甘永進，李瓊△,鄭金存△，楊小鳳,甘國妹,蔣曲博

(1.玉林師范學院 電子與通信工程學院，廣西 玉林 537000; 2. 桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004)

1 引 言

血氧飽和度(SPO2)是健康狀況評估的重要生理參數(shù)。較傳統(tǒng)的有創(chuàng)檢測方法，基于光電式的血氧飽和度檢測不需采血，避免生理疼痛，快速、可連續(xù)監(jiān)測，受到普遍青睞[1]。其中基于透射式檢測方法的血氧儀發(fā)展較為成熟，在臨床中得到推廣。但受透射式光電傳感器的限制，不能對額頭、腹部等部位進行檢測[2]，且長時間的測量會使檢測部位受到壓迫而帶來測量誤差。而基于反射式檢測方法的血氧儀可避免測量部位受限，但因反射式血氧脈搏信號較微弱，易受到干擾，對系統(tǒng)的可靠性帶來影響。本研究基于反射式檢測方法，選用光電反射式傳感器DCM03結合血氧模擬前端AFE4490實現(xiàn)對光電容積脈搏波(PPG)的采集，取代了傳統(tǒng)分立元件搭建系統(tǒng)的復雜的外圍模擬電路設計，不但完成脈搏血氧信號的采集、預處理和顯示，也使整個系統(tǒng)的體積小便于攜帶，功耗更低。設計突變點剔除算法、低通濾波器以及形態(tài)學濾波分別對突變點、高頻隨機噪聲和基線漂移進行抑制，設計差分閾值判斷極值點后通過曲線插值的方法補充PPG信號包絡線并獲取信號交直流分量以進行血氧值的計算，實驗證明，系統(tǒng)計算量小、實效性高，有一定的可靠性，對生理健康檢測及評估設備(如血氧儀、心電計、肝儲備功能)[3]的研制提供一定參考依據。

2 硬件設計

指尖脈搏波采集系統(tǒng)的設計結合了反射式脈搏傳感器DCM03和血氧模擬前端AFE4490[4-6]，其中，DCM03在一塊單片上集成了雙波長發(fā)射器(LED，波長905 nm紅外光/660 nm紅光)和高靈敏度的光電二極管(PD)接收器，而AFE4490在一塊單片上集成探頭驅動模塊、時序控制模塊、AD轉換模塊、放大濾波模塊和I-V轉換模塊以及可控制LED開路和短路檢測的LED故障診斷電路等，將傳統(tǒng)血氧飽和度檢測必須的模塊全部集成在一個體積很小的單片上，擯棄了傳統(tǒng)的外圍電路[7]設計，避免使用分立元件帶來的系統(tǒng)體積龐大，電路調試困難、耗能大、便攜性差的缺點。由AFE4490的LED傳輸通道時序控制DCM03雙波長光發(fā)射器的發(fā)光頻率和發(fā)光強度，雙波長發(fā)光管發(fā)出光線照射到手指后在組織表面發(fā)生漫反射，DCM03的光接收器采集部分的反射信號即指尖血液的光感應信號，將光信號轉變?yōu)殡娏餍盘?，再由集成模擬前端AFE4490的PD接收通道進行I-V轉換、初步放大、光電信號矯正、濾波處理以及A/D轉換等操作得到脈搏波數(shù)字信號[8]，最后由SPI接口輸出至MCU模塊進行如數(shù)字信號處理、提取信號交流分量以及計算參數(shù)等后續(xù)處理。指尖脈搏信號采集系統(tǒng)框圖見圖1。

3 軟件設計

3.1 PPG抗干擾處理算法

系統(tǒng)采集到的原始光電容積脈搏波PPG信號受到各種噪聲的干擾，信噪比較低，對后續(xù)特征提取以及血氧計算的準確性帶來影響，故須對原始PPG信號進行數(shù)字信號處理以獲得完整性好、信噪比高的光電容積脈搏波數(shù)字信號。本研究針對信號突變點、高頻隨機噪聲以及基線漂移分別設計突變點剔除、低通濾波和形態(tài)學方法濾波對原始光電容積脈搏波進行抗干擾處理[9-10]。

圖1 系統(tǒng)的硬件設計框圖

3.1.1突變點剔除 原始光電容積脈搏波信號中，某時刻幅值發(fā)生突變引起信號不連續(xù)性的采樣點稱突變點。為剔除突變點，本研究設計五點查找代替法對原始光電容積脈搏波信號進行數(shù)字信號處理，算法處理過程框圖見圖2。

圖2 五點查找代替法處理框圖

3.1.2低通濾波器設計 原始PPG信號受到工頻噪聲等高頻信號的干擾，考慮到脈搏波信號頻率主要集中在0.1～10 Hz之間，為提高信噪比以提升系統(tǒng)可靠性，盡可能濾除高頻噪聲的同時較完整的保留有用信號，本研究設計截止頻率為11 Hz的低通濾波器對高頻噪聲進行濾除，幅頻響應特性見圖3。

3.1.3形態(tài)學濾波 設采樣得到的原始一維脈搏信號為f(n)，定義域為F={0，1…，N-1}，結構元素為g(n)，定義域為G={0，1…，M-1}，且M

圖3 低通濾波器幅頻響應特性

(1)

(2)

據此，由腐蝕與膨脹運算組成開、閉運算見式(3)和式(4)：

(fog)(n)=(fΘg○+g)(n)

(3)

(f·g)(n)=(f○+gΘg)(n)

(4)

