賀玉珍，湯敏芳，何征嶺，趙榮建，陳賢祥，趙湛，方震

1.中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 微電子學(xué)院，北京 100049

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和教育水平的不斷提高，人們的健康意識(shí)也普遍增強(qiáng)，以預(yù)防為主，有病早發(fā)現(xiàn)早治療的理念已經(jīng)成為當(dāng)下大眾普遍接受并追尋的一種健康理念[1-2]。從2005年到2018年，我國(guó)65周歲及以上的人口數(shù)量逐年遞增；預(yù)計(jì)到2020年，65周歲以上的老年人口將會(huì)達(dá)到2.48億，占我國(guó)總?cè)丝诒壤?1.92%。與此同時(shí)，老年階段的慢性病開始逐漸取代傳染病和急性病[3-5]，成為威脅人們健康的主要因素，醫(yī)療模式[6]側(cè)重于向長(zhǎng)期保健和疾病預(yù)防的方式轉(zhuǎn)變。

傳統(tǒng)的醫(yī)院監(jiān)護(hù)設(shè)備，可以檢測(cè)各種生理參數(shù)，包括十二導(dǎo)聯(lián)心電[7]、脈搏波、舒張壓、收縮壓、血氧飽和度和體溫，但是這些設(shè)備往往體積龐大，操作復(fù)雜，在使用過(guò)程中對(duì)各類傳感器佩戴的位置和使用方式都有嚴(yán)格的要求，一般都需要經(jīng)過(guò)專門培訓(xùn)的醫(yī)護(hù)人員來(lái)操作，其使用通常會(huì)受到時(shí)間、空間的限制而無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量的目的[8]。由于傳統(tǒng)的以醫(yī)院為中心的醫(yī)療模式已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代人對(duì)健康管理的需求，研制可以在家庭中日常使用的多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)設(shè)備具有十分重大的意義。

本文研制了一款集心率、血氧、血壓、體溫測(cè)試于一體的手持式微型多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備，解決了傳統(tǒng)設(shè)備測(cè)量參數(shù)單一的問(wèn)題，且設(shè)備簡(jiǎn)易輕便，可隨身攜帶，無(wú)創(chuàng)，不會(huì)干擾使用者的日常生活，一定程度上解決了用戶的依從性問(wèn)題。

1 生理信號(hào)采集及測(cè)量原理

心臟的跳動(dòng)會(huì)造成心肌細(xì)胞電位的變化，該變化的電信號(hào)可以通過(guò)體液傳到體表，引起體表電勢(shì)差的變化，心電信號(hào)[9]就是由這種變化的體表生物電信號(hào)得來(lái)的。在每個(gè)心臟跳動(dòng)周期中，由于傳導(dǎo)時(shí)間的不同，大量心肌細(xì)胞瞬間電位的變化會(huì)在生物體表的不同位置形成電勢(shì)差，心電圖（Electrocardiogram，ECG）就是根據(jù)該電勢(shì)差信號(hào)隨時(shí)間變化描繪出來(lái)的曲線圖[10]。測(cè)量時(shí)通過(guò)左手指末與右手指末的體表電勢(shì)差采集到ECG信號(hào)，進(jìn)而可得到單導(dǎo)聯(lián)心電圖。

光電容積脈搏波描記法（Photo Plethysmo Graph，PPG）是一種常用的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法，用來(lái)檢測(cè)活體血液容積的變化，一般采用光電手段，以反射或透射的方式采集信號(hào)。研究發(fā)現(xiàn)，血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）會(huì)對(duì)紅光和紅外光產(chǎn)生不同的吸收光譜，根據(jù)朗伯-比爾定律（The Lambert-Beer Law），當(dāng)血液中血氧飽和度發(fā)生變化時(shí)，光探測(cè)器上660 nm和940 nm兩個(gè)波長(zhǎng)的相對(duì)光強(qiáng)有著明顯的線性關(guān)系，基于此原理可得到血氧飽和度[11]。測(cè)量時(shí)只需用指末覆蓋血氧探頭，操作簡(jiǎn)單，具有無(wú)創(chuàng)性，且安全無(wú)交叉感染，不會(huì)給用戶造成心理上的排斥。

體溫也是反應(yīng)人體健康情況的一項(xiàng)重要生理參數(shù)指標(biāo)，通常通過(guò)熱敏電阻在不同溫度下阻值的變化對(duì)用戶進(jìn)行體溫信號(hào)采集。

