基于AFE4490的無創血氧檢測系統設計

張純青，千 博

（西安電子科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710071）

隨著科技的進步和社會的發展，人們越來越重視自身的健康。在當今醫療保健社區化、家庭化形勢下，便攜式生理監測設備應運而生，并且越來越受到青睞[1]。氧在維持個體正常生理活動中起著至關重要的作用，血氧飽和度（SpO2）是人體一項重要的生理參數。血氧含量較低時，對組織和細胞進行新陳代謝是尤為不利的，甚至威脅生命[2]。為了反映人體是否具有足夠的氧氣供應和衡量心血管系統的健康水平，現代血氧飽和度測量采用一種非侵入式光學測量方法[3]。把光電傳感器放置在組織測量部位兩側（比如手指、耳垂）。光在人體組織中動脈血的吸收量會隨著波動而變化，而光在骨骼、肌肉、皮膚以及靜脈血等組織吸收不變。根據血氧飽和度定義和Lambert-Beer定律，利用紅光和紅外光在人體組織中含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白透射吸收率不同這一特性，進而能夠快速計算出血氧含量。

1 血氧飽和度概念及測量原理

血氧飽和度（SpO2）是外圍毛細血管含氧血紅蛋白的百分比，可以用下面的方程來表示：

其中，[HbO2]是含氧血紅蛋白濃度，[Hb]是脫氧血紅蛋白濃度。HbO2和Hb光學吸收光譜如圖1所示。

由圖1可知，光在人體組織血液中含氧血紅蛋白與脫氧血紅蛋白在不同波段Red區域（600～700 nm）和IR區域（900～1 000 nm）吸收特性存在相當明顯的差異。由于動脈血變化對Red光和IR光吸收量改變，看作是交流分量（AC），其他組織透射光吸收量不變，作為直流分量（DC）。進而計算得到光吸收比R[4]。

式中Δφ，Δφ′分別為動脈血液變化對紅光和紅外光吸收量改變。

經過大量的實踐驗證，血氧飽和度經驗公式：

圖1 HbO2和Hb吸光度

式中，A，B，C為常數，可以根據實際系統測試標定。本文采用Fluke Index 2血氧模擬儀對式（3）進行標定標，定標曲線如圖2所示。

圖2 定標曲線

2 采集信號硬件電路設計

本文所設計并采用的硬件電路是根據主控芯片STM32F103和模擬前端AFE4490及其外圍電路搭建起來的。將采集得到的PPG信號傳輸到AFE4490進行預處理。

AFE4490是TI公司推出的一款非常適用于脈沖血氧儀的高度集成模擬前端。該芯片包含一個具有22位數模轉換低噪聲接收通道，一個LED傳輸組件和針對LED故障檢測以及傳感器的診斷功能。血氧探頭采集得到的透射光信號通過光電二極管轉換成電信號傳輸到相應的接收通道經過一個差分電流—電壓跨阻放大器，其反饋電阻把光電二極管輸入電流值轉換成對應的電壓值，緊接著對原始PPG信號進行消除環境光噪聲，然后經過一系列濾波處理去除其他信號干擾，最后A/D進行模數轉換，通過SPI接口傳輸數字信號至單片機。

3 測試結果

本文所設計的無創檢測血氧飽和度模塊對身體健康人體測量PPG信號。首先要進行的就是小波db6降噪處理。如圖4所示。

圖4 原始脈搏波信號與濾波信號對比

測試結果如表1所示。

表1 測試結果

4 結語

本文提出了采用高度集成芯片模擬前端AFE4490進行血氧飽和度測量，并提出使用db6小波對原始PPG信號進行去除噪聲處理，取得了良好的效果以及相對精確的計算結果，下一步將考慮一些抗干擾處理，比如運動干擾、弱灌注的處理，以進一步提高血氧飽和度在這兩種情況下的測量準確度和精度。