无线生理参数监测方法与系统设计

张振涛，王 娟

(1.吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022； 2.吉林工业职业技术学院 电气学院，吉林 吉林 132013)

血氧和心率是人体生命体征的重要参数，目前市场上的手环等穿戴设备主要是针对心率的检测，而血氧饱和度的测量还是依赖于指夹式的透射式传感器，限制了设备的可穿戴性和便携性[1]，美信研发的MAX30102生物信号传感器使血氧的可穿戴测量成为可能.本文设计了一种无线生理参数的检测系统，该系统可实时监测人体心率和血氧等参数的变化情况，同时作者对于原始信号进行信号算法处理和标度变换，计算出了心率和血氧参数，并且可以通过蓝牙传送到手机端，该装置通过和ADINSTRUMENTS的生理数据标准化设备进行对比测量，满足可穿戴测量的要求.

1 测量原理

该系统数据采集芯片为MAX30102，采集原理为光电容积脉搏描记法PPG.当LED光照透过皮肤组织然后再反射到光敏传感器时光照有一定的减弱[2]，如图1所示.

当把光转换成电信号时，正是由于动脉对光的吸收有变化而其他组织如人体的肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织等对光的吸收基本不变，得到的信号就可以分为直流DC信号和交流AC信号[3].提取其中的AC信号，就能反映出血液流动的特点.对于吸收光强度的变化可以用郎伯-比尔定律来计算，出入射光强与吸收层厚度和吸收物浓度的关系为：

(1)

式中：I0为入射光强；I为反射光强；E为物质的吸收系数；C为物质的浓度；L为吸收层厚度.

图1 采集过程

在600～800波长的光中，氧合血红蛋白与血红蛋白会对其进行吸收.在不同波长的光中，氧合血红蛋白与血红蛋白对光的吸收程度有所不同，在开始的时候，氧合血红蛋白占据主要作用，随着波长的增加，血红蛋白后来居上[4].基于上述特点，可以利用红光与波长更高的光进行联合，在一定的区间检测氧合血红蛋白与血红蛋白，然后在数据处理的过程中，得到两者的对应关系，紧接着就可以得到血液中氧气的含量.光吸收特性如图2所示.

波长/nm图2 Hbo2与Hb的关系

血液中含有的氧合血红蛋白HbO2和血红蛋白Hb存在一定的比例[5]，图2表示了二者对波长600～1 000 nm的光吸收特性，从图中可以看出600～800 nm间Hb的吸收系数更高，800～1 000 之间HbO2的吸收系数更高.所以可以利用红光(600～800 nm)和接近IR(800～1 000 nm)的光分别检测HbO2和Hb的PPG信号，然后通过程序处理算出相应的比值，这样就得到了血氧值.

2 系统设计

健康监护系统平台总体功能模块结构主要包括MAX30102模块、OLED显示模块、STM32F103 C8T6控制器、手机App显示、蓝牙无线传输模块、电池.系统的总体结构如图3所示.

图3 系统总体结构

利用MAX30102模块于此系统，此模块可进行全面的血氧饱和度和心率检测并具备可以穿戴这一优点.与传统的心率血氧检测温度检测方法相比，该模块体积小、重量轻、功耗低、功能高度集成[6]，而且有一个专有的滤波器可以消除环境光的影响，内置18位ADC，完全满足监控系统设计的功能要求.MAX30102借助其特有的数据分析方法对其获得的数据进行准确无误的分析和加工.电路图如图4所示.

图4 数据采集电路

0.96英寸OLED显示屏接口形式是SPI，控制器通过程序模拟SPI时序控制液晶屏.

HC-05蓝牙模块工作在主从模式，此时HC05模块中Rxd和Txd对应性的和STM32F103中UART1口的Txd和Rxd接在一起.STM32F103C8T6通过串口中断控制HC-05模块和手机通信，把采集的生理参数信息发送给手机.本系统采用两节3.7 V干电池为电源，为了得到3.3 V电压，使用7805调节器把电压降为5 V，再用ASM1117把5 V转换为3.3 V.系统如图5所示.

