適用監(jiān)護(hù)場景的體征參數(shù)測量系統(tǒng)設(shè)計

龐宇　周興悅　陳亞軍

摘 ?要： 隨著越來越多的人將目光轉(zhuǎn)移到對疾病的早期預(yù)防和診斷上面來，單一的體征參數(shù)測量已經(jīng)不能滿足人們?nèi)粘１O(jiān)護(hù)的需求，以此為背景，設(shè)計一種多體征參數(shù)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)STM32為控制核心，利用MAX30102血氧傳感器采集人體光電容積脈搏波，同時對脈搏波信號進(jìn)行特征提取，檢測血氧飽和度和心率。血壓測量基于示波法原理，采用高斯擬合和變幅度系數(shù)法求取舒張壓和收縮壓。經(jīng)過對實驗者的測試，證明該系統(tǒng)測量的血氧飽和度檢測誤差在±3%以內(nèi)，心率檢測最大誤差±6次/min，血壓精度符合ANSI/AAMI標(biāo)準(zhǔn)，滿足日常使用需求。

關(guān)鍵詞： 體征參數(shù)測量; 脈搏波信號; 特征提取; 血壓測量; 系統(tǒng)測試; 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： TN911.23?34; TP318.6 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）24?0055?05

Design of physical sign parameter detection system for monitoring scene

PANG Yu， ZHOU Xingyue， CHEN Yajun

（School of Optoelectronic Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China）

Abstract： As more and more people turn their attention to the early prevention and diagnosis of diseases， the detection of a single physical sign parameter can no longer meet the needs of people′s daily monitoring. On this basis， a detection system of multi physical sign parameters is designed. In this system， the single?chip STM32 is used as its control core， and the MAX30102 blood oxygen sensor is used to collect the photoplethysmography of the human body and perform the feature extraction of the pulse wave signal meanwhile to detect the blood oxygen saturation and heart rate. The blood pressure detection is based on the principle of oscillography. The diastolic pressure and systolic pressure are obtained by means of the Gaussian fitting and variable amplitude coefficient method. After giving a test to the experimenter， it is proved that the detection error of blood oxygen saturation detected by this system is within ±3%， the maximum error of heart rate detection is ±6 times / min， and the accuracy of blood pressure meets the ANSI / AAMI standard， which meets the needs of daily use.

Keywords： physical sign parameter detection; pulse wave signal; feature extraction; blood pressure measurement; system testing; system design

生活節(jié)奏的加快使得越來越多的人更加重視健康問題，健康管理理念也發(fā)生了變化，從以前的醫(yī)院臨床就醫(yī)轉(zhuǎn)移到對疾病的預(yù)防和診斷上面來。便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備不受時間和場所的限制，用戶使用這種設(shè)備可以實時監(jiān)測自己的體征參數(shù)，可提高對疾病預(yù)防的能力[1]。因此，本文設(shè)計一種多體征參數(shù)測量系統(tǒng)，可以同時采集人體的血氧、心率、血壓，能夠讓用戶了解自己的身體狀態(tài)，對于日常醫(yī)療監(jiān)護(hù)具有一定的實用價值。

1 ?體征參數(shù)檢測原理

1.1 ?血氧飽和度檢測原理

現(xiàn)代無創(chuàng)血氧飽和度檢測是以朗伯?比爾定律為基礎(chǔ)，采用光電容積脈搏波描記法，利用人體組織與血液中物質(zhì)對光吸收程度的不同，對反射或透射回來的光強(qiáng)信息進(jìn)行采集和分析，進(jìn)而測量血氧飽和度[2]。根據(jù)光源檢測器放置位置的不同，分為反射式和透射式，本文采用反射式檢測方法，如圖1所示。

根據(jù)朗伯?比爾定律和擴(kuò)散理論[3]，可以得到反射式血氧飽和度計算公式：

[SpO2=A-BR]

式中：[R=（Iλ1ACIλ1DC）（Iλ2ACIλ2DC）]，[IλDC]和[IλAC]分別是入射光的直流分量和交流分量;通過對A，B的定量標(biāo)定，最終得到血氧飽和度值[4]。

1.2 ?示波法原理

血壓的測量主要分為直接測量法和間接測量法[5]。直接測量法能夠準(zhǔn)確地反映血壓值，但是會對受測者造成一定的創(chuàng)傷，不具有普適性[6]。間接測量法主要有示波法和柯氏音法，示波法的原理是通過給袖帶充氣阻斷動脈血流，使袖帶壓力上產(chǎn)生一個重疊的振蕩脈搏波，然后利用脈搏波振幅與袖帶壓力之間的關(guān)系來估計血壓[7]。示波法通常分為幅度系數(shù)法和波形識別法。幅度系數(shù)法通常分為S判別法和比例系數(shù)法[8]。S判別法：通過尋找脈搏波幅值最大點對應(yīng)的壓力值求得平均壓（MP），再對整個脈搏波波幅進(jìn)行積分并除以周期，所對應(yīng)的壓力值即收縮壓（SP），然后通過求平均壓和收縮壓的差值得到舒張壓（DP）。比例系數(shù)法：通過尋找脈搏波波幅最大值與收縮壓和舒張壓處對應(yīng)幅值的比例關(guān)系來確定血壓值[9]，其關(guān)系可表示為[Ks=SPMP]，[Kd=DPMP]，其中系數(shù)[Ks]，[Kd]的取值范圍分別在0.3～0.75和0.45～0.90。幅度系數(shù)法的核心問題在于對比例系數(shù)[Ks]和[Kd]的選擇，由于[Ks]，[Kd]容易受到外界各種客觀因素的影響，因此普適性較差[10]。

