張振強， 陳真誠， 顧 爽， 韓慧茹

(桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院， 桂林 541004)

隨著現(xiàn)代社會人們工作，生活方式和飲食結(jié)構(gòu)改變，肥胖人口逐年增加，導(dǎo)致越來越多人患高血壓、心臟病等心腦血管疾病。據(jù)《中國心血管健康與疾病報告2019概要》顯示，中國心血管病患病率持續(xù)上升，心血管病患病人數(shù)接近3.3億，2017年心血管病死亡率占農(nóng)村和城市死因的45.91%和43.56%，排在首位，每5例死亡中就有2例死于心血管病[1]。心血管疾病給人類健康帶來了極大的危害，對心血管疾病防控顯得尤為重要。

中國學(xué)者基于脈搏波心血管參數(shù)檢測系統(tǒng)開展了大量研究。周建南[2]提出的基于多路光電容積脈搏波描記法(photoplethysmography, PPG)的心血管參數(shù)檢測系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，該系統(tǒng)通過下位機采集多路光電容積脈搏波描記法(photoplethysmography，PPG)和心電信號(electrocardiogram，ECG)，上位機接收下位機采集到信號并使用MATLAB軟件進(jìn)行波形形態(tài)分析,不足之處在于信號波形形態(tài)分析在MATLAB軟件上實現(xiàn)，沒有實現(xiàn)心血管參數(shù)的實時顯示，該系統(tǒng)測量操作復(fù)雜，且需要一定的專業(yè)知識。也有人提出基于ARM(advanced RISC machine)的心血管參數(shù)檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)[3],但是該系統(tǒng)使用的壓力脈搏傳感器采集的脈搏波信號和傳感器的放置以及施加外力有關(guān)，不具備光電容積脈搏波的穩(wěn)定性。龐宇等[4]提出一種適用監(jiān)護(hù)場景的心率、血氧飽和度和血壓參數(shù)測量系統(tǒng)設(shè)計，但是血壓測量使用傳統(tǒng)的袖套式，給測量帶來了不便。也有其他人都對人體多參數(shù)檢測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，但是都存在著檢測參數(shù)較少，操作復(fù)雜等原因[5-6]。在此背景下，本文設(shè)計了一種基于光電容積脈搏波的心血管多參數(shù)檢測系統(tǒng)。

1 心血管參數(shù)檢測原理

1.1 脈搏波檢測原理

1938年，Hertzman提出了PPG，一種檢測人體脈搏波的方法[7]。使用發(fā)射管與接收管組成光路檢測，發(fā)射光進(jìn)入人體組織，被人體組織(如肌肉、骨骼、靜脈、動脈等)吸收，吸收量一般是恒定不變的，構(gòu)成脈搏波的直流分量(DC)，而心臟收縮引起的血液容積變化會改變光的吸收量并在直流分量基礎(chǔ)上產(chǎn)生波動，構(gòu)成脈搏波的交流分量(AC)。PPG分量示意圖如圖1所示，光電接收管接收光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，描記出光電容積脈搏波。

圖1 PPG分量示意圖

1.2 心率檢測原理

從第一聲心臟跳動開始計數(shù),每分鐘跳動的次數(shù)被定義為心率[8]。人體心率檢測可以分為靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測，動態(tài)檢測可以準(zhǔn)確檢測運動狀態(tài)下心率[9]。正常人脈搏波信號一個周期波形可以清晰對應(yīng)心臟跳動一次的過程，所以通過PPG信號可以提取出人體心率。脈搏波周期T可以通過相鄰兩個波峰之間的采樣點N和采樣率F確定，人體心率P可以由脈搏波周期計算，它們之間存在的關(guān)系為

(1)

