肖倫蓮，林金朝，龐宇，周金華，黎圣峰（重慶郵電大學(xué)光電信息感測與傳輸技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶400065）

基于無線傳輸?shù)拿}搏血氧飽和度采集節(jié)點設(shè)計

肖倫蓮*，林金朝，龐宇，周金華，黎圣峰
（重慶郵電大學(xué)光電信息感測與傳輸技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶400065）

摘要：近年來，慢性疾病人數(shù)驟增與醫(yī)療資源匱乏之間的矛盾引起了無線體域網(wǎng)在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。將透射式指端脈搏血氧飽和度采集節(jié)點與Android智能終端系統(tǒng)相結(jié)合，對光電容積脈搏波進行采集，利用近紅外光譜吸光度強弱與物質(zhì)化學(xué)成分信息之間呈現(xiàn)線性相關(guān)的特性，對人體體征參數(shù)中的脈率和血氧飽和度進行檢測。實驗結(jié)果表明，該節(jié)點體積小，功耗低，抗干擾性強，能夠無創(chuàng)傷，快速準確地對脈率和血氧飽和度進行實時性監(jiān)測，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，適合在家庭中使用。

關(guān)鍵詞：透射式；脈率；血氧飽和度；光電容積脈搏波

0　引言

人體新陳代謝即為物質(zhì)氧化的過程，氧通過呼吸系統(tǒng)進入人體血液，與紅細胞中的血紅蛋白結(jié)合成氧合血紅蛋白，為人體活動提供能量。血氧飽和度（SpO2）即為氧合血紅蛋白（HbO2）的數(shù)量占全部可結(jié)合血紅蛋白（Hb）的數(shù)量的百分比，其濃度可用來評判血紅蛋白攜氧能力的強弱以及人體肺部功能是否健全［1］。研究表明，許多慢性疾病早期患者，其脈率和血氧飽和度都會出現(xiàn)異常狀況［2，5］。

采用傳統(tǒng)的電化學(xué)法測量血氧飽和度會對身體構(gòu)成創(chuàng)傷，且不能及早發(fā)現(xiàn)某些慢性疾?。?］。光學(xué)法彌補了這一缺點，光學(xué)法是通過在光譜的紅色和近紅外區(qū)選取兩種不同波長的光波，檢測其經(jīng)過人體組織后的透射光或者反射光來獲取脈率和血氧飽和度［7］?；诶什葼柖桑?0年代初，英國倫敦大學(xué)Cope提出了一種公式來表達血氧飽和度和吸光度之間的關(guān)系［8］；1935年，世界上第一個基于光譜分析技術(shù)的脈搏血氧飽和度測量探頭誕生；1974年，世界上第一臺真正意義上的脈搏血氧飽和度（SpO2）儀誕生［9，10］。本文采用的透射法其檢測原理為：

當光透射過人體組織時，脈搏跳動帶動血液循環(huán)，在PPG傳感器模塊中對透射光波進行光—頻轉(zhuǎn)換，再由單片機對頻率數(shù)據(jù)進行捕獲和處理，得到PPG信號。通過對單一光源PPG信號進行分析，可以計算脈率；對雙光源PPG信號進行分析，可以檢測血氧飽和度［11，12］。根據(jù)一個完整PPG的時間t可計算出脈率，如下式所示：

為了提高精確度，采用二次擬合函數(shù)計算血氧飽和度：

其中R為光強變化率：

直流分量IrDC和IirDC為兩種信號上下包絡(luò)線的均值，交流分量IrAC和IirAC為兩種信號上下包絡(luò)線的差值，n、m、k為常系數(shù)，由MATLAB擬合仿真得到。

目前，我國采用的脈搏血氧飽和度儀一般只應(yīng)用于市區(qū)醫(yī)院等公共場合，其體積大，價格昂貴，需要通過USB接口或者OTG接口，以及專用生理數(shù)據(jù)傳輸器與顯示終端進行數(shù)據(jù)交換，使用極不方便，很難在邊遠地區(qū)和家庭中得到推廣［13，14］。為了將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)醫(yī)療保健行業(yè)，推動無線體域網(wǎng)的發(fā)展，針對以上狀況，本文設(shè)計了一種基于低功耗藍牙無線傳輸技術(shù)的脈搏血氧飽和度采集節(jié)點。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