研究表明，PPG信號(hào)的傳輸時(shí)間會(huì)受人體內(nèi)血壓高低的影響[12-14]。根據(jù)這個(gè)規(guī)律，可以用脈搏傳輸時(shí)間（Pulse Transmission Time，PTT）來(lái)間接測(cè)量血壓值。PTT定義為ECG信號(hào)中QRS波波峰值點(diǎn)到同一外圍PPG信號(hào)上升沿斜率最大值點(diǎn)的時(shí)間和，見圖1。

圖1 PTT時(shí)間模型示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)備模塊設(shè)計(jì)

本文選用STM32F411作為主控芯片，負(fù)責(zé)整個(gè)硬件平臺(tái)的指令控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算及信號(hào)處理，通過(guò)設(shè)備表面的傳感器分別采集到ECG信號(hào)、PPG信號(hào)和溫度信號(hào)，然后通過(guò)相應(yīng)的模擬前端進(jìn)行信號(hào)處理，再通過(guò)中央處理器進(jìn)行算法控制，解析出各項(xiàng)生理參數(shù)并在上位機(jī)顯示，具體的架構(gòu)見圖2所示。系統(tǒng)以STM32F411為核心，集成生理信號(hào)傳感器，體積小巧，各模塊的器件選型及對(duì)應(yīng)的通信接口分布，見表1。手持式設(shè)備體積小，ECG信號(hào)由單導(dǎo)聯(lián)干電極獲得，PPG信號(hào)由反射式血氧探頭獲得，體溫信號(hào)由熱敏電阻獲得，設(shè)備無(wú)外接導(dǎo)線和探頭。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

表1 主要器件選型及其接口分布

2.2 軟件系統(tǒng)功能

在嵌入式設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，主程序首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，進(jìn)入到測(cè)量模式，然后配置中斷和相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)，分別對(duì)傳感器采集到的各項(xiàng)生理信號(hào)進(jìn)行處理、分析和打包，最后通過(guò)藍(lán)牙與上位機(jī)通信在終端設(shè)備顯示各生理參數(shù)。具體流程，見圖3。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

2.3 生理信號(hào)降噪濾波處理

肌電干擾、呼吸干擾、工頻干擾等各種干擾會(huì)對(duì)由心電電極采集到的原始心電信號(hào)造成影響，為了盡量減小這些干擾，需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行降噪、濾波處理。去除工頻干擾常用的辦法有50 Hz陷波濾波器[16]。在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，信號(hào)的采樣頻率是250 Hz，結(jié)合算法復(fù)雜度以及信號(hào)穩(wěn)定性，這里以5點(diǎn)滑動(dòng)平均濾波器為模型，去除信號(hào)的工頻干擾，其差分方程如式(1)所示。

此外，基線漂移也是影響心電信號(hào)的一個(gè)重要因素。考慮到MCU的處理性能，采用101點(diǎn)中值濾波器濾除信號(hào)中的高頻分量，然后用80點(diǎn)滑動(dòng)濾波器做去除基線漂移處理，以此得到比較干凈穩(wěn)定的生理信號(hào)，便于后續(xù)的分析從而得到準(zhǔn)確的有實(shí)際意義的生理參數(shù)。

2.4 ECG信號(hào)處理與心率的解析

ECG信號(hào)先經(jīng)過(guò)濾波降噪處理，再通過(guò)PT算法，定位到ECG波形的極大值點(diǎn)，即可找到心電信號(hào)QRS特征值波群中的R點(diǎn)。通過(guò)相鄰波峰的采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)，計(jì)算RR點(diǎn)間期，確定一個(gè)心動(dòng)周期的時(shí)間，從而計(jì)算心率值。具體軟件設(shè)計(jì)流程圖，見圖4。

圖4 心率計(jì)算流程圖

2.5 PPG信號(hào)處理與血氧飽和度的解析

根據(jù)血氧飽和度的計(jì)算方法，需要分別對(duì)紅光和紅外光提取出信號(hào)在周期內(nèi)的直流分量IDC和交流分量IAC。血氧飽和度（Surplus Pulse O2，SPO2）可根據(jù)以下公式得到，式中A、B、C為常量，可用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備由最小二乘法擬合標(biāo)定，660 nm的紅光和940 nm的紅外光在式中由λ1和λ2表示，IDC和IAC分別代表PPG信號(hào)的直流分量和交流分量。具體計(jì)算方法如式(2)和式(3)所示。

