和度（Oxygen Saturation, SaO2）是指血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的濃度，它是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。在臨床上低于94%以下為供氧不足，90%以下定為低氧血癥的標(biāo)準(zhǔn)。

診斷相關(guān)睡眠呼吸暫停綜合征的監(jiān)護(hù)設(shè)備主要分為四大類。多導(dǎo)睡眠圖監(jiān)測儀（Polysomnogram, PSG）是診斷睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（Sleep Apnea Hypopnea Syndrome, SAHS）最重要的方法，但PSG設(shè)備功能復(fù)雜并且價(jià)格昂貴，在醫(yī)院用于SAHS患者診斷，并不適用于SAHS患者在家的日常監(jiān)測和預(yù)防。家用的睡眠呼吸暫停監(jiān)測設(shè)備主要為III/IV類，目前，美國Carefusion公司、BRAEBON公司、CleveMed公司、飛利浦偉康公司分別推出了相應(yīng)型號的便攜式家用睡眠呼吸暫停監(jiān)測儀。國內(nèi)也有很多學(xué)者研究睡眠呼吸監(jiān)測系統(tǒng)[1-4]，但基于智能手機(jī)的睡眠呼吸暫停綜合征監(jiān)護(hù)設(shè)備在國內(nèi)外鮮見報(bào)道， 該文設(shè)計(jì)的基于Android智能手機(jī)的血氧飽和度、心率、呼吸頻率檢測系統(tǒng)具有攜帶方便、使用簡單、功耗低、遠(yuǎn)程通信等特點(diǎn)，可適用于家用睡眠呼吸監(jiān)測。通過系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效的監(jiān)測血氧飽和度、心率、呼吸頻率。

1 檢測原理

1.1 血氧飽和度及心率檢測原理

SaO2的檢測原理是利用940 nm波長的紅外光和660 nm波長的紅光經(jīng)動脈血中HbO2和Hb吸收，分析被吸收后的光信號計(jì)算SaO2值。HbO2對紅外光（IR）吸收強(qiáng)度大于Hb的吸收強(qiáng)度，但是HbO2對紅光（R）吸收強(qiáng)度小于Hb的吸收強(qiáng)度。根據(jù)該特點(diǎn)通過朗伯-比爾公式計(jì)算R和IR的吸收強(qiáng)度比，如式（1）所示。式（1）中ACR，DCR分別表示紅光（R）在心臟收縮過程中的交流分量和心臟舒張過程中直流分量，ACIR， DCIR分別表示紅外光（IR）在心臟收縮過程中的交流分量和心臟舒張過程中直流分量。由于兩種發(fā)射管的光強(qiáng)度和接收管的靈敏度會有偏差，為了減少這種誤差，通過上述兩種光的交流分量除以直流分量的比值來抵消。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可知SaO2和R/IR的比值成線性，如式（2）所示。

式(2)中A和B系數(shù)需要血氧定標(biāo)儀器來測定[5]。經(jīng)fluke Index 2 定標(biāo)，定標(biāo)范圍為80%～100%，確定系數(shù)A=110.5，B=24.07。在心臟收縮和舒張周期中，利用投射式或反射式光電探頭即可檢測人體光電容積脈搏波（photoplethysmogram, PPG）信號，PPG信號隨著心臟搏動有規(guī)律的變化，通過對PPG信號分析即可計(jì)算出心率。

1.2 呼吸檢測原理

呼吸是影響SaO2的重要原因，在臨床上檢測呼吸信號主要使用流量傳感器、壓力傳感器、熱敏電阻等方式。流量傳感器檢測吸氣呼氣流量，主要用于呼吸機(jī)，具有流量精確等特點(diǎn)。本系統(tǒng)選用FS6022流量傳感器來檢測呼吸。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路芯片

