穿戴式抗干擾血氧飽和度采集裝置設計

重慶郵電大學光電工程學院 吳 優 龐 宇 黃博強 彭良廣

穿戴式抗干擾血氧飽和度采集裝置設計

重慶郵電大學光電工程學院 吳 優 龐 宇 黃博強 彭良廣

在消防營救和長時間有氧運動中,由于缺乏對生理參數的及時獲取,時常造成嚴重的人員傷亡.為此,本文設計了一種以手套為載體的穿戴式血氧飽和度采集系統,利用反射式探頭采集脈搏波信號,經由STM32L151單片機進行數據處理,并引入雙樹復小波變換和形態學濾波去除噪聲干擾和基線漂移,最后通過藍牙發送至手機端app獲取生理參數.經測試,裝置體積微小,佩戴方便,具備低功耗與抗運動干擾能力,并且和標準監護儀相比血氧飽和度平均誤差不超過2%.

穿戴式;血氧飽和度;雙樹復小波變換;形態學濾波;抗運動干擾

0 引言

血氧飽和度作為一項重要的生理參數,它間接反映出人體細胞的新陳代謝狀態.

據統計,我國每年有近30名消防員犧牲,超過300人受傷致殘;在運動領域,每年也有近150人發生心源性猝死.由于高危高壓的消防營救與過勞性的"有氧運動"時常使身體處于缺氧狀態,若長時間得不到恢復則會對生命造成嚴重危害.

出于對生命安全的考慮,消防和運動領域對于血氧飽和度的實時檢測尤為重要.目前,市面上存在的血氧飽和度檢測裝置主要運用于醫院監護和家庭監護,在靜態環境下具有較高的準確性,但在消防施救和運動過程中則存在很大局限.

考慮到裝置的便攜性、實時性、續航時間,以及抗運動干擾能力,本文提出了一種新的解決方案:通過佩戴內嵌微型裝置的手套即可完成血氧飽和度和脈率的采集,并利用藍牙將數據發送至手機端,再通過手機推送至后臺,從而達到檢測與反饋的目的.

1 總體系統設計

裝置采用透射式血氧探頭采集脈搏波信號,采集點為指尖部位.探頭內置于一個能完全裹住手指第一關節的橡膠套中,由于橡膠材質的伸縮性,因而可以使探頭很好的貼合于皮膚表面,而不會因為手指的活動致使探頭移位.微型電路模塊內藏于手套背部口袋,由于體積微小,佩戴手套后不會對消防和運動人員造成任何不便和影響.系統總設計框圖如圖1所示.

圖1 系統總設計框圖

2 硬件設計

裝置硬件部分主要分為電源管理模塊、脈搏波信號采集模塊、單片機控制和處理模塊、藍牙模塊.硬件整體框圖如圖2所示.

2.1 單片機控制電路

本設計選擇低功耗微處理器STM32L151CBT6,其運用了ST自主研發的130nm的超低漏電工藝技術,具備先進的超低功耗模式、優化的動態運行功耗以及特殊的安全性能,在高性能和超低功耗之間取得了很好的平衡.控制電路如圖3所示.

圖2 硬件整體框圖

圖3 單片機控制電路

單片機系統時鐘采用HSI,以16Mhz頻率運行;程序下載方式為SWD;引腳red_on、ir_on、LEDir、LEDred與脈搏波信號采集電路相連,在通用定時器的時序下控制紅光和紅外光的交替產生;引腳OUT用于捕獲每一次光強探測器傳回的原始脈搏波信號;RX與TX則為UART串口收發引腳,負責將處理完的數據傳輸給藍牙模組.

2.2 脈搏波信號采集電路

脈搏波采集電路由兩部分組成:一是由三極管和電阻構成的驅動電路,二是由二極管和光強探測器組成的信號采集電路.如圖4所示.

圖4 脈搏波信號采集電路

三極管的型號為S9012與S9013,起電流放大的作用,以驅動二極管發光.