1.3 血氧飽和度檢測原理

血液中血氧濃度即為血氧飽和度，它是被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白(oxygenated hemoglobin, HbO2)的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白(hemoglobin， Hb)的容量的百分比[10]?；诠怆娙莘e脈搏波描記法的無創(chuàng)檢測血氧飽和度方法，是根據(jù)朗伯-比爾(Lamber-Beer)定律，針對血液中的氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)對不同波長的光的吸收特性不同的原理，據(jù)此得到血氧飽和度值。圖2為Hb和HbO2吸光特性曲線。血氧飽和度計算公式為

圖2 Hb和HbO2吸光特性曲線

SpO2=AR2+BR+C

(2)

1.4 血壓無創(chuàng)檢測原理

研究發(fā)現(xiàn)容積脈搏波二次微分后的加速脈搏波各特征點能很好地反映血液微循環(huán)過程，分析各特征點提取出脈搏波傳導(dǎo)時間 (pulse wave transit time, PWTT)，它能較準(zhǔn)確地反映血液從心臟射出到傳遞至手指末端毛細(xì)血管并反射匯合的時間[11]。脈搏波傳導(dǎo)時間反映動脈彈性和可擴(kuò)張性，受到血管容積和血管壁彈性的影響，血壓的變化會導(dǎo)致血管容積和血管壁彈性變化，進(jìn)而引起脈搏波傳導(dǎo)時間改變[12]。通過對光電容積脈搏波二次微分處理得到加速脈搏波，提取加速脈搏波各特征點確定脈搏波傳導(dǎo)時間，圖3為光電容積脈搏波和對應(yīng)加速脈搏波，A—C段為脈搏波傳導(dǎo)時間。研究表明：在一定范圍內(nèi)，PWTT和動脈血壓之間呈線性相關(guān)，且這種關(guān)系在某一個體，在一段時間內(nèi)相對穩(wěn)定[11]。Payne[13]研究發(fā)現(xiàn)收縮壓和脈搏波傳導(dǎo)時間具有很好地相關(guān)性，收縮壓PS和PWTT之間存在的關(guān)系為

圖3 光電容積脈搏波和對應(yīng)加速脈搏波

PS=B+APWTT

(3)

舒張壓(PD)、收縮壓(PS)之間存在的關(guān)系為

PD=C+DPS

(4)

式(4)中：D為常數(shù)。

由式(3)、式(4)可計算出收縮壓和舒張壓。

2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

系統(tǒng)硬件總體設(shè)計框圖如圖4所示，該系統(tǒng)選用S5PV210的MCU(microcontroller unit)作為硬件系統(tǒng)的主控，主要設(shè)計了透射式指端PPG信號采集及濾波電路。透射式指端PPG信號采集及濾波電路，由H橋驅(qū)動電路驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)出不同波長光，濾波電路對接收二極管采集的PPG信號實現(xiàn)硬件濾波。

圖4 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計框圖

2.1 H橋發(fā)光二極管驅(qū)動電路

圖5為H橋驅(qū)動電路，由兩個PNP(positive negative positive)和兩個NPN(negative positive negative)的雙極晶體管(bipolar junction transistor，BJT)，外加電阻構(gòu)成，橋中間連接發(fā)光二極管，當(dāng)發(fā)光二極管正向?qū)〞r，二極管發(fā)出660 nm紅光，逆向?qū)〞r二極管發(fā)904 nm紅外光，該電路工作電壓為3.3 V。R_CON、IR_CON連接主控GPIO(general purpose input output)口，R_INTERSITY、IR_INTERSITY連接主控DAC(digital -to-analog converter)接口。主控通過控制R_CON和IR_CON高低電平，控制發(fā)光二極管發(fā)出紅光和紅外光，通過R_INTERSITY和IR_INTERSITY控制發(fā)光二極管發(fā)出紅光和紅外光的強度。