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由NellCor DS-100A血氧飽和度傳感器、FS6022流量傳感器、MSP430F5529單片機(jī)、AFE4400芯片、藍(lán)牙模塊、Android智能手機(jī)等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的工作流程是上位機(jī)（Android智能手機(jī)）控制下位機(jī)（MSP430單片機(jī)）采集人體呼吸信號和PPG信號，信號經(jīng)過預(yù)處理后，按通信協(xié)議打包數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包通過藍(lán)牙模塊發(fā)送到智能手機(jī)，智能手機(jī)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，提取出呼吸和PPG信號后進(jìn)行算法處理，實(shí)現(xiàn)了基于Android智能手機(jī)的血氧飽和度、心率、呼吸頻率監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System architecture

2.2 濾波電路及AFE4400芯片

圖2 二階低通壓控濾波電路Fig.2 Two order low-pass voltage controlled filter circuit

由于呼吸信號屬于低頻信號，濾波電路采用傳統(tǒng)的二階低通壓控濾波，如圖2所示。令R1=R2=R，C1=C2=C。傳遞函數(shù)如式（3）所示。

取R=10 kΩ，C= 430 nF得f0=37 Hz，截至頻率fH≈47 Hz，可以有效濾除高頻和工頻信號。

AFE4400是系統(tǒng)中重要的芯片，其功能豐富，內(nèi)置TIA、濾波、ADC采集電路并且還具有LED驅(qū)動控制，集成度高，是TI公司為測量血氧飽和度研發(fā)的專用芯片[6]。AFE4400完成ADC采集后輸出ADC_ RDY信號，ADC_RDY信號觸發(fā)MSP430中斷程序，MSP430通過SPI總線從固定的寄存器讀出PPG信號。AFE4400還具有自診斷功能，包括探頭脫落，LED檢測等功能。

3 軟件開發(fā)及算法

3.1 下位機(jī)固件開發(fā)

下位機(jī)固件利用IAR軟件來開發(fā)，主要包括初始化、數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理、串口發(fā)送及接收數(shù)據(jù)，軟件流程如圖4所示。

圖4 下位機(jī)流程圖Fig.4 MCU flowchart

3.2 上位機(jī)軟件開發(fā)

上位機(jī)APP軟件采用Eclipse開發(fā)[7]，主要包括UI設(shè)計(jì)、藍(lán)牙通信、數(shù)據(jù)顯示及處理、數(shù)據(jù)存儲、預(yù)警及求救。軟件流程如圖5所示。上位機(jī)軟件UI具有曲線、數(shù)據(jù)、設(shè)置三個分頁界面：曲線頁面主要顯示信號曲線和數(shù)值如圖6(a)(b)所示；數(shù)據(jù)頁面主要顯示Sqlite數(shù)據(jù)庫保存的數(shù)據(jù)如圖6(c)所示；設(shè)置頁面有藍(lán)牙連接功能、信號選擇功能、救援電話輸入等功能如圖6(d)所示。

圖5 上位機(jī)軟件流程圖Fig.5 Android software flowchart

系統(tǒng)根據(jù)SaO2、BPM(Beats Per Minute)、RPM(RESP Per Minute)參數(shù)來診斷用戶的健康情況，當(dāng)呼吸長時(shí)間暫停引起SaO2低于閾值時(shí)，系統(tǒng)預(yù)警會響鈴，喚醒用戶；當(dāng)響鈴無效后，系統(tǒng)會自動撥救援電話。

