陳真誠，甘永進(jìn)，朱健銘

(桂林電子科技大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

基于AFE4400的反射式血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)*

陳真誠，甘永進(jìn)，朱健銘

(桂林電子科技大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

摘要:由于透射式血氧的檢測(cè)方法受到使用范圍限制，因此通過反射式來檢測(cè)血氧飽和度成了發(fā)展的主流。介紹了一種以 MSP430F5529為處理器，且基于 TI血氧模擬前端芯片 AFE4400 的反射式脈搏血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)比幾種基于小波變換的濾波算法的去噪效果，選擇最優(yōu)的濾波算法，以MSP430F5529超微功耗單片機(jī)為核心處理器來實(shí)現(xiàn)對(duì)指尖脈搏信號(hào)的采集和降噪的處理。經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)驗(yàn)證樣機(jī)，基本實(shí)現(xiàn)了反射方式對(duì)脈搏血氧飽和度的檢測(cè)功能。

關(guān)鍵詞：血氧飽和度;AFE4400;反射式；MSP430F5529；小波去噪

0引言

未來對(duì)血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是反射式、集成化、體積小、便攜、高靈敏度、高精確度以及低功耗等[1～4]。

在無創(chuàng)傷透射式血氧檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)中,被檢測(cè)部位(如手指)被放置于兩個(gè)發(fā)光管與接收管之間[5]。但是由于透射式血氧傳感器使用范圍受限，不能使用透射式血氧傳感器在體表部位(如額頭、胸部等)進(jìn)行血氧飽和度的檢測(cè)[6]，且長時(shí)間測(cè)量不僅使得被測(cè)者感到不適，還會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。與透射式血氧飽和度檢測(cè)不同，在反射式血氧飽和度檢測(cè)中,兩個(gè)發(fā)光管和一個(gè)接收管位于被檢測(cè)部位的同一側(cè),接收管接收來自體表的反射光，血氧飽和度的計(jì)算就是通過接收到的不同強(qiáng)度的反射光進(jìn)行的。

本文設(shè)計(jì)的血氧飽和度采集檢測(cè)裝置考慮到了便攜、低功耗等特點(diǎn)，采用TI脈沖血氧儀的集成模擬前端AFE4400，這種模擬前端集成了脈沖控制電路、濾波放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換模塊等血氧前端采集電路必要功能模塊，從而取代了傳統(tǒng)復(fù)雜的外圍模擬電路設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)了脈搏血氧信號(hào)采集、預(yù)處理和顯示，也使得整個(gè)系統(tǒng)的體積減小。另外，本系統(tǒng)采用的反射式脈搏血氧傳感器DCM03，集成了雙發(fā)射器和光電探測(cè)器在同一個(gè)芯片上，解決了透射式傳感器測(cè)量時(shí)受到檢測(cè)部位影響，無法對(duì)體表部位進(jìn)行操作的問題。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

不同含氧量的血液對(duì)不同波長的光的吸收率是不同的，根據(jù)這一特性可以實(shí)現(xiàn)血氧飽和度值的測(cè)量。近年來，血氧飽和度檢測(cè)儀的發(fā)展主要是集中在不同的處理器芯片上，而前端采集電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性問題一直沒有太大的發(fā)展。本文采用TI脈沖血氧儀的集成模擬前端 AFE4400，這種模擬前端包含了兩路發(fā)光 LED 驅(qū)動(dòng)模塊、I/V轉(zhuǎn)換模塊、放大濾波模塊、時(shí)序控制模塊、SPI通信接口模塊等，簡化了系統(tǒng)前端采集電路的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)小巧、便攜、低功耗，而且防止了龐大的前端模擬電路引入噪聲。

設(shè)計(jì)采用的反射式血氧傳感器DCM03集成了兩個(gè)背靠背相連波長分別為905，660 nm 的LED作為入射光源，AFE4400時(shí)序控制模塊控制兩個(gè)LED( 紅光、紅外光)以一定的頻率快速交替照射被測(cè)手指，光敏二極管檢測(cè)照射到手指后反射光光強(qiáng)的變化，根據(jù)光強(qiáng)數(shù)據(jù)變化來分析血液中的氧含量，進(jìn)而得到血氧飽和度值。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

圖1　血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1　Structure block diagram of blood oxygen saturation detection system

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

預(yù)處理模塊的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其中，預(yù)處理模塊的設(shè)計(jì)包括了脈沖控制電路、AFE4400和主控芯片 MSP430F5529的SPI通信電路兩部分。

脈沖控制電路驅(qū)動(dòng)反射式脈搏傳感器 DCM03的兩個(gè)發(fā)光LED按照一定的時(shí)序交替工作，并控制 DCM03中的光電二極管接收信號(hào)，最后將采集到的容積脈搏波信號(hào)輸入到集成芯片AFE4400 中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，放大濾波等預(yù)處理工作。利用SPI橋接MSP430F5529和外圍低速器件，使得數(shù)據(jù)得以在AFE4400和MCU之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，MCU對(duì)采集到的脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理和血氧飽和度的計(jì)算。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上分為MCU主控程序、AFE4400與MSP430F5529的SPI通信程序、信號(hào)濾波程序、信號(hào)結(jié)果處理程序以及OLED顯示程序。系統(tǒng)供電后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作，完成AFE4400對(duì)手指脈搏信號(hào)的采樣、 主控芯片與 AFE4400間的通信、數(shù)字信號(hào)進(jìn)行降噪處理，提取濾波處理后的脈搏信號(hào)的周期和幅值并且進(jìn)行分析，最后將最終的結(jié)果和濾波后的波形在OLED上顯示。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2 所示。

