秦 漢，王瑞琦，盧超波

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

脈率和血氧飽和度是與人體健康狀況相關(guān)的參數(shù)。脈率既可以反映出人體的健康狀況，又能提示人體運動后的情況[1]。血氧飽和度與血液中氧氣的濃度有關(guān)，該指標(biāo)反映了人體的供氧情況，從而監(jiān)測人體的循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)狀況[2]。

國外開展無創(chuàng)血氧飽和度檢測技術(shù)研究較早。BEER在1851年提出了光學(xué)測量的基本原理，就是朗伯-比爾規(guī)則，為無創(chuàng)血氧測量裝置的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。1982年，NELLCOR對先前的血氧監(jiān)測儀進行較大改進，研發(fā)了一款光源選用發(fā)光二極管、光接收器選用珪管、用微型計算機對數(shù)據(jù)進行處理的性能更佳的血氧監(jiān)測儀N-100，自此拉開了現(xiàn)代血氧監(jiān)測儀的發(fā)展序幕。20世紀(jì)90年代之后，血氧飽和度監(jiān)測儀經(jīng)過持續(xù)發(fā)展與改進，Masimo、Philips等公司已開發(fā)出相對成熟的產(chǎn)品并應(yīng)用于臨床[3]。近年來，血氧飽和度檢測研究主要集中在血氧探頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和信號提取技術(shù)的創(chuàng)新性改進等方面，在目前人口老齡化及醫(yī)療保健社區(qū)化的趨勢下，便攜式血氧儀越來越受到人們重視。

目前，國內(nèi)臨床上血氧飽和度檢測都是通過生命體征參數(shù)檢測儀來完成的，其中便攜式血氧儀大多使用國外的主控芯片，以朗伯-比爾定律和血液中還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白對光的吸收特性不同為理論基礎(chǔ)[4]。本文設(shè)計了一種基于ARMCortex-M0內(nèi)核單片機的指夾式脈搏血氧儀。通過兩種不同波長的紅光和紅外光分別照射組織，經(jīng)透射后再由光電接收器轉(zhuǎn)換成光電容積脈搏波信號，經(jīng)數(shù)字解調(diào)及信號處理后，通過提取特征值計算出相應(yīng)的脈率和血氧飽和度。設(shè)計中選用905 nm紅外光和660 nm紅光，在該波長處，氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的吸收差別較大。

2 指夾式脈搏血氧儀設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

指夾式脈搏血氧儀采用中科芯集成電路有限公司MCU事業(yè)部研制的基于ARM Cortex-M0內(nèi)核單片機作為主控芯片。該芯片性能強，工作頻率高達(dá)48 MHz且資源豐富，擁有2個I2C接口，2個SPI接口，2個USART，1個12位ADC，1個12位DAC，最多5個通用16位定時器，1個32位定時器和一個高級控制PWM定時器，完全能夠滿足指夾式脈搏血氧儀的設(shè)計要求。

2.1.1 開機喚醒電路

開機喚醒電路如圖1所示。單片機的一個I/O口連接總電源芯片使能引腳POWER_ON端，按鍵K1按下時，總電源芯片的使能引腳POWER_ON產(chǎn)生高電平脈沖，總電源開啟，此時單片機上電，上電后單片機立即保持POWER_ON為高電平，血氧儀可持續(xù)工作，開機完成。血氧儀在8 s內(nèi)未檢測到有手指放入時，單片機POWER_ON引腳軟件拉低置零，總電源斷開，實現(xiàn)關(guān)機操作，由于總電源關(guān)閉，關(guān)機時血氧儀的電流不超過1.5μA。

圖1 開機喚醒電路

2.1.2 發(fā)光管驅(qū)動電路

發(fā)光管驅(qū)動電路如圖2所示。D1為發(fā)光對管，當(dāng)RED端接地、IR端接驅(qū)動電平時，905 nm紅外燈亮；當(dāng)IR端接地、RED端接驅(qū)動電平時，660 nm紅光燈亮。U9為雙通道模擬開關(guān)，4腳為高電平時，3腳與2腳接通；4腳為低電平時，3腳與5腳接通；另外一通道原理相同；因此通過單片機IO口控制模擬開關(guān)U9的4腳和8腳交替變換高低電平，完成紅光和紅外的切換。