圖6 上位機(jī)UI及功能Fig.6 UI and function of Android software

3.3 算法概述

PPG信號經(jīng)過22 bit A/D采樣后，數(shù)值很大，而且直流信號占90%以上，如圖7(a)所示。PPG信號采用8點(diǎn)均值濾波算法去除毛刺，使用差分閾值法尋找波峰位置，兩個波峰之間的時(shí)間就是心臟一次跳動的時(shí)間。差分閾值法具體的實(shí)現(xiàn)步驟：PPG信號經(jīng)過平滑濾波后數(shù)據(jù)為x(t)，t對應(yīng)采樣序列的最小間隔，t=1, 2, 3,…n，差分信號對應(yīng)的序列為y(t), t =1, 2, 3, …n。H=max{y(t)|t=k+1, k+2, k+3, …, n}，H/2即為閾值。y(t)就是對PPG信號的輸入序列x(t)的差分，t代表采用時(shí)間，k是步長一般經(jīng)驗(yàn)值取3～10，該文采用4。根據(jù)式(4)差分后如圖7(b)所示，根據(jù)式(5)取閾值后如圖7(c)所示。由于手機(jī)屏幕動態(tài)范圍受到限制，PPG交流信號需要經(jīng)過壓縮處理后顯示。呼吸信號具有呼氣和吸氣特性，信號波形如圖6(b)所示，呼吸信號經(jīng)低通濾波后使用過零檢測法尋找呼吸特征，兩個吸氣間隔就是一次呼吸時(shí)間。

4 結(jié)果

測試條件為室內(nèi)通風(fēng)，測試時(shí)，受試者心情平靜放松，閉眼聽輕音樂。上位機(jī)軟件設(shè)置每1 min儲

存一次呼吸頻率、脈率、血氧飽和度數(shù)值，測試時(shí)間為30 min。對照設(shè)備是Philips偉康睡眠監(jiān)護(hù)儀Alice PDx， 該對照設(shè)備具有口鼻插管式呼吸流量、血氧飽和度、脈率、ECG、胸腔呼吸力度檢測等功能。Alice PDx需要通過專用軟件讀取SD卡數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖7 PPG信號Fig.7 Signal of PPG

經(jīng)數(shù)據(jù)分析，測試樣機(jī)與對照設(shè)備測試的呼吸頻率相關(guān)系數(shù)為0.932 8，脈率相關(guān)系數(shù)為0.955 2，血氧飽和度相關(guān)系數(shù)為0.657 9。血氧飽和度的相關(guān)系數(shù)低于呼吸頻率和脈率的相關(guān)系數(shù)，但誤差也比呼吸頻率和脈率小。

5 討論及展望

對正常人員的測試數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)對SAHS患者的監(jiān)護(hù)具有可行性。數(shù)據(jù)測量比較準(zhǔn)確，接近專業(yè)的監(jiān)護(hù)儀器。在預(yù)警功能方面，響鈴和撥號都是調(diào)用Android系統(tǒng)功能函數(shù)，系統(tǒng)也已獨(dú)立測試，功能正常。系統(tǒng)架構(gòu)了一個基于Android系統(tǒng)的通用的生理信號采集平臺，增加傳感器和相應(yīng)的軟件功能即可實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)外圍電路簡單，采用貼片式反射型血氧傳感器可拓展應(yīng)用范圍，適用于戶外及健身活動。

表2 測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data

系統(tǒng)還沒有和遠(yuǎn)程服務(wù)器通信功能，未來需增加Web服務(wù)器，用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測和遠(yuǎn)程診斷。系統(tǒng)還未使用聲學(xué)特性來監(jiān)測睡眠，可利用SAHS患者鼾聲的特性來實(shí)現(xiàn)非接觸式的監(jiān)護(hù)方法[8]。系統(tǒng)還可利用血氧信號變化和心率變化的相關(guān)性來篩查可疑的SAHS患者[9]。系統(tǒng)可以刪減呼吸模塊，利用小波變化從PPG信號中提取呼吸信號[10-11]。

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Design of Oxygen Saturation, Heart Rate, Respiration Rate Detection System Based on Smartphone of Android Operating System

【W(wǎng)riters】ZHU Mingshan, ZENG Bixin
Wenzhou Medical University, Wenzhou, 325027

In this paper, we designed an oxygen saturation, heart rate, respiration rate monitoring system based on smartphone of android operating system, physiological signal acquired by MSP430 microcontroller and transmitted by Bluetooth module.

oxygen saturation, heart rate, respiration rate, Android operating system

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.03.008

1671-7104(2015)03-0183-04

2014-12-29

曾碧新，E-mail: 929467139@qq.com