一般閉運算用于填充細小空洞，實現(xiàn)平滑或抑制信號波谷噪聲；而開運算可用于斷開窄小的連接，消除微小的尖刺，濾除信號峰值噪聲，平滑信號邊界輪廓。常采用形態(tài)開、閉的級聯(lián)形式對信號進行處理[11]。傳統(tǒng)形態(tài)開-閉和閉-開運算以不同順序級聯(lián)開閉運算，定義見式(5)、(6)：

Foc(f，g)=fοg·g

(5)

Fco(f，g)=f·gοg

(6)

因形態(tài)閉運算的反擴展性和形態(tài)開運算的擴展性，式(5)、式(6)定義的兩種傳統(tǒng)的濾波器都存在統(tǒng)計偏移現(xiàn)象，即對于開-閉濾波器而言，最后的輸出幅度偏??；但對于閉-開濾波器而言，最后的輸出幅度偏大，在一般情況下，單獨使用得到的濾波效果都不是最佳的。欲有效地抑制采集到的脈搏信號中的不同噪聲，減小最終輸出的單向偏移，由兩種濾波器的平均組合形式，將形態(tài)開閉-閉開濾波器定義見式(7)：

Foc-co(f，g)=(fοg·g+f·gοg)/2

(7)

欲將統(tǒng)計偏移現(xiàn)象更深一層地減小，根據不同尺寸的結構元素，定義廣義開-閉和閉-開濾波器見式(8)、式(9)：

FOC(f,g1,g2)=fοg1·g2

(8)

FCO(f,g1,g2)=f·g1οg2

(9)

較傳統(tǒng)的形態(tài)濾波器，廣義形態(tài)濾波器能夠對信號中的各種噪聲進行有效的抑制。

為校正基線漂移，本研究通過尺寸不同的結構元素的開-閉和閉-開運算組合進行處理。首先，設原始脈搏血氧信號為x(n)，對受基線漂移干擾的x(n)進行廣義形態(tài)閉-開運算處理；然后將x(n)進行廣義形態(tài)開-閉運算處理；之后，再把以上兩個步驟的結果進行求和平均，得到基線分量；最后，將x(n)與基線作差，得到校正基線后的信號y(n)，形態(tài)學去除基線漂移框圖見圖4。

圖4 去除基線漂移框圖

系統(tǒng)采集的原始脈搏信號、經突變點剔除、低通濾波器及形態(tài)學濾波后的波形見圖5。其中，原始信號圖中圈出的部分為突變點，相比剔除前的信號，經過5點查找替代法處理后的信號，突變點基本被剔除；剔除突變點后的信后經過低通濾波器后，高頻噪聲被抑制，信號更平滑；而經過形態(tài)學濾波處理后，信號的基線更平穩(wěn)。

3.2 PPG信號特征提取

3.2.1PPG極值點的判斷 計算血氧值的前提是求解PPG信號的交直流分量，而提取交直流分量須定位PPG信號的極值點，由此獲取包絡線，從而求得交直流分量以計算血氧飽和度值。

本研究設計差分閾值判斷法判定PPG極值點。首先將原始PPG信號進行差分運算，然后找尋差分信號的非0值，再進行極大值判定并保存極大值的位置和幅值信息。因相鄰峰值間存在一個谷值點，即極小值，故可從相鄰兩個極大值點的位置和幅值信息中找出極小值點，極值點判定圖見圖6。從圖6可見，信號中的極值點基本被查找出來，為后續(xù)獲取PPG信號包絡線做了準備。

3.2.2PPG信號包絡線 為求取PPG信號的交直流分量，須獲取信號包絡線，補充數(shù)據點將各個極值點進行連接。本研究采用曲線插值法，以極值點為信號基本點，原始信號數(shù)據點數(shù)為長度，對極值點進行曲線插值，填補缺失的包絡線數(shù)據，將數(shù)據點擴充到原始信號長度。信號包絡線上下值之差即交流分量，而上包絡線值對應直流分量，得到兩路交直流分量后，求解交直流分量比，進而可進行血氧飽和度的估算。本研究獲取的信號包絡線見圖7。

圖5各階段波形圖

Fig5Waveformofdifferentprocessingstages

圖6 PPG信號極值判斷

圖7 PPG信號包絡線

4 實驗結果

為驗證該系統(tǒng)的可行性，本研究采用歐姆龍透射式血氧儀與本系統(tǒng)對測試者同時進行檢測以分析該設計的準確性。其中，以歐姆龍透射式血氧儀測得數(shù)據作為真值，本設計測量數(shù)據為測值。在室溫25℃下，對年齡(19～35)各不相同5名男性和5名女性測試者分別在靜息狀態(tài)及適當運動后進行實驗，測試過程中，測試者保持平穩(wěn)、端正的坐姿，避免身體過大幅度的晃動，測試者同時使用歐姆龍血氧儀以及本設計進行檢測，實驗所得血氧和脈率數(shù)據見表1。

表1 實驗測量數(shù)據

由表1知，本系統(tǒng)測得血氧值和脈率值與真值之間均保持較好的一致性，兩組數(shù)據的相對誤差均保持在3%以內，基本滿足臨床上要求誤差范圍在±3%以內要求。

5 結論

本研究結合光電反射式傳感器DCM03和血氧集成模擬前端AFE4490設計了一套基于反射式檢測方法的血氧測量系統(tǒng)，解決了透射式血氧測量設備受使用范圍限制的難題。實驗結果表明本系統(tǒng)性能穩(wěn)定、便于攜帶且精度較高，具有一定的可靠性及參考價值。下一步工作的重點是進一步完善軟硬件設計，使系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾的能力更強，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(jiān)護和診斷功能，讓診斷更及時、監(jiān)護工作更便捷。