吳潔 李凱揚

關鍵詞： 心率; 血氧飽和度; 朗博比爾定律; 經(jīng)驗定標; 三波長; AFE4404; 脈搏信號

中圖分類號： TN911.23?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）04?0010?04

Pulse and blood?oxygen detection system based on AFE4404

WU Jie， LI Kaiyang

（Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： In allusion to the problems of large output noise of the pulse acquisition circuit and poor antivibration performance of the current dual?wavelength blood oxygen monitor， an AFE4404?based circuit is designed to measure the heart rate， ?pulse and blood?oxygen saturation （SpO2）. The three?wavelength SpO2 calculation formula is obtained according to the Lambert?Beer law and empirical calibration method， and a detection system is designed by taking the formula as the model. In the design， the three?wavelength oximetry analog front?end AFE4404 chip of the TI Company is used to realize pulse signal acquisition in combination with the control unit. The autonomously?complied upper computer software is used to realize calculation of the heart rate and SpO2， and display of related waveforms. The results of the experimental verification and analysis show that the system can output pulse signals with small noise， and has high accuracy in measurement of the heart rate and blood oxygen.

Keywords： heart rate; blood?oxygen saturation; Lambert?beer law; empirical calibration; three?wavelength; AFE4404; pulse signal

心率及血氧飽和度是心血管疾病相關的生理參數(shù)，也是心血管疾病預防及臨床診斷非常重要的指標[1]。心腦血管疾病是心臟血管和腦血管疾病的統(tǒng)稱，是一種嚴重威脅人類健康的常見病[2]。目前臨床上使用的檢測設備主要為心電監(jiān)護設備，這些設備在血氧設計上多采用雙波長原理。經(jīng)臨床應用發(fā)現(xiàn)，這些監(jiān)護設備的測量精度和準確性受到血液灌注水平和運動干擾的限制[3?5]，存在抗震性差、準確性不夠理想的缺陷。為此本文主要介紹了基于三波長原理的脈搏血氧檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。本文以Aoyagi提出的基于光電容積描記法[6]與朗博比爾（Lambert?Beer）定律 [7]的多波長血氧模型[3]為基礎，自主設計出具有三波長血氧功能的檢測系統(tǒng)[7?8]。該系統(tǒng)采用了新的前端脈搏信號獲取電路和改進后的血氧飽和度計算公式[7]。最后將系統(tǒng)測量結果與康泰的CMS60商用兩波長血氧計（使用血氧模擬儀定標過的標準血氧計）的測量結果進行對比和分析，證明了本文設計系統(tǒng)的可行性。

1 ?三波長血氧飽和度檢測原理

三波長無創(chuàng)血氧飽和度檢測系統(tǒng)的基本原理是基于人體血液隨脈搏波動導致對光的吸收變化來實現(xiàn)相關計算。而光源的選擇依據(jù)為圖1中的血紅蛋白光吸收曲線[9]。通過對圖1分析可知測量光源波長選為660 nm和940 nm可使血氧飽和度的靈敏度最大。

為了實現(xiàn)血氧信號均衡，同時提高血氧儀的穩(wěn)定性，本文選擇805 nm波長作為參考光源。此波長為含氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白的等吸收點。相關計算方法則是依據(jù)光電容積描記法[6]，采集通過人體組織后透射的光電容積脈搏波信號，再根據(jù)Lambert?Beer定律[7]推導的公式進行計算。具體推導過程見文獻[7]，本文以文獻[7]中推導出的三波長經(jīng)驗定標公式作為模型，計算出SpO2值，其公式如下：

式中，SpO2，AC，DC分別表示血氧飽和度、脈搏波信號的交流分量和直流分量。交流分量為脈搏波信號的波峰值與波谷值之差，直流分量為脈搏波信號的波峰值，下標660，805，940為對應不同波長所得值。

2 ?系統(tǒng)概述

本文系統(tǒng)由指夾式探頭、信號采集部分、控制單元、電源處理電路及上位機軟件等部分組成。

圖2為系統(tǒng)整體框圖。探頭連接至AFE4404對應外部接口上，通過AFE4404內(nèi)部驅動電路可實現(xiàn)探頭中的三路發(fā)光二極管分時發(fā)光。AFE4404完成探頭輸出信號采集，并可對接收到的電流信號進行去直流，電流轉電壓、放大、濾波、A/D轉換等處理?？刂茊卧猄TM32F103微控制器是整個系統(tǒng)核心控制部分，主要負責調整探頭中LED燈的驅動電流強度，控制脈搏信號中電流的直流偏置及交流增益，完成數(shù)據(jù)的收集并通過串口將數(shù)據(jù)上傳至上位機軟件。通過自主編寫上位機軟件，實現(xiàn)心率及血氧的計算，三路脈搏波形、心率和血氧飽和度計算結果的顯示。電源處理電路負責給其他模塊提供所需工作電壓。