從圖1可以看出，節(jié)點包含4個模塊：傳感器模塊，信號處理模塊，無線通信模塊，電源管理模塊。傳感器模塊中，兩種LED光波通過指端后，在MCU的驅(qū)動下將傳感器輸出的方波信號反饋回MCU的定時器模塊進行捕捉，濾波和運算，得到血氧和脈率參數(shù)，當人體內(nèi)的血氧與脈率低于設(shè)定閾值時，節(jié)點發(fā)出報警信號提示用戶。同時，MCU通過UART接口將得到的數(shù)據(jù)傳送至藍牙4.0模塊，由藍牙模塊無線發(fā)送至Android智能終端進行數(shù)據(jù)顯示和存儲。在體域網(wǎng)中，為了滿足節(jié)點微型化，低功耗等要求，硬件電路設(shè)計時主要選用多功能集成芯片。

圖1　采集節(jié)點系統(tǒng)框圖Fig1　The system diagram of acquisition node

1.1傳感器模塊

由于氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白在波長為940nm與660nm時的吸光系數(shù)差異最大［15］，因此本節(jié)點選擇可發(fā)出660nm波長的紅光和905nm波長的紅外光的雙色發(fā)光二極管作為光源，通過單片機引腳輸出電平高低來控制發(fā)光二極管是否導(dǎo)通。普通發(fā)光二極管導(dǎo)通電流一般為10mA～30mA，單片機單個管腳輸出電流無法滿足驅(qū)動要求。如圖2所示，為了減小傳感器的自身體積以及傳感器與控制器之間的導(dǎo)線數(shù)量，將兩支發(fā)光二極管反向并聯(lián)在一起，采用電壓極性可改變的H橋式驅(qū)動電路作為電流驅(qū)動電路，驅(qū)動發(fā)光二極管交替發(fā)光。

光強探測器選用TSL235光頻轉(zhuǎn)換器。TSL235感光性在波長為600nm至900nm時較強，內(nèi)部集成了各類微分、積分電路，可減少許多外圍電路，有利于采集節(jié)點的微型化設(shè)計。在光敏二極管感應(yīng)到透射光強后，輸出占空比為50%的方波。

圖2　H橋式驅(qū)動電路Fig2　The H-Bridge drive circuit

1.2信號處理模塊

圖3　基于MSP430F1611的節(jié)點電路圖Fig3 The circuit diagram based on MSP430F1611

如圖3所示，信號處理模塊的主控芯片采用TI公司的超低功耗芯片MSP430F1611，該芯片工作電壓為3.3V，工作電流為110μA，低功耗模式下電流可低至0.1μA。XT2IN和XT2OUT引腳外接由8MHz石英晶振和兩個起振電容構(gòu)成時鐘電路，為整個系統(tǒng)提供時鐘信號；同時，單片機對TSL235輸出的方波進行計數(shù)，得到方波頻率，然后進行數(shù)字濾波，經(jīng)過運算處理后，通過UTXD0將數(shù)據(jù)發(fā)送至藍牙4.0模塊。

1.3無線通信模塊

無線通信模塊采用德州儀器的低功率藍牙芯片CC2540。CC2540將加強型8051微控制器、主機端及無線射頻發(fā)送器集成在一個元器件上，內(nèi)建AES-128加密引擎。低功耗，這些優(yōu)點使得其成為市場上最具有彈性及成本效益的單模式低功率藍牙解決方案。如圖4所示，藍牙芯片通過RXD引腳接收來自單片機的數(shù)據(jù)，并利用TXD引腳將數(shù)據(jù)無線傳輸至Android終端。

圖4　藍牙模塊電路圖Fig4　The Bluetooth module circuit diagram

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)檢測原理，利用單片機的定時器功能，以10ms為時間周期控制兩個LED燈交替發(fā)光，為了降低節(jié)點功耗，設(shè)定周期內(nèi)紅光和紅外光分別發(fā)光2ms，其余6ms單片機處于休眠狀態(tài)。