圖2 發(fā)光管驅(qū)動電路

LED燈的亮度取決于流過燈的電流，紅光燈或紅外燈的電流都會從三極管Q1流過；當(dāng)單片機DA_OUT輸出為0時，三極管Q1關(guān)斷，發(fā)光管不亮；當(dāng)單片機的DA_OUT輸出不為0時，運放U1C輸出達(dá)到高電平，Q1開啟；當(dāng)Q1開啟后，引入負(fù)反饋，此時運放反相端電壓為1/5VDA_OUT值；對于反相端，R28與R29并聯(lián)，其電流等于)/（R28//R29），從而通過DA_OUT控制發(fā)光強度和LED發(fā)光的占空比。

2.1.3 信號采集電路

脈搏波信號采集電路如圖3所示。D2為光電二極管，當(dāng)紅光或紅外光照射時，光電二極管會產(chǎn)生微安級的電流，通過U1A構(gòu)成的跨阻放大器，將微弱電流轉(zhuǎn)化成毫伏級的電壓，U1A的輸出電壓為Vout=249 kΩ·ID2。U1A構(gòu)成的有源低通濾波器截止頻率16.4 kHz，R5=249 kΩ，C1=39 pF。U1B構(gòu)成的有源低通濾波器截止頻率81 kHz，R13=49.9 kΩ，C2=39 pF；通帶電壓放大倍數(shù)為6，R12=10 kΩ。R21和C3構(gòu)成的無源低通濾波器截止頻率160 kHz。

圖3 脈搏波信號采集電路

調(diào)試時，根據(jù)示波器顯示電壓范圍，將DAC輸出適當(dāng)調(diào)整，使得采集端電壓處于ADC的合理輸入范圍內(nèi)。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 軟件主體程序

血氧儀的整體軟件流程如圖4所示。設(shè)備開機鍵按下一瞬間，MCU上電首先將相應(yīng)引腳置高保持總電源通路，系統(tǒng)開機完成。接著進行系統(tǒng)各模塊初始化，完成初始化后，DAC按照一定時序調(diào)節(jié)LED兩端電壓，ADC按照一定時序采集信號；對采集到的信號進行數(shù)字解調(diào)去除背景光的干擾。同時判斷脈搏波信號值是否偏小，直到滿足要求。對得到的紅光和紅外脈搏波信號進行濾波處理，提取脈搏波中所需要的特征點，計算求得血氧飽和度值（SPO2）、脈率值（PR）并顯示在OLED屏幕上。

圖4 血氧儀的整體軟件流程

2.2.2 噪聲信號快速濾除方法

采用動態(tài)光譜法測量很容易受到干擾[7]，本設(shè)計中分別對高頻毛刺噪聲、混頻運動干擾噪聲進行濾波。采集到的原始脈搏波信號波形如圖5所示。

圖5 原始脈搏波信號波形

針對高頻毛刺噪聲，采用20點過采樣平均下抽方法，經(jīng)過數(shù)字平均提升信噪比，減少輸入端的噪聲。本設(shè)計將1000 Hz采樣率下抽到50 Hz，確保光電容積脈搏波的時域特征。與傳統(tǒng)EDM方法相比，實時性大大提高，也比較適合在下位機中運行。

原始信號經(jīng)過20點過采樣平均下抽后的脈搏波信號波形如圖6所示。與圖5進行對比，有用信號電壓和噪聲電壓比值趨于無窮大，高頻毛刺噪聲基本全部濾除，與傳統(tǒng)EMD方法相比，系統(tǒng)的實時性獲得了較大提高，有利于在單片機上執(zhí)行。

圖6 經(jīng)過20點過采樣平均下抽后的脈搏波信號波形

針對混頻運動干擾噪聲，由于人體脈搏波信號是基本恒定周期的時間序列，在不同的脈搏周期相同的相位點對應(yīng)的數(shù)值基本相同，本設(shè)計采用多點中值濾波對不同周期的脈率波峰谷值進行處理，以濾除輕微突變的運動噪聲。該算法計算量極小，保證實時性，有利于在單片機上執(zhí)行。