3 ?硬件設計

3.1 ?探頭部分

本系統(tǒng)使用指夾式探頭實現(xiàn)信號采集，圖3a）為探頭實物圖，該探頭由3個發(fā)光二極管（LED）及一個光電接管分別嵌入硅膠指套的上、下面組成。光線傳播路徑示意圖如圖3b）所示[10]，光電二極管接收透射光并將光信號轉換為微弱的電流信號。

3.2 ?信號采集部分

信號采集部分主要由AFE4404模塊完成，這是TI公司的一款面向光學生物傳感應用的模擬前端（AFE）。該模擬前端支持3個開關LED，1個光電二極管，具有去除直流偏置模塊、電流轉電壓模塊、濾波模塊、模/數(shù)轉換器（ADC）以及6位電流控制的全集成LED驅動器。

3.3 ?控制部分

主控芯片采用Cortex?M3內(nèi)核的STM32F103系列，主要參數(shù)如下，具有128 KB FLASH，20 KB RAM，1個I2C接口、1個SPI接口和2個串口，滿足現(xiàn)有需求。該主控單元在整個模塊設計中負責AFE4404的控制及脈搏信號的讀取及輸出。

4 ?軟件設計

固件實現(xiàn)具體流程圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后，首先完成各模塊的初始化，初始化完成后判斷探頭是否在位。探頭在位后判斷從AFE4404中讀出的數(shù)據(jù)是否超過設定閾值1，若沒超過閾值1，則手指插入探頭，修改AFE4404寄存器使LED高頻發(fā)光;手指在位條件下判斷ADC讀出的數(shù)據(jù)，判斷讀出值是否在閾值2范圍內(nèi)，若不在，則按相關算法調整AFE4404參數(shù)，直到滿足閾值2的條件。最后將處理好的信號打包上傳至上位機。相關算法的實現(xiàn)是將LED驅動電流設置在適當值的前提下，調整直流偏置與信號放大倍數(shù)。

5 ?結果討論

為對系統(tǒng)進行驗證分析，本文采用如下方法開展實驗：使用國際通用的Fluke Index 2兩波長血氧模擬儀檢測康泰的CMS60血氧儀的準確度;分別使用該系統(tǒng)與康泰的CMS60兩波長血氧儀同時測量同一實驗者，比較二者測得的心率和血氧值。圖5為實驗操作實物圖。

檢測康泰CMS60血氧儀準確度的具體實驗步驟如下：

1） 將血氧模擬儀的血氧值及灌注水平值均固定，將心率值從30～250按增量值為5依次增加，圖6a）顯示了血氧值為96%，灌注水平為5%條件下心率測量結果。當固定值為其他條件時所得結果基本一致。

2） 將血氧模擬儀的心率值及灌注水平固定，將血氧值在35%～95%之間按步進值為2%依次增加，在95%～100%之間按步進值為1%依次增加。圖6b）顯示了心率為75，灌注水平為5%條件下血氧值的測量結果，當固定值為其他條件時測量結果基本一致。

分析圖6可以得出：CMS60血氧儀的脈率范圍在30～250 BPM間誤差絕對值不超過2;血氧飽和度在85%～100%間誤差不超過1%，35%～85%間誤差不超過3%，具有較高的準確性和重復性，滿足臨床醫(yī)療儀器測量要求，可作為標準儀器對本文設計系統(tǒng)進行驗證分析。

最后將本文設計系統(tǒng)與康泰CMS60血氧儀同時測量多名健康實驗者的結果進行對比，具體實驗步驟如下：實驗選取了28名身體健康的志愿者，年齡在23～50歲，其中部分志愿者具有多年的抽煙史。在每個實驗者呼吸平穩(wěn)，正常坐立情況下分別使用該系統(tǒng)與CMS60進行測量。

為對實驗結果進行一致性分析，采用Bland?Altman法[11]。通過圖6中的數(shù)據(jù)分布情況以及計算2種測量結果的一致性界限，判斷結果的一致性。數(shù)據(jù)分析過程中將置信區(qū)間設為95%作為兩種方法測量的結果是否具有一致性的界限。經(jīng)28組數(shù)據(jù)可分別計算出兩種方法測量結果差值的均值[d]（平均偏倚）以及心率和血氧對應置信區(qū)間。經(jīng)計算心率的[d=0.107]，置信區(qū)間為-1.84～2.06;血氧飽和度的[d=-0.429]，置信區(qū)間為-1.88～1.03。圖7中顯示了兩種測量方法的心率和血氧飽和度的數(shù)據(jù)大部分均位于置信區(qū)間內(nèi)，表明兩種測量結果具有很好的一致性。此外，為量化評估測量結果，本文進一步使用相對精確度（Accuracy）和均方根誤差（RMSE）對測量結果進行計算。上述各參數(shù)的計算結果如表1所示。