考慮到氧合血紅蛋白(oxyhemoglobin,HbO2)與脫氧血紅蛋白(deoxyhemoglobin,Hb)對不同波長的光吸收度不同,而在波長660nm與940nm處區別最大[1],因此選擇既能發出紅光(波長660nm)又能發出紅外光(波長940nm)的雙光源led,其由兩個極性相反的led組合封裝而成,具有兩個引腳,型號為EZDL-R660/IR905.

光強探測器為TSL235R型光頻轉換傳感器,其頻率響應范圍為320nm至1050nm,可以將接收到的光轉換成一定頻率的數字信號,由輸出管腳發送給單片機捕獲和處理.

3 軟件設計

軟件設計包括脈搏波信號的采集、傳輸、處理、計算和發送.其流程如圖5所示.

圖5 軟件流程圖

程序首先初始化各模塊,包括配置系統與各外設時鐘;配置I/O口的輸入、輸出、復用等模式;配置定時器及其中斷模式;配置ADC與DMA傳輸方式;初始化UART串口等.

led時序由定時器控制,以12ms為1個周期采集兩組脈搏波信號,其中紅光與紅外光分別點亮2ms,其余時間處于熄滅狀態,以降低功耗;當led點亮時,單片機的TIM4_CH2通道也開始捕獲數據,如此循環采集2000組數據后統一進行處理,最后將處理完的數據代入公式計算出血氧飽和度和脈率.

UART與藍牙模組相連,當單片機計算完成后即通過串口將數據傳輸給藍牙,藍牙再將數據發送給手機端顯示出血氧飽和度和脈率值,最后推送至后臺.

電池電量檢測運用到A/D轉換,當檢測出電量低于預設值時,利用串口向手機發送低電量提醒,一定時間后采取自動關機.

4 數據處理與計算

4.1 信號處理

4.1.1 形態學濾波

正常情況下信號的中心線為直線,但實際波形里中心線往往隨時間上下擺動,稱其為基線漂移.基線漂移的實質是信號直流分量不穩定,主要由人體自身的呼吸運動,以及探測器與皮膚之間接觸位移所致[2].采用形態學濾波可以消除基線漂移.

形態學濾波是一種非線性濾波技術,算法核心為通過腐蝕、膨脹、形態開和形態閉等運算[3],濾除脈搏波信號特征波形,再利用原始信號減去剩下的基線漂移信號,從而得到直流分量穩定的正常信號.

腐蝕是一種使邊界向內收縮的過程,而膨脹則使邊界向外擴張.信號f關于結構元素g的腐蝕、膨脹運算分別如下:

若對信號先腐蝕,再膨脹,則為開運算,公式如下:

若對信號先膨脹,再腐蝕,則為閉運算,公式如下:

開運算能夠去除毛刺與孤立的小點,閉運算則能填合孔洞與彌補縫隙.形態學濾波通過形態開閉和形態閉開運算的組合達到濾波的效果,其流程如圖6所示.

圖6 形態學濾波流程圖

4.1.2 雙樹復小波變換

雙樹復小波變換(dual-tree complex wavelet transform,DTCWT)最初由Kingsbury提出[4],后又經Selesnick等人不斷完善[5].

DTCWT基于離散小波變換,但克服了其平移敏感性與易造成頻率混疊的缺陷[6].具體形式為采用二叉樹結構的雙路離散小波變換并行分解和重構信號,左子樹L對應實部,右子樹R對應虛部,分別包含一組低通和高通濾波器,兩組濾波器可構成Hilbert變換對,使雙樹復小波變換近似解析[7].變換原理如圖7所示.

圖7 DTCWT原理圖

實樹與虛樹對應濾波器之間的延遲相差一個采樣間隔,虛樹的采樣位置始終位于實樹的中間,以使雙樹抽取所得數據成互補關系,從而降低信息的丟失,實現近似平移不變性[8].

雙樹復小波變換通過分解脈搏波信號各層的低頻小波系數,再利用閾值去除高頻小波系數中所含的噪聲成分,然后將分解的低頻小波系數和閾值處理后的高頻小波系數進行信號重構,從而得到去除噪聲的光電容積脈搏波信號.