圖5 H橋驅(qū)動電路

2.2 濾波電路

圖6為光電容積脈搏波采集及濾波電路，由3個集成運算放大器外加電阻和電容構(gòu)成，工作電壓為3.3 V。集成運放A設(shè)計為一個電壓跟隨器，3.3 V的電壓經(jīng)過串聯(lián)兩個相同電阻實現(xiàn)1/2分壓，分壓之后經(jīng)過電壓跟隨器，輸出1.65 V電壓；集成運放B設(shè)計為一個RC(resistance and capacitance)低通有源濾波器，截止頻率為18.54 Hz；集成運放C設(shè)計為一個RC高通有源濾波器，截止頻率為0.451 5 Hz。光電接收管接收光信號，將光信號轉(zhuǎn)化為模擬的電壓信號，該信號和電壓跟隨器的輸出電壓一起作為低通濾波器的輸入，經(jīng)過低通濾波器濾波，在經(jīng)過高通濾波器濾波，實現(xiàn)對光電容積脈搏波硬件濾波。人體脈搏波的信號頻率在1～15 Hz，濾波之后可以有效消除基線漂移，白噪聲和工頻噪聲，最后通過PulseWave接口輸出脈搏波信號。

圖6 濾波電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)初始化程序和基于光電容積脈搏波的多元信息處理算法程序組成。系統(tǒng)初始化主要完成電源置鎖、DDR(double data rate)內(nèi)存初始化、GPIO口初始化、ADC(analog-to-digital converter)和DAC初始化、串口初始化、定時器初始化、系統(tǒng)時鐘初始化；基于光電容積脈搏波的多元信息處理算法程序，包括PPG濾波平滑、血氧飽和度、心率、血壓測量程序。

3.1 PPG濾波平滑處理

為了對PPG信號進(jìn)行特征提取，需要在軟件算法上對PPG信號進(jìn)行濾波處理，在保證波形特征的基礎(chǔ)上使波形更加平滑。設(shè)計了窗口大小為8個單位的均值濾波算法程序和截止頻率為10 Hz的FIR(finite impulse response)低通數(shù)字濾波算法程序，對采樣得到PPG信號先進(jìn)行均值濾波在進(jìn)行低通濾波處理。圖7為濾波前后對比。

圖7 濾波前后對比

3.2 血氧飽和度測量

主控控制660 nm紅光和905 nm紅外光以200 Hz頻率交替閃爍，分別采集紅光和紅外光發(fā)光下兩個通道PPG信號，每采集200個數(shù)據(jù)點對信號處理一次。首先需要對采集的兩個通道PPG信號濾波平滑，之后采用直流跟隨算法分別除去兩個通道PPG信號自身直流分量幅值得到交流分量幅值，對交流信號幅值求平方和，結(jié)果開平方根得到平均功率，計算兩個通道PPG信號的平均功率比R，計算5次R值取平均，由式(2)計算出血氧飽和度值。軟件流程圖如圖8所示。

圖8 血氧飽和度測量流程圖

3.3 心率測量

心率測量軟件流程圖如圖9所示，采集紅光單通道下PPG信號并濾波平滑處理，預(yù)處理之后的PPG信號做一次差分，得到差分信號，根據(jù)差分信號特點找到PPG信號一個周期內(nèi)的所有極大值點，對所有的極大值點篩選，大于閾值點確定為PPG信號一個周期內(nèi)的最大值，該最大值就是脈搏波的波峰，識別PPG信號相鄰的兩個波峰位置，確定兩個波峰之間的采樣點N和采樣率F，由式(1)計算出心率。

圖9 心率測量流程圖

3.4 血壓測量

血壓測量流程圖如圖10所示，采集紅光單通道下PPG信號并濾波平滑處理，預(yù)處理之后的PPG信號做兩次差分，得到加速脈搏波信號，對加速脈搏波信號特征點(圖3中A—C)提取，提取出脈搏波傳導(dǎo)時間PWTT，由式(3)和式(4)計算出收縮壓和舒張壓。