外界光線以及人體和節(jié)點間的相對運動會對采集的脈搏波造成多種噪聲干擾，故需要在微處理器中進行濾波處理。原始PPG信號中存在大量高頻干擾，采用40階的FIR低通濾波器，即可消除多數(shù)波形毛刺；其次，針對波形圖中出現(xiàn)的突變點，利用窗函數(shù)對數(shù)據(jù)進行分組，如果某數(shù)據(jù)與其所在組的數(shù)據(jù)的平均值差值大于設(shè)定閾值，則認定該點為突變點，然后用該組其余數(shù)據(jù)的平均值代替該點數(shù)值；最后，采用形態(tài)學(xué)濾波濾除基線漂移，得到濾波后的PPG信號。

在對濾波后的數(shù)據(jù)進行運算時，為了得到信號的直流分量與交流分量，需要對PPG進行極大值和極小值定位，具體流程如圖5所示。然后利用插值法，擴充脈搏波的包絡(luò)線，求取信號的直流分量和交流分量，得到脈率值和血氧飽和度值。

圖5　求極值流程圖Fig5　The flow diagram of extremum

3　實驗結(jié)果

本實驗征集多名志愿者進行測試，將采集的PPG信號在MATLAB軟件上進行預(yù)處理仿真，結(jié)果表明，信號的預(yù)處理時間約為0.398s，處理時間短且對原始PPG信號的預(yù)處理效果良好。圖6、圖7為其中某兩名志愿者的血氧信號預(yù)處理仿真圖。

同時，整個節(jié)點的尺寸大概為4×3cm2,符合微型化設(shè)計要求。將采集的數(shù)據(jù)與標準MEC-1000多參數(shù)監(jiān)護儀的測試數(shù)據(jù)進行對比，本文設(shè)計的節(jié)點對血氧飽和度值和脈率值的測量誤差在2%以內(nèi)。

圖6　第一名志愿者PPG信號預(yù)處理仿真圖Fig6 PPG preprocessing simulation diagram of the first volunteer

圖7　第二名志愿者PPG信號預(yù)處理仿真圖Fig7 PPG preprocessing simulation diagram of the second volunteer

4　總結(jié)

本文設(shè)計了一種可在無線體域網(wǎng)中應(yīng)用的脈搏血氧飽和度采集節(jié)點。該節(jié)點利用透射式血氧飽和度檢測技術(shù)并通過藍牙4.0與Android智能終端系統(tǒng)連接，對脈率值和血氧飽和度值進行檢測和存儲，迎合了當代社會生活習(xí)慣。同時，通過簡化硬件電路，優(yōu)化軟件濾波處理程序，實現(xiàn)了快速、準確、低功耗的體征參數(shù)監(jiān)測。

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Email：15340531612@163.com

中圖分類號：TP274

文獻標識碼：A

DOI:[CLC Number] TP274[Document Code] A10.11967/2016140308 10.11967/2016140308

基金項目：?國家自然科學(xué)基金項目（61471075）

通訊作者：肖倫蓮（1991-），女，四川達州人，重慶郵電大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為智慧醫(yī)療系統(tǒng)

A Design of Pulse Oximetry Acquisition Node Based on Wireless Transmission

Lunlian Xiao*， Jinzhao Lin， Yu Pang， Jinhua Zhou， Shengfeng Li
（ Chongqing Municipal Level Key Laboratory of Photoelectric Information Sensing and Transmitting Technology，Chongqing 400065 ）

Abstract:In recent years, there is an prominent contradiction between limited resources and the increasing number of people who suffered from chronic diseases, which inspired the wide utilization of wireless body area network in medical field. Based on transmittance oximetry, node combined with android intelligent terminal system and collected PhotoPlethysmoGraphy ( PPG ) at the end of the finger, utilized the characteristics that the strength of near-infrared spectroscopy absorbance linearly related to the chemical composition of the material to measure pulse rate and oxygen saturation. Experimental result shows that the node contains many advantages, including small size, low power consumption, strong anti-interference, which can be invasively, fast and accurately monitor pulse rate and oxygen saturation in real time, and transfers data using wireless transmission, which is suitable for use in family.

Key Words:Transmittance; Pulse rate; Oxygen saturation; PPG