脈搏波輕微突發(fā)性運動干擾濾除前后的波形對比如圖7所示。從圖中能夠看出，脈搏波的輕微突發(fā)性運動干擾得到了有效濾除。

圖7 脈搏輕微突發(fā)性運動干擾濾除前后的波形對比

2.2.3 脈搏特征點提取

根據(jù)血氧飽和度和心率算法，需要在經(jīng)過解調(diào)和濾波處理的脈搏波上找到單心跳周期的波峰值和波谷值，由于人體心跳存在重搏現(xiàn)象（單周期內(nèi)會存在2個峰值和谷值），故采用前后滑動比較的方法去除重搏干擾[5]。

具體步驟（以提取紅外光的波峰和波谷為例）：在連續(xù)的紅外脈搏波ir[m]數(shù)組中，當(dāng)滿足ir[16]為ir[0]～ir[32]的最大值時，ir[16]即為峰值，ir[16]對應(yīng)時間存入ir_time_top[10]中；當(dāng)滿足ir[16]為ir[0]～ir[32]的最小值時，ir[16]即為谷值，ir[16]對應(yīng)時間存入ir_bottom[10]中；脈搏波峰值和谷值提取方法如圖8所示（圖中只標(biāo)記了ir[0]、ir[16]、ir[32]，中間的點未標(biāo)記出）。類似方法求出紅光的波峰和波谷值分別存入r_top[10]及r_bottom[10]中。對r_top[10]、r_bottom[10]、ir_top[10]、ir_bottom[10]數(shù)組分別取平均值，消除手指不自主抖動和呼吸等低頻干擾，最終得到紅光和紅外光脈搏波較為準(zhǔn)確的峰值和谷值。

圖8 脈搏波峰值和谷值提取方法示意

2.2.4 血氧飽和度值、脈率值

計算血氧值的方法為將提取得到的特征點的值（紅光的峰值、谷值和紅外光的峰值、谷值）代入式（1）：

Y為血氧SPO2值為紅光脈搏波單周期內(nèi)峰值和谷值，為紅外光脈搏波單周期內(nèi)峰值和谷值。

脈率值即脈搏跳動的頻率值，使用1 min內(nèi)跳動的次數(shù)表示。圖9為脈搏波信號波形圖，2個峰值之間的時間差值為T2-T1，脈率P=60 s/（T2-T1）。

圖9 脈搏波信號波形圖

本設(shè)計中，ir_time_top[10]用來存放10個波峰之間的時間，由此可以計算出10個波峰之間的時間間隔Δt，則脈率值P計算公式如下：

3 系統(tǒng)測試及試驗結(jié)果

3.1 準(zhǔn)確性測試

將自制血氧儀與魚躍血氧儀作對比測試實驗。選擇100名測試者，令其在室內(nèi)靜坐5 min，對同一測試者同一手的食指和中指分別使用自制血氧儀和魚躍血氧儀進行測量，測試過程保持靜止，測量3次，每次測試20 s，每次測試間隔也為20 s。圖10為某個測試者測試過程中的圖片（左側(cè)為本設(shè)計血氧儀）。

圖10 測試者測試過程（左側(cè)為本設(shè)計血氧儀）

3.2 試驗結(jié)果

血氧儀準(zhǔn)確性試驗數(shù)據(jù)如表1所示，自制血氧儀與魚躍血氧儀測得的血氧飽和度值最大差值為1，而該公司血氧儀血氧飽和度在70%～99%段測量誤差為2%，由此可得到自制血氧儀的血氧飽和度值測量誤差為3%。測得的脈率值最大相差1，而該公司血氧儀脈率值測量誤差為1%，由此可得到自制血氧儀的脈率值測量誤差為2%。

表1 血氧儀準(zhǔn)確性試驗數(shù)據(jù)部分結(jié)果

4 總結(jié)

隨著社會發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對于醫(yī)療保健和疾病預(yù)防的重視程度也越來越高，便攜式醫(yī)療設(shè)備逐漸成為家庭中必不可少的設(shè)備。本文以設(shè)計便攜指夾式脈搏血氧飽和度及脈率檢測為導(dǎo)向，在低功耗、發(fā)光管驅(qū)動設(shè)計、信號接收管設(shè)計等軟硬件結(jié)構(gòu)以及脈搏信號采集、處理、特征點提取、準(zhǔn)確性測試等方面進行了研究，完成了指夾式脈搏血氧儀的設(shè)計，并通過與魚躍血氧儀產(chǎn)品進行對比試驗，驗證了設(shè)計方案的可靠性。