4.2 數據計算

血氧飽和度(SpO2),即血液中氧合血紅蛋白占全部可結合的血紅蛋白的百分比.其原始計算公式為:

利用朗伯比爾定律與光電轉換原理,可將血氧飽和度公式轉換為:

其中,A、B、C為二次曲線定標擬合系數,λ1和λ2分別為紅光和紅外光波長,IAC和IDC分別脈搏波信號的交流分量和直流分量.通過計算脈搏波信號上下包絡線的差值可得交流分量,計算脈搏波信號上下包絡線的均值可得直流分量.

脈率表示每分鐘脈搏的次數.通過脈搏波信號找到兩個脈搏波的同一參考點,由此計算出兩參考點間采樣點個數n和采樣率f,即可得一個完整脈搏波時間T:

則脈率R為:

5 實驗結果

采用光電轉換方式采集的脈搏波信號不可避免地會包含許多噪聲:包括人體自身呼吸運動和微動脈搏動引起的低頻干擾和高頻干擾[9],以及運動過程引入的頻率混疊干擾[10]等.

圖8為在運動狀態下采集的原始脈搏波信號,可以看出存在較多毛刺,以及明顯的基線漂移,說明信號中存在高頻干擾、直流干擾等噪聲,這會導致血氧飽和度的計算出現較大誤差.如圖9所示,當采用形態學濾波和雙樹復小波變換對信號進行處理后,波形變得較為平滑,并且基線漂移也得到抑除.

圖8 原始脈搏波信號

圖9 濾波后脈搏波信號

6 測試分析

6.1 系統測試

采集系統由手套、可嵌入手套的血氧采集裝置、手機端app組成.實物圖與app界面如圖10所示.

圖10 系統實物圖

同時用本裝置與標準監護儀PC-304采集一名實驗者的體征參數.其數據對比如表1和表2所示.

表1 實驗裝置與PC-304血氧飽和度對比

表2 實驗裝置與PC-304脈率對比 (次/min)

通過上表可以看出,與監護設備相比,實驗裝置計算出的血氧飽和度誤差不超過3.5%,脈率差值不超過8次,因而可以滿足實際需求.

表3 實驗裝置功耗測試

6.2 功耗測試

用3.7V電壓輸出的鋰電池給裝置供電,測試功耗如表3所示.

工作模式下,若用310mAh的鋰電池供電,裝置續航時間接近14小時,能夠滿足運動或消防救險的一次性供電.

7 結論

目前市面上缺乏動態環境下監測血氧飽和度的完整系統方案,本文提供的設計具有較強的可移植性,能夠應用于運動和消防領域,對于生命安全的維護具有重要意義.裝置在保證便攜性的同時,能夠較為準確地采集生理參數,較低的功耗也滿足其長時間地運行.

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[3]王際忠,王志武,顏國正,劉大生.血氧測量快速濾波與實時算法設計[J].北京生物醫學工程,2015(06):595-599.

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Design of Wearable Anti-interference Oxygen Saturation Acquisition Device

Wu You,Pang Yu,Huang Boqiang,Peng Liangguang
(Chongqing University of Posts and Telecommunications Academy of Opto Engineering,Chongqing 400065)

Due to the lack of timely acquisition of physiological parameters in the fire rescue operation and long-time aerobic exercise,many people lost their life.For the reason,a wearable blood oxygen saturation acquisition system based on glove was designed.The device used reflection probe to acquire photoplethysmography signal and STM32L151 microprocessor to process data,and used the dual-tree complex wavelet transform(DTCWT)and morphological filtering algorithm to remove the noise and baseline drift,and finally sent the data to mobile phone app through Bluetooth.By the test,the device is small and easy to wear,and has low power consumption and anti-motion-interference ability,and compared with standard monitor,the error of blood oxygen saturation is within 3.5%.

wearable;blood oxygen saturation;DTCWT;morphological filtering;anti-motion-interference

國家自然科學基金(61671091).本項目受重慶市高校創新團隊(智慧醫療與系統核心技術),重慶市研究生科研創新項目(CYS17239)資助.

吳優(1992-),男,碩士研究生,主要研究方向:體征信號處理與可穿戴設備研究.

黃博強(1992-),男,碩士研究生,主要研究方向:生命體征信號采集與處理.

彭良廣(1993-),男,碩士研究生,主要研究方向:生命體征信號采集與處理.