對(duì)采集到的原始光電容積脈搏波信號(hào)，首先進(jìn)行一階微分運(yùn)算，掃描得到一階微分曲線，分別找到從負(fù)到正和從正到負(fù)的過(guò)零點(diǎn)，再根據(jù)可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)的閾值找到信號(hào)的波峰值與波谷值。

2.6 血壓的計(jì)算

根據(jù)Lansdown[13]提出的血壓測(cè)量模型，血壓與脈搏波傳輸時(shí)間存在式(4)的近似線性關(guān)系，其中a和b為待定的系數(shù)。由于動(dòng)脈口徑、血液粘稠度等也會(huì)對(duì)血壓造成影響，Ding等[14]提出的血壓測(cè)量模型可以有效解決這個(gè)問(wèn)題，收縮壓（SBP）和舒張壓（DBP）的計(jì)算模型如式(5)、式(6)所示。

在該系統(tǒng)中，ECG信號(hào)和PPG信號(hào)的采樣頻率均為250 SPS，在采樣過(guò)程中采用插值采樣的方法以確保ECG和PPG信號(hào)的同步性。根據(jù)前文信號(hào)處理的方法找到心電信號(hào)的R值，以及同一外圍光電容積脈搏波上升沿斜率最大值點(diǎn)，得到脈搏傳輸時(shí)間。

3 測(cè)試與驗(yàn)證

手持式微型多生理參數(shù)檢測(cè)設(shè)備外形設(shè)計(jì)符合人體工學(xué)和美學(xué)設(shè)計(jì)，兩端呈弧線形，測(cè)試時(shí)貼合手掌，便于使用者測(cè)量，設(shè)備外形，見圖5。使用時(shí)，雙手須有四個(gè)手指分別置于四個(gè)心電電極上，還需一個(gè)手指覆蓋血氧探頭，通過(guò)串口通信在電腦上位機(jī)進(jìn)行原始生理波形顯示，通過(guò)藍(lán)牙通信在手機(jī)APP端進(jìn)行生理參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)試。測(cè)量方式，見圖6。

圖5 設(shè)備外形圖

以Fluke公司的ProSim 8生命體征模擬器作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，選取有參考意義的測(cè)試點(diǎn)對(duì)心率進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，以PHILIPS脈搏血氧儀DB18為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對(duì)血氧飽和度進(jìn)行臨床對(duì)比測(cè)試，以歐姆龍?bào)w溫計(jì)對(duì)體溫參數(shù)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果，見表2。從測(cè)試結(jié)果可以看出，心率的單點(diǎn)誤差絕對(duì)值最大為2 bpm，平均絕對(duì)誤差小于1 bpm，血氧飽和度誤差在1%之內(nèi)（一般血氧飽和度范圍在99%～75%[14]，但是對(duì)于身體健康的人群其測(cè)試范圍在99%～94%），體溫測(cè)量的最大絕對(duì)誤差為0.1℃，平均誤差小于0.1℃，可以滿足家庭日常監(jiān)護(hù)需求。

表2 心率、血氧飽和度、體溫測(cè)試結(jié)果

圖6 手持式設(shè)備測(cè)量方式

以美國(guó)順泰公司的動(dòng)態(tài)血壓檢測(cè)儀SunTech Oscar 2作為血壓測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和研制設(shè)備進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。對(duì)7個(gè)受試者分別在不同時(shí)段共測(cè)量36組數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果，見圖7。通過(guò)圖7可以看出，測(cè)試結(jié)果與SunTech血壓儀參考結(jié)果呈正相關(guān)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，得舒張壓的絕對(duì)誤差為2.92 mmHg，收縮壓的絕對(duì)誤差為3.78 mmHg，設(shè)備具有較高的準(zhǔn)確率。

圖7 血壓測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文以現(xiàn)代人群健康管理理念的轉(zhuǎn)變及家用可穿戴設(shè)備的需求為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款手持式微型多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備，并對(duì)該設(shè)備所測(cè)量的各生理參數(shù)的方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，研制設(shè)備的優(yōu)勢(shì)在于采用高度集成的傳感器，集心率、血氧、血壓、體溫測(cè)量于一體，體積小，方便攜帶，無(wú)外接導(dǎo)線，開機(jī)狀態(tài)工作穩(wěn)定。手持式微型多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明本設(shè)備所測(cè)參數(shù)準(zhǔn)確率很高，可達(dá)到家庭健康監(jiān)護(hù)的要求。