基于智能终端的血氧信号采集装置设计

李雅涵，马勋，庞宇，李国权，周前能

（1.重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065；2.重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065）

引言

健康是人类永远的话题，现在社会的生活节奏加快，工作生活压力的增大以及环境污染等问题对人们的健康带来了严重的影响。传统的医疗监护设备大都体积庞大，不易灵活挪动，而且价格昂贵使其只能在医院发挥其功能，造成广大人民看病难，看病贵的严重社会问题。家庭医疗监护仪器的梦想与远程医疗体系的发展使家庭医疗智能终端应运而生。这种智能终端在功能上等同与医院使用的精密医疗检测设备，能够让广大人民足不出户就可及时，便捷的知道自己的各项基本生理信息，例如血氧饱和指数，心电信息，血氧等重要参数。

血氧饱和度的检测方法主要分为有创和无创两种。有创检测是通过抽取动脉中的血液，利用血气分析的方法计算血氧饱和度[1]。这种方法最大的优点就是准确，在手术中的患者或产程中的胎儿等要求高准确度的特殊场合中常被使用。但其有创、复杂且无法做到连续实时检测的缺点限制了它的应用领域。而无创血氧饱和度检测技术，采用光电容积脉搏波（PPG）信号为信息载体构建连续无创血氧饱和度监测模型[2]，与有创检测方法相比，它不需侵入人体组织，不会对人体造成伤害且信息获取简便，因此可以满足家庭和社区能更加方便快捷的对血氧饱和度检测的需求。

为实现动态环境下血氧饱和度的实时监测，本文研制了一种基于反射式检测原理的基于智能终端的可穿戴血氧饱和度监测装置。

1 总体设计

目前，指夹透射式检测技术发展已相对成熟[3]，但这种检测方法，只适用于对住院病人的监护，而无法进入社区乃至家庭。相比之下，反射式血氧饱和度检测技术，灵活性要高很多。它的发光管和接受管放置在同侧，虽然其可检测的光强相对于透射式来说要小许多，但是检测方式方便快捷可以满足家庭医疗和社区医疗的需求，因此具有较好的开发价值和应用前景[4]。在家庭医疗和社区医疗的环境下，监测装置的便捷性以及装置的能耗都是必须考虑的问题。同时以反射式血样检测技术进行PPG信号的测量，很容易受到各种干扰的影响而使测量结果出现偏差[5]，因此，消除这些干扰都是反射式血氧饱和度检测技术必须解决的问题。

我们从抗干扰、低功耗以及小型化几个方面入手进行了设计。首先，血氧探头采用了光频转换接收头代替传统的光电三极管作为光强信号的传感元件，直接将光强信号转换为频率信号输出，实现信号的数字化，避免了信号在传输过程中引入干扰[6]。其次，采用430单片机作为中央处理器，实现LED的发光、信号接收以及数据发送的控制。并且利用单片机中的定时计数完成精确的时序控制，大量缩短LED的发光时间，减少能耗。

装置的设计尽量使用集成化元器件，以简化电路的复杂度，实现装置的小型化。工作过程如下：采集装置通过USB供电，经过单片机的D/A模块输出控制电压，控制恒流源驱动双光源LED发光，经组织反射的光通过光频转换接收头转换为频率信号，直接送入处理器进行信号的采集，获取的信号再通过USB发送到智能终端上。

动态环境下血氧饱和度监测会受到严重的运动干扰的影响[7]。针对这一问题，本文以自适应滤波为基础，提出了一种新的抗运动干扰的自适应对消算法。在对动态环境下光电容积脉搏波信号干扰分析的基础上，本文利用了PPG信号的包络线信息，从中提取出光电容积脉搏波信号的交流分量，并利用两种色光之间的关系，构建与干扰相关的信号作为参考信号进行自适应滤波，抑制运动干扰。自适应滤波的使用克服了传统滤波器无法处理频带重叠干扰的问题，在构建合适的参考信号的前提下，能有效的抑制运动干扰的影响。

下面重点介绍整个装置的硬件、软件、消除干扰设计和初步实验结果。

2 硬件设计

装置的硬件系统主要包括反射式探头和中央处理器两个模块，其总体设计框图如图1所示。

为了实现穿戴式的血氧饱和度实时监测，在不影响被测者日常生活的前提下，采用反射式血氧监测技术能弥补透射式监测的许多缺点[8]。根据反射式原理设计的血氧探头，探测器与LED发光器件在测量时处于受测物体的同侧，探测器接收的是反射回受测物体表面的光强[3]，因此理论上可放置于人体任何部位进行测量。

图1反射式血氧检测装置设计框图

反射式探头包括光强探测器和发光LED。LED在中央处理器的控制下发光，光通过组织后会携带血液信息返回体表，在探测器的监测下转换为相应的频率信号送入单片机采集处理。发光LED采用BR660905HM2-2型双色光发光二极管，这是一种专门用于血氧饱和度检测的发光LED，是具有两个引脚的表贴器件，其发光波长为660nm和905nm两种。它的发光方式如图2所示。

