基于PPG信号的无创血氧饱和度测量终端的设计

曹昌盛，徐 铭，伍守豪（.深圳大学 信息工程学院，广东 深圳58060；.深圳清华大学研究院 数字电视系统重点实验室，广东深圳58057）

基于PPG信号的无创血氧饱和度测量终端的设计

曹昌盛1，2，徐 铭1，伍守豪2
（1.深圳大学 信息工程学院，广东 深圳518060；2.深圳清华大学研究院 数字电视系统重点实验室，广东深圳518057）

针对家庭和社区医院对便携式监护仪的需求，本文采用TI公司的MSP430F6659和AFE4490芯片方案，设计了基于PPG（光电容积脉搏波描记法）信号的无创血氧饱和度测量终端。首先通过分析无创血氧饱和度的测量原理，进行了测量终端的硬件和软件设计，然后采用血氧模拟仪标定曲线，最后实现了血氧饱和度的连续测量和PPG信号的实时显示。对比测试表明本文设计的测量终端与国外领先设备的测量结果的相关性达到97%以上，具有较高的准确性。

无创血氧测量；PPG；Lambert-Beer定律；AFE4490

氧是维持人体正常生理活动的关键元素，通常人体的氧是通过呼吸进入血液循环系统，提供给人体各个器官进行新陈代谢。如果供氧量不足，则会严重影响人体健康甚至危及生命，因此测量血氧的含量即血氧饱和度（SpO2）来衡量人体的氧供应情有着重要的意义。

测量血氧饱和度有种方法：一种是有创测量，通过采集人体的血氧，将血氧放入化学分析仪器分析氧的含量，这种方法测量周期长，且不能连续测量。第二种方法是无创测量，利用血红蛋白对近红外区光谱的特殊吸收性质来测量血氧饱和度[1-2]。目前有创测量在临床上已逐渐被无创测量所取代，但是临床上的无创血氧测量设备很难在家庭和社区使用。本文采用TI公司的MSP430F6659作为主芯片，TI公司的AFE4490芯片作为血氧模拟前端，光电二极管指套式血氧夹和LCD显示屏作为主要的硬件模块，设计了便携式的血氧饱和度测量终端，测量准确度高，适合在家庭和社区医院使用。

1 无创血氧饱和度测量方法

无创血氧测量原理是人体的血液中主要有氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb），氧合血红蛋白的含量即百分比代表着血液中血氧饱和度[3-4]，即：

CHb2为动脉血液中HbO2的浓度，CHb为动脉血液中Hb浓度，根据郎伯-比尔（Lambert-Beer）

定律[5-6]选用λ1=660 nm，λ2=940 nm两种不同波长的光透射被测部位，动脉壁无波动时，可以分别记录一个恒定的透射光强度DC；动脉搏动时，透射光的变化量为AC，结合血氧饱和度的定义（1），可以求得血氧饱和度的计算公式为：

其中A、B为定标系数，R为：

经过大量的实践验证，经验化的血氧饱和度计算公式为[7-8]：

其中，A、B、C为定标系数，根据实际的系统经过测试标定。根据这一原理计算血氧饱和度的关键是测量出两组光的直流分量和交流分量。采用光电容积脉搏波描记法[9-10]（Photoplethysmography，PPG），将光源和光电接收器组成的PPG探头夹在手指端，光源发射光束透过手指，发生反射、散射和吸收之后被光传感器接收并转换为电信号，将获得的PPG信号为4组值：

IAC660—660 nm红光光强度的脉动分量；

IDC660—660 nm红光光强度的直流分量；

IAC940—940 nm红外光光强度的脉动分量；

IDC940—940 nm红外光光强度的直流分量；

将上面得到的4组值带入式（3）可以求得R值，将R值带入式（4）即可求得血氧饱和度，从面的分析可以看出，要实现无创血氧饱和度的测量，首先要进行PPG信号采集。

2 硬件电路设计

文中的硬件电路使用TI公司单片机MSP430F6659和血氧模拟前端AFE4490搭建起来，辅以外围电路如电源电路、单片机复位电路、LCD显示部分接口电路等，整体的硬件框图如图1所示。

图1 硬件框图

1）主芯片单元设计。MSP430F6659作为主芯片，具有高性能、低功耗的特点[11]。可以在25 MHz晶振的驱动下，实现40 ns的指令周期，具有16位的数据宽度和多功能的硬件乘法器，可以实现对采集的PPG数据进行快速处理。MSP430F6659提供了3个时钟源，高频的片外时钟 （XT2）、低频时钟（LFXT1CLK）、片内控制振荡器（DCO），文中的设计采用外接20 MHz的片外晶振为系统提供主时钟。采用TI公司芯片TPS3825作为系统手动复位控制端，TPS3825为3.3 V的微处理器监控芯片，能够输出高电平有效和低电平有效的复位信号。

2）血氧模拟前端设计。AFE4490是一款专门的PPG信号采集芯片[12]，可以连续采集6个通道的光变量值。它内部具有一个22位模数转换器（ADC）、低噪声接收器通道、一个LED传输单元，并且具有传感器诊断以及LED故障检测功能，如图2所示。