圖2　軟件流程圖Fig 2　Flow chart of software

在脈搏血氧信號(hào)的采集過程中，很容易受到外界環(huán)境、儀器本身和受測(cè)試者等因素的影響，使得通過AD采樣得到的容積脈搏血氧信號(hào)中含有大量噪聲，這些噪聲主要包括：1)由人體呼吸、肌肉抖動(dòng)等原因引起的基線漂移，它是一種低頻正弦波；2)容積脈搏波采集系統(tǒng)引入的50 Hz工頻干擾；3)由容積脈搏波采集系統(tǒng)引入的白噪聲，屬于高頻噪聲。在對(duì)容積脈搏波進(jìn)行分析之前需對(duì)其進(jìn)行濾波處理。因此，數(shù)據(jù)處理是軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)部分。本文設(shè)計(jì)基于小波變換理論研究去噪算法，對(duì)比不同的濾波算法的去噪效果，從而選出最優(yōu)濾波算法進(jìn)行血氧信號(hào)濾波。

滑動(dòng)平均濾波既能濾除信號(hào)中的高頻噪聲，又能濾除信號(hào)中的低頻噪聲，它對(duì)信號(hào)中的高頻和低頻噪聲的濾除作用就相當(dāng)于低通濾波器和高通濾波器的作用。另外，小波去噪對(duì)容積脈搏波信號(hào)中的基線漂移的去除效果極佳。本實(shí)驗(yàn)先將原始信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波，再進(jìn)行小波去噪濾波算法的擇優(yōu)選擇。

實(shí)驗(yàn)中，分別采用db2小波、db5小波和sym4小波這三種小波對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)為6 235的脈搏血氧信號(hào)進(jìn)行了9層分解，小波閾值去噪算法的選擇采用了給定硬閾值去噪和給定硬閾值去噪二種方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理[7～9]。

原始信號(hào)和不同濾波算法去噪后的信號(hào)如圖3和圖4所示。

圖3　原始信號(hào)和db2小波去噪后的信號(hào)Fig 3　Original signal and signal processed by db2 wavelet denoising

圖4　db5和sym4小波去噪后的信號(hào)Fig 4　Signal processed by db5 and sym4 wavelet denoising

本實(shí)驗(yàn)通過SNR衡量濾波算法的優(yōu)劣，以選擇更優(yōu)的濾波算法進(jìn)行血氧信號(hào)濾波,如表1。SNR定義如下

(1)

由表1可知,db5給定硬閾值去噪算法得到的SNR最大，去噪效果較好,因此，設(shè)計(jì)中選用了db5給定硬閾值去噪去噪算法。

4測(cè)試結(jié)果

在環(huán)境 25 ℃下，選定6名志愿者處于靜息狀態(tài)下，將手指適度的貼在DCM03上電檢測(cè);同時(shí)使用康泰公司的血氧飽和度儀與本系統(tǒng)樣機(jī)同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，其中，將康泰公司的血氧飽和度儀的測(cè)量值作為標(biāo)準(zhǔn)值。記錄部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2和表3所示。

表1　6種算法去噪的SNR比較

表2　脈率測(cè)量結(jié)果對(duì)比

表3　血氧測(cè)量結(jié)果對(duì)比

由表2和表3可知，對(duì)比本系統(tǒng)血氧與脈率的測(cè)量值和康泰公司的血氧飽和度儀的測(cè)量值，誤差在3 %以內(nèi)，說明所建立的基于AFE4400檢測(cè)血氧飽和度的方法是可行的，采用的小波去噪算法計(jì)算得到的血氧值和脈率值的精度滿足設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)根據(jù)血氧飽和度原理，綜合考慮到了便攜、輕巧、低功耗的的設(shè)計(jì)，提供了一種基于集成模擬前端 AFE4400 的反射式血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，方案包括對(duì)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、信號(hào)降噪的方法以及系統(tǒng)的有效性等方面進(jìn)行了研究。測(cè)試結(jié)果比較，驗(yàn)證了本文方案的可靠性和有效性。系統(tǒng)體積小，精度高，操作簡單，檢測(cè)速度較快，功耗低，便攜式人體生理參數(shù)檢測(cè)設(shè)備的研制提供了一定的基礎(chǔ)。

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Reflective type oxygen saturation detection system based on AFE4400*

CHEN Zhen-cheng,GAN Yong-jin,ZHU Jian-ming

(School of Life and Environmental Sciences，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China)

Abstract:Because of limitation of transmission type oxygen detecting method,using reflective type oxygen instrument to test blood oxygen saturation become main flow of development.Based on TI blood oxygen analog front-end chip AFE4400 and processor MSP430F5529,a design scheme of reflective type pulse oxygen saturation detection system is introduced.In system design process,compare denoising effect of several filtering algorithm based on wavelet transform,select the optimal filtering algorithm,use MSP430F5529 as core processor to complete aquisition of fingerpoint pulse signal and denoising processing.Through practical test,the system prototype machine realizes the function of pulse oxygen saturation detection.

Key words:oxygen saturation;AFE4400;reflective type;MSP430F5529;wavelet denoising

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0091—03

收稿日期：2015—08—22

*基金項(xiàng)目：廣西自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金資助項(xiàng)目(YQ14116)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271119)；國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAI03B01)；廣西高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(KY2015YB096)

中圖分類號(hào)：R 318.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)05—0091—03

作者簡介:

陳真誠(1965-)，男，湖南永州人，教授，主要研究方向?yàn)樯飩鞲衅髋c智能儀器。

朱健銘，通訊作者,E—mail:zjmcsu@126.com。