图2双色光LED发光原理

当正向电压加载在LED上时，会有正向电流流过LED，使发红光的二极管正偏导通，而发红外光的二极管反偏截至，发出660nm的红光；当将加载在两引脚上的电压反向后，通过LED的电流也会反向流通，这时二极管的导通模式正好与前者相反，则LED发出红外光。因此只需要控制加载在LED两引脚上的电压方向便可得到需要的两种色光。

中央处理器是整个监测装置正常运行的核心，肩负着控制、采集和处理任务。设计采用430单片机作为中央处理器，利用其内置的两个D/A模块对发光LED进行控制，另外通过处理器的捕捉计数功能对频率信号进行采集，获取PPG信号。

整个硬件系统设计很大程度上利用了功能强大的集成化器件，如光频转换的接收探头，避免了放大滤波等复杂电路的使用；再如中央处理器，选择了内置有D/A模块的型号，不需添加数模转换的芯片及其外围附加电路。这种设计使所需要使用的元器件大量的减少，利于装置的小型化。硬件系统制成的PCB电路板如图3所示。

整个硬件模块尺寸大概为3.8×2.2mm2，发光管与接收管均集成在电路板上，实现小型一体化设计。

图3反射式血氧饱和度监测装置PCB电路板

系统工作时，由单片机D/A转换模块产生一组脉冲，经恒流源驱动电路驱动放大以后，控制LED双光源交替发光。光经过人体组织，反射回组织表面，被光电接收头捕获，并转换为频率信号送到单片机的计数端口计数采样，获取的信息可以通过USB传送到智能终端。

3 软件设计

软件系统的设计主要是以硬件为载体，通过适当的程序控制硬件正常的工作，实现所需要的功能。血氧饱和度监测需交替采集双波长的PPG信号，因此必须进行精确的时序控制。软件系统的设计流程如图4所示：

图4主程序软件流程

由于需要同时获取两种不同波长光照射下的PPG信号，而当两束光同时照射人体时却无法区分两种光束的PPG信号，因此两种光通过脉冲调制交替发光。如图所示主程序利用处理器的定时器完成时序的控制。此次设计中，红光与红外光以采样率50Hz频率交替发光，则意味着两种波长光的PPG信号每秒各获取50次，即工作周期为20ms并在一个周期内完成一次光源交替点亮的过程。一个工作周期中，两波长光源各点亮3ms，光源点亮延时1ms待光源稳定后开启捕捉定时器。捕捉器开启后，等待输入频率信号的第一个上升沿，检测到上升沿后开始计数，直到下一个上升沿时停止，相邻两个上升沿之间的计数值直接反映了信号频率的大小，完成数据的采集后，进入一个周期中较长的LED熄灭期。但要注意在点亮LED后调用捕捉子函数进行数据采集时，点亮LED后数据采集应稍作延迟。

5 总结

本文介绍了基于智能终端的血氧信号采集装置的设计，该装置采用反射式血氧饱和度检测技术并通过USB与智能终端连接。血氧探头采集到的数据由USB传给智能终端并在智能终端对数据进行处理，计算血氧饱和度值并显示。图5即是实验人员使用本装置测量手指血氧饱和度的PPG波形图。

图5手指血氧饱和度PPG图

由图5 PPG波形图可知，通过此装置测量人体血氧浓度可以得到较好的测量数据，并且该装置测量血氧浓度方便、快键能更好的满足社区及家庭医疗。

[1] 李景文, 张保洲, 朗亚军, 等. 反射式血氧饱和度监测仪的设计与应用. 生物医学工程与临床, 2003, 7(1): 3-6.

[2] 周峰, 李顶丽, 李艳, 等. 大范围血氧饱和度无创检测的方法研究与仪器设计. 中国医疗设备器械, 2008, 32(1): 23-25.

[3] Kim B S, Yoo S K. Motion artifact reduction in photoplethysmography using independent component analysis. Ieee Transactions on Biomedical Engineering, 2006, 53(3): 566-568.

[4] 张宁, 陈亚明, 邓亲恺. 基于MSP430F149的血氧饱和度检测仪.中国医学物理学杂志, 2004,21(3): 165-171.

[5] Yao J, Warren S. A Novel Algorithm to Separate Motion Artifacts From Photoplethysmographic Signals Obtained with aReflectance Pulse Oximeter. Conf Proc IEEEEng Med Biol Soc, 2004, 3: 2153-2156.

[6] 曹辉, 李艳霞, 何波. 远程脉搏血氧饱和度监测系统设计. 中国水运, 2008, 8(9): 102-104.

[7] Peter G, Harry A. Reducing Motion Artifact in Wearable Bio-Sensors Using Mems Accelerometers for Active Noise Cancellation.Portland, OR, USA, 2005, 1581-1586.

[8] Wood L B, Asada H. Low Variance Adaptive Filter for Cancelling Motion Artifact in Wearable. Conf. Proc. IEEE. Eng. Med. Biol.Soc. 2007: 652 – 655.