1.3 ?心率檢測原理

心率和脈率的相關(guān)性極高，因此可以通過計算脈率來確定心率[11]。心臟周期的跳動產(chǎn)生脈搏波，計算脈率時，只要定位PPG信號中的2個波峰，再通過確定2個波峰間的采樣點數(shù)m和采樣頻率f即可計算出脈率[12]，脈率P計算公式如下：

[P=60·fm]

脈搏波計算原理如圖2所示。

2 ?硬件電路設(shè)計

考慮到裝置的使用便利性，應(yīng)充分控制裝置的體積大小，利用集成度高的器件代替部分復(fù)雜電路模塊，減小電路板的尺寸。硬件總體設(shè)計如圖3所示，整個硬件電路主要包括血氧采集模塊、血壓采集模塊、血壓信號處理模塊、電源模塊。血氧采集模塊采集光電容積脈搏波，用于計算血氧飽和度和心率;血壓采集模塊用于驅(qū)動氣泵和電磁閥對腕部氣帶充放氣;血壓信號處理模塊對壓力傳感器信號進(jìn)行放大。

2.1 ?壓力傳感器驅(qū)動電路

壓力傳感器選用全磊公司的MPS?3110系列傳感器，該傳感器具有輸出精度高、功耗低等特點，通過數(shù)據(jù)手冊可知，可利用恒流源驅(qū)動，壓力測量的范圍為0～300 mmHg。壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4a）所示，主要由惠氏電橋構(gòu)成，本文設(shè)計的傳感器驅(qū)動電路如圖4b）所示，恒定電流源利用OPA2336為核心進(jìn)行設(shè)計，利用正相端提供3.3 V輸入電壓，反相接入端3.3 kΩ電阻，使電流輸出為1 mA，供傳感器使用。

2.2 ?氣泵和電磁閥控制電路

本文設(shè)計選用DQB032?A型氣泵和DQF1?3C電磁閥，利用3 V電壓驅(qū)動。氣泵充氣速度最大充氣壓力值可達(dá)360 mmHg，電磁閥能夠在3 s內(nèi)將壓力值從280 mmHg降至15 mmHg。為了滿足快速加壓和緩慢放氣的需求，選用TB6612FNG直流電機(jī)驅(qū)動器件來增強(qiáng)對電機(jī)和電磁閥的控制能力，如圖5所示。該器件為雙通道電路輸出，可以同時驅(qū)動2個電機(jī)，并且擁有4種控制模式，PWM支持的頻率高達(dá)100 kHz，通過單片機(jī)I/O口輸出PWM波的占空比來控制充氣放氣速率。

2.3 ?信號放大電路

氣壓傳感器輸出的模擬信號十分微弱，因此需要進(jìn)行放大電路設(shè)計。本文設(shè)計選用運算放大器LM324實現(xiàn)信號的放大，該器件由4個獨立的運算放大器組成，無需外接補(bǔ)償電路。信號放大電路如圖6所示，通過外部電阻[R22]使運放偏置，電路的電壓放大倍數(shù)由[Au=1+R24R23]，確定為51倍。

2.4 ?血氧采集控制電路

本文設(shè)計選用MAX30102生物傳感器檢測人體指尖血氧，該傳感器基于反射式原理檢測PPG信號，內(nèi)部集成了光源發(fā)射電路、光電傳感器、環(huán)境光抑制電路、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)緩存FIFO，工作功耗低至1 mW。傳感器外部電路簡單，如圖7所示，通過SCL、SDA、INT連接線與主控芯片相連實現(xiàn)I2C通信傳輸數(shù)據(jù)。

MAX30102傳感器通過發(fā)射固定頻率的紅光和紅外光實現(xiàn)血氧檢測，傳感器中的光電傳感器采集的模擬信號經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存入內(nèi)部FIFO，通過INT事件拉低管腳電平，使主控芯片讀取緩存數(shù)據(jù)。

3 ?軟件設(shè)計

裝置的軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)初始化、血氧信號采集與處理、袖帶的充放氣控制、血壓信號的分析4個部分。系統(tǒng)的軟件設(shè)計整體流程如圖8所示。

3.1 ?血氧信號采集與處理

血氧信號采集與處理軟件流程如圖9所示。通過血氧傳感器MAX30102的采集值判斷是否有手指置于傳感器，當(dāng)判定手指接觸傳感器后，采集500點體征信號。血氧信號的處理主要包括去除基線漂移和體征參數(shù)特征點的提取。