統(tǒng)計分析結果表明，本文設計系統(tǒng)與標準血氧儀CMS60有很好的一致性。證明了本文設計系統(tǒng)準確性高，且穩(wěn)定性較好。

6 ?結 ?語

本文提出一種基于AFE4404的三波長脈搏血氧檢測系統(tǒng)。對該系統(tǒng)從工作原理，硬件電路的實現(xiàn)，軟件界面等方面進行了介紹。最后將本文系統(tǒng)與標準血氧儀CMS60進行對比試驗，通過對實驗結果的統(tǒng)計分析，得出通過采用三波長測量原理設計出的血氧飽和度檢測系統(tǒng)，結合AFE4404設計的脈搏信號獲取電路，可得到噪聲小的脈搏信號，并在確保精確性的前提下提高了血氧檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這有利于減少將來儀器在臨床使用時對病人的限制因素。由于條件限制，本文測量數(shù)據(jù)樣本有限，后期還需進一步做臨床實驗，獲取更多不同類型的樣本對該系統(tǒng)進行驗證分析。

注：本文通訊作者為李凱揚。

參考文獻

[1] 孔令琴.非接觸式生理信號檢測關鍵技術研究[D].北京：北京理工大學，2014.

KONG Lingqin. Research on the key technology of non?contact physiological signal detection [D]. Beijing： Beijing Institute of Technology， 2014.

[2] 陳偉偉，高潤霖，劉力生，等.中國心血管病報告2015概要[J].中國循環(huán)雜志，2016，31（6）：521?528.

CHEN Weiwei， GAO Runlin， LIU Lisheng， et al. 2015 summary report on cardiovascular diseases in China [J]. Chinese circulation journal， 2016， 31（6）： 521?528.

[3] 王曉飛，趙文俊.基于動態(tài)光譜法的多波長脈搏血氧飽和度測量[J].光譜學與光譜分析，2014，34（5）：1323?1326.

WANG Xiaofei， ZHAO Wenjun. Measurement of multi?wavelength pulse oxygen saturation based on dynamic spectroscopy [J]. Spectroscopy and spectral analysis， 2014， 34（5）： 1323?1326.

[4] 孫健.基于血氧飽和度的血供檢測儀研制[D].杭州：杭州電子科技大學，2014.

SUN Jian. Development of blood supply detector based on blood oxygen saturation [D]. Hangzhou： Hangzhou Dianzi University， 2014.

[5] VOLKOV M V， MARGARYANTS N B， POTEMKIN A V， et al. Video capillaroscopy clarifies mechanism of the photoplethysmographic waveform appearance [J]. Scientific reports， 2017， 7（1）： 13298.

[6] KAMSHILIN A A， SIDOROV I S， BABAYAN L， et al. Accurate measurement of the pulse wave delay with imaging photoplethysmography [J]. Biomedical optics express， 2016， 7（12）： 5138?5147.

[7] 黃迪，李凱揚.基于三波長肝臟儲備功能檢測儀的血氧飽和度算法研究[J].生物醫(yī)學工程研究，2017，36（2）：121?125.

HUANG Di， Li Kaiyang. Study on the algorithm of blood oxygen saturation based on three?wavelength liver reserve function detector [J]. Journal of biomedical engineering research， 2017， 36（2）： 121?125.

[8] 徐澤鵬，馬騰飛，李凱揚.三波長肝儲備功能檢測系統(tǒng)的設計[J].中國組織工程研究，2013，17（5）：902?906.

XU Zepeng， MA Tengfei， LI Kaiyang. Insight into the three?wavelength hepatic reserve function detection system [J]. Chinese journal of tissue engineering research， 2013， 17（5）： 902?906.

[9] 陳春曉，劉建業(yè)，衡彤，等.智能化無創(chuàng)血氧飽和度檢測系統(tǒng)的研究[J].南京航空航天大學學報，2002，34（4）：372?376.

CHEN Chunxiao， LIU Jianye， HENG Tong， et al. Intelligent system for noninvasive measurement of blood oxygen saturation [J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2002， 34（4）： 372?376.

[10] 張曉楓.基于ICG色素譜分析的光電肝儲備功能檢測方法研究及系統(tǒng)實現(xiàn)[D].長春：吉林大學，2016.

ZHANG Xiaofeng. Research on the detection method of photoelectric liver reserve function based on ICG color spectrum analysis and its system realization [D]. Changchun： Jilin University， 2016.

[11] GIAVARINA D. Understanding Bland Altman analysis [J]. Biochemia medica， 2015， 25（2）： 141?151.