图5 生理参数采集系统

3 数据处理与标度变换

光电容积脉搏描述法将这两束光打到手指上时接收器接收到的光强是与发射器发出的光强是不同的[8]，我们通过计算接收器接收到的两束光的光强来得到两束波的脉搏波信号，信号的采样频率为50 Hz，采样4 000个离散信号如图6所示.

采样点数图6 脉搏波离散信号

测量结果中，由于原始信号存在测量动作干扰[9].红光和红外光血液中吸光度的变化反映了血红蛋白含氧量的变化.这里需要注意的是，心率只需使用一个 LED 即可测量，例如IR，因为交流元件是唯一需要的信号.提取800个正常测量点，可以清楚地看到脉搏波的变化，趋势图如图7所示.

采样点数图7 脉搏波变化趋势图

此信号包含由动脉和毛细血管的体积变化光学调制的光[10]，此光(PPG) 信号在确定心率和 SpO2 电平时极为重要.然而在测量过程中有基线漂移、工频干扰、运动干扰等.为简化算法，使其更适合嵌入式设备应用场景[11]，对(工频)高频干扰采用滑动平均滤波法处理，该算法原理不再赘述，计算公式为：

(2)

式中：m为正整数；L=2m+1，为滤波器阶数，等于滑动窗口的宽度，L为奇数.

实验中滑动窗口宽度L=11时，截止频率约为5 Hz，滤波效果如图8所示.

采样点数图8 滑动平均滤波后的脉搏波

把血液流动对光吸收转变成了AC信号，如果进行FFT变换[12]，那么就能看到频域的特点.如图9所示，就是对PPG信号的FFT转变.图中的频域图，0Hz的信号很强，这部分是骨骼、肌肉等组织的DC信号[13-14].在0.01 Hz附近有个相对比较突出的信号就是血液流动转变的AC信号.假设测得到的频率f=0.012 Hz，那么心率HR≈83.

频率/Hz图9 经过FFT变换后的频谱图

血氧的标度变换是经过计算红光和红外光的吸光度比率然后通过经验拟合得到的，首先计算两种光的直流分量，直流分量是交流信号的偏移量，它可以通过对去燥处理后的信号连续的波谷值进行滑动平均，得到红光和红外光的直流分量.交流分量是峰值与直流值之间的距离，然后通过以下公式求出比率[15]:

(3)

如ACRED=116.25、DCRED=81 590.75、ACIR=314.740、DCIR=94 068.260，那么R≈0.43，SpO2=104-17R=96.8%.

4 误差分析

为了分析结果的精确度，使用该系统和ADINSTRUMENTS的生理数据标准化设备进行对比测量，该标准化设备如图10所示.测量对象是实验室的9名同学，为了减少环境对测量结果的影响，达到同时同地同样本测量，每名同学分别用左右手食指接触本系统和标准化设备的传感器，同时读出结果，通过读取5次取平均值，测量结果如表1.

图10 ADINSTRUMENTS的生理数据标准化设备

表1 检测结果误差分析

从检测结果可以看出，本系统的结果和生理信号标准化设备相对误差小于2%，误差分布基本服从正态分布，可以通过多次测量减小随机误差，粗大误差基本是由于外界环境的影响，比如：手腕移动、情绪波动或者测量时说话出声造成的.该测量结果说明本系统可以用于生理参数的嵌入式测量或者用于可穿戴设备.

5 结 论

本文依据光电容积描述法测量脉搏波的原理，选用MAX30102芯片设计了一种无线生理参数监测系统.设计过程中通过对硬件电路的设计和硬件调试，同时采用滑动平均滤波法完成了脉搏波信号的数据处理和对心率血氧的标度变换.测量结果和生理参数标准化设备的测量结果相近，通过标定对比，血氧饱和度测量范围35%～100%，分辨率为1%，精度为70%～100%±2%，心率测量范围0～150次/min，误差不超过1%，体温范围0～50 ℃，分辨率0.1 ℃，误差不超过0.2%.该系统还通过自定义串口传输协议完了串口蓝牙通讯，扩展了系统的应用范围.