图2 AFE4490的主要组件图

外围设计采用可以多次循环使用的指套光传感器血氧夹通过DB9接口与AFE4490相接；考虑到人体静电对电路将产生干扰，在接入电路中加入二极管对实现静电和过压保护，如图3所示；AFE4490外接8 M的外部晶，通过四线制的SPI接口与单片机进行通信。AFE4490工作的流程为光电传感器的电流信号传输至模拟前端的接收通道，通过一个差分电流-电压跨阻（I/V）放大器，放大器的反馈电阻把光电传感器的输入电流转换成电压值，随后对PPG信号进行环境光噪声的消除，然后再通过一系列的滤波器组的滤波处理去除信号中的其他干扰，例如工频干扰等。再由 A/D转换器进行模数转换，转换成数字信号后通过SPI接口发送到单片机如图2所示。

图3 AFE4490模拟前端保护电路

3）LCD部分，采用7inch总线型带有SPI通信接口的LCD，本文采用四线制的SPI串行通信接口连接方式，实现LCD和单片机的数据通信，简化了系统设计。LCD的加入可以实现同时观测PPG信号和血氧饱和度值。

3 软件实现

文中的软件设计主要包括血氧模拟前端AFE4490的软件实现、LCD显示模块软件实现和血氧饱和度算法的软件实现。整体流程为首先完成各个模块的初始化，MSP430F6659上电复位，血氧模拟前端AFE4490初始化，LCD初始化。模块的初始化包括配置I/O口，配置时钟和SPI接口的工作模式。血氧模拟前端AFE4490的采样频率设置为500SPS，采集方式为连续采集转换。当引脚变为低电平，单片机读取模拟前端采集的PPG数据。

单片机读取到的为原始数据，会含有工频干扰和漂移干扰。由于需要对数据进行实时处理，本文采用快速滑动平均滤波[13]消除PPG信号的工频干扰，采用中值滤波[14]方法来滤除基线漂移。计算式（3）的R值需要PPG信号的波峰和波谷值，对去除噪声以后的信号，采用二阶差分阈值[15]的方法来检测PPG信号的波峰和波谷。

将波峰和波谷值其带入式（3）计算R值，将R值带入SpO2-R公式得出血氧饱和度，整体的软件流程如图4所示。为了提高测量终端的准确性，本文采用Fluke Index 2血氧模拟仪对公式（4）定标，通过模拟40%～100%的血氧饱和度，得到30组R值和血氧饱和度的值，通过最小二乘法二次多项式曲线拟合的方法得到SpO2-R曲线如图5所示，确定本文血氧饱和度计算公式为：

图4 软件流程图

图5 血氧饱和度的定标曲线

4 结果测试

第一步是整机测试，开机将血氧夹夹在手指末端并开启测量，LCD可以同时显示血氧饱和度和PPG波形如图6所示。第二步是和Nellcor公司的血氧仪做比对测试，测试范围设置为80%-100%，并将对比结果进行相关性分析，如图7所示，可以看出本文设计的血氧测量终端和Nellcor血氧仪的相关系数达到了97%以上，能够准确的测量出人体的血氧饱和度。

图6 真机测试

5 结 论

文中从无创血氧饱和度测量的便携性和实时性考虑，通过血氧模拟前端AFE4490和MSP430F6659单片机进行了硬件电路的设计，并在此基础上实现了各个模块的软件设计。对测量终端的测试结果表明，本文设计的血氧饱和度测量终端和国际领先的血氧仪的测量结果相关性达到了97%以上，具有较高的准确性，并且能够实时的显示PPG信号波形，适合作为家庭和社区医院的血氧饱和度监护设备。

图7 结果相关性拟合分析

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The design of non invasive blood oxygen saturation measurement terminal based on PPG signal

CAO Chang-sheng1，2，XU Ming1，WU Shou-hao2

（1.School of Information Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China；2.Digital TV Laboratory of Institute of Tsinghua University in Shenzhen，Shenzhen 518057，China）

According to requirement of family and community on the portable monitor，the noninvasive oxygen saturation measurement terminal is designed with TI's MSP430F6659 and AFE4490 chip solution based on PPG （photoplethysmography）signals.Firstly，the hardware and software of the measuring terminal are designed by analyzing the measurement principle of noninvasive blood oxygen saturation. And then the curve is calibrated by blood oxygen simulator.Finally，the continuous measurement of blood oxygen saturation and the real-time display of the PPG signal are realized.According to the contrast test，the correlation of measuring result between the measuring terminal and the leading equipment in foreign countries is more than 97%，indicates that the measurement terminal has a high accurate.

noninvasive measurement of blood oxygen；PPG；Lambert-Beer；AFE4490

TN219

B

1674－6236（2017）07-0057-04

2016-03-20稿件编号：201603258

深圳市科技计划项目（CXZZ20130516153930222）

曹昌盛（1989—），男，河南开封人，硕士研究生。研究方向：嵌入式系统、医疗电子。