圖10 血壓測量流程圖

4 系統(tǒng)性能實驗

4.1 系統(tǒng)準(zhǔn)確性實驗

為了檢測所設(shè)計系統(tǒng)的測量誤差，設(shè)計系統(tǒng)準(zhǔn)確性實驗，使用設(shè)計的系統(tǒng)和市面上標(biāo)準(zhǔn)測量儀器進(jìn)行對比。實驗準(zhǔn)備條件：招募11名志愿者，準(zhǔn)備一個溫度控制在26 ℃的房間，酒精棉若干，所設(shè)計的檢測系統(tǒng)，深圳京柏醫(yī)療科技股份有限公司生產(chǎn)的指夾式脈搏血氧儀，歐姆龍有限公司生產(chǎn)的電子血壓計。實驗步驟：受試者在26 ℃的房間休息5 min，使用酒精棉清潔受試者手指，采用所設(shè)計檢測系統(tǒng)測量受試者心率、血氧飽和度、血壓參數(shù)，測量時保證受試者端坐，并使手指與心臟保持齊平，測量完成后記錄受試者的各項測量參數(shù)。然后使用深圳京柏醫(yī)療科技股份有限公司生產(chǎn)的指夾式脈搏血氧儀測量受試者血氧飽和度和心率，歐姆龍有限公司生產(chǎn)的電子血壓計測量受試者血壓，記錄標(biāo)準(zhǔn)儀器測量的心率、血氧飽和度、血壓。按照上述過程測量11名受試者的各項參數(shù)，并記錄測量結(jié)果。表1為11名志愿者使用本系統(tǒng)測量的心率、血氧飽和度、血壓和標(biāo)準(zhǔn)儀器測量結(jié)果對比表。圖11為所設(shè)計系統(tǒng)測量圖,該系統(tǒng)分為指端脈搏波采集和主機處理顯示兩部分。

圖11 系統(tǒng)測量參數(shù)

由表1可知：心率平均測量誤差為3 次/min，最大測量誤差為5 次/min；血氧飽和度平均測量誤差為0.9%，最大測量誤差為2%；收縮壓平均測量誤差為5.09 mmHg(1 mmHg≈133.32 Pa),誤差標(biāo)準(zhǔn)差為2.66 mmHg；舒張壓平均測量誤差為3.27 mmHg，誤差標(biāo)準(zhǔn)差為1.29 mmHg，滿足ANSI/AA-MI國際電子血壓儀標(biāo)準(zhǔn)。

表1 實驗儀器和標(biāo)準(zhǔn)儀器測量結(jié)果對比

4.2 系統(tǒng)重復(fù)性實驗

設(shè)計實驗檢測本文設(shè)計系統(tǒng)的重復(fù)性。實驗條件：招募1名志愿者，準(zhǔn)備一個溫度控制在26 ℃的房間，酒精棉若干，設(shè)計的檢測系統(tǒng)。實驗步驟：受試者在26 ℃的房間休息5 min，使用酒精棉清潔受試者手指，每隔1 min使用所設(shè)計檢測系統(tǒng)測量受試者心率、血氧飽和度、血壓參數(shù)，測試5次，測量時保證受試者端坐，并使手指與心臟保持齊平，測量完成后記錄受試者的各項測量參數(shù)。表2為重復(fù)性數(shù)據(jù)，其中RSD(relative standard deviation)為相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，MU(measurement uncertainty)為自由度等于4、置信概率95%的測量不確定度。由表2可知，各項測量參數(shù)RSD均在5%以內(nèi)，且各項測量參數(shù)的測量不確定度表明，測量數(shù)據(jù)有效、可信，本系統(tǒng)重復(fù)性較好。

表2 重復(fù)性數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

設(shè)計了一種基于光電容積脈搏波的心血管多參數(shù)檢測系統(tǒng)，可以無創(chuàng)、快速檢測人體多種生理生化參數(shù)。該系統(tǒng)實時測量顯示血氧飽和度、心率、血壓人體重要生理參數(shù)。在實際測量實驗中表現(xiàn)良好，具有良好的測量準(zhǔn)確性。本文系統(tǒng)不足之處在于測試人員數(shù)據(jù)集較小且集中為正常人群，后續(xù)研究中，將擴(kuò)大測試人員數(shù)據(jù)集，對不同人群測試。