由于采集過程中存在因肢體抖動等行為，會對體征參數(shù)特征提取產(chǎn)生干擾，因此需要對原始血氧信號進(jìn)行去基線漂移。選取形態(tài)學(xué)濾波的方法去除基線漂移，主要方法為：選擇形狀與待處理信號形狀相似的結(jié)構(gòu)序列，利用開運算和閉運算得到基線信號，從原始信號中減去基線信號即可對基線漂移進(jìn)行修正。

處理后的血氧信號需要進(jìn)行特征提取來計算血氧飽和度，包括定位主波波峰、波谷，極值點包絡(luò)法分離體征信號交直流分量。其中，波峰、波谷的定位是最重要的部分，采用差分閾值法，主要步驟有：

1） 通過差分乘積運算判定極大值點和極小值點;

2） 根據(jù)采樣頻率設(shè)定合適的閾值，若相鄰間的極大值點和極小值點的距離大于閾值時，則2個極值點均可判定為波峰或波谷;若相鄰間的極大值點和極小值點的距離小于閾值時，比較極大值和極小值的大小，尋找出里面的較大者和較小者，較大者可以確定為波峰，較小者確定為波谷，完成定位。

3.2 ?血壓信號采集與處理

血壓信號采集與處理軟件流程如圖10所示，通過單片機(jī)輸出PWM波控制氣泵將腕帶壓力加壓到200 mmHg，經(jīng)過電磁閥緩慢減壓之后存儲經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的壓力脈搏波信號，血壓信號的處理主要包括對脈搏波的預(yù)處理、特征點的定位及信號包絡(luò)的擬合。

腕帶靜壓力和振蕩脈搏波的分離是血壓計算的關(guān)鍵步驟。由于靜壓力信號和振蕩脈搏波信號分別集中在不同的能量范圍，因此設(shè)計FIR低通濾波器和帶通濾波器實現(xiàn)信號的分離。分離的腕帶壓力和脈搏波信號如圖11所示。

示波法是通過尋找擬合曲線的最大幅值來確定平均壓，進(jìn)而確定對應(yīng)位置的收縮壓和舒張壓，因此需要對脈搏波波形的波峰和波谷進(jìn)行定位，定位算法可以采用定位血氧信號波峰波谷的差分閾值法。定位的效果如圖12所示。

考慮到在測量過程中會因為肢體的抖動而造成虛假的峰谷點，因此選擇將相鄰的峰谷相減作為特征點，選用高斯函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合效果如圖13所示。

由于固定幅度系數(shù)法對個體的適應(yīng)性較差，針對不同的個體需要選擇不同的比例系數(shù)，會導(dǎo)致血壓計算誤差變大。本文設(shè)計選取變幅度系數(shù)法實現(xiàn)對血壓的判定，具體方法為：通過擬合曲線搜索振蕩脈搏波幅值最大的位置來確定平均壓（MP），對不同的平均壓選擇不同的比例系數(shù)[K1，K2]，利用公式[SPMP=K1]，[DPMP=K2]，進(jìn)而確定收縮壓（SP）和舒張壓（DP）。

4 ?實驗結(jié)果分析

通過血氧傳感器提供的待定擬合系數(shù)，完成血氧飽和度計算公式的標(biāo)定，計算出血氧飽和度，利用光電容積脈搏波主波波峰計算心率;對于血壓計算，考慮到單片機(jī)的計算能力有限，設(shè)計一階高斯擬合函數(shù)，結(jié)合變幅度系數(shù)法判定收縮壓和舒張壓。圖14所示分別是體征參數(shù)采集板和樣機(jī)。

為了評估實驗裝置的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，以邁瑞多體征參數(shù)監(jiān)測醫(yī)療設(shè)備為參考，選取8名志愿者在正常狀態(tài)下，分別用實驗裝置對測試者的心率、血氧飽和度、血壓進(jìn)行測量，將測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表1所示。

由表1可知，心率的平均誤差在4次/min以內(nèi)，最大誤差在6次/min以內(nèi);血氧飽和度的平均誤差在1.75%以內(nèi)，最大誤差在3%以內(nèi);收縮壓平均誤差3.50 mmHg，誤差標(biāo)準(zhǔn)差1.12 mmHg;舒張壓平均誤差4.25 mmHg，誤差標(biāo)準(zhǔn)差1.71 mmHg，滿足ANSI/AA?MI國際標(biāo)準(zhǔn)。

5 ?結(jié) ?語

本文針對日常醫(yī)護(hù)監(jiān)測場景，設(shè)計一款多體征參數(shù)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有測量心率、血氧飽和度、血壓的功能，利用較少的外部硬件設(shè)計實現(xiàn)了人體生理參數(shù)的采集，通過軟件設(shè)計實現(xiàn)了體征信號的處理和參數(shù)的計算，測量精度符合醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)膊☆A(yù)防起到重要輔助作用。

注：本文通訊作者為周興悅。

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作者簡介：龐 ?宇（1978—），男，博士，教授，主要研究方向為通信集成電路設(shè)計、無線通信和智慧醫(yī)療。

周興悅（1995—），男，碩士研究生，主要研究方向為人體信號采集與處理。