基于ADS125H02的自適應(yīng)寬動態(tài)范圍的脈搏信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【作 者】吳柔，葉繼倫,，張旭,，劉杰，袁懋結(jié)，文斌

1 深圳大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，深圳市，518060

2 深圳市生物醫(yī)學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

3 廣東省生物醫(yī)學(xué)信號檢測與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

0 引言

心臟和動脈血管系統(tǒng)在人體八大系統(tǒng)之一循環(huán)系統(tǒng)中為重要的功能組成[1]。脈搏信號一定程度上展現(xiàn)了心臟器官和血液循環(huán)系統(tǒng)的生理狀態(tài)，提取并分析脈搏信號對于臨床醫(yī)生來說很重要。在為患者制定治療方案時，準(zhǔn)確掌握各項(xiàng)生理功能是保證治療效果的基礎(chǔ)。同時，傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)利用脈診推斷患者病理信息，具有重要的價值。脈搏信號波形變化與一個心動周期內(nèi)動脈血壓脈動變化直接相關(guān)，與血管阻力、血管壁彈性等血流參數(shù)的變化間接相關(guān)并且受外部環(huán)境、心理狀態(tài)的直接影響。

鑒于心臟血管系統(tǒng)的復(fù)雜性，脈搏信號包含的信息十分豐富。需要采集系統(tǒng)盡可能不漏掉有用的診斷信息。傳統(tǒng)自適應(yīng)脈搏信號采集系統(tǒng)由于集成電路技術(shù)發(fā)展限制，采集精度低，并通過復(fù)雜濾波放大電路設(shè)計(jì)，以滿足信號要求，但這樣會導(dǎo)致硬件電路體積龐大且整體功耗高，不利于產(chǎn)品化。通過在數(shù)字信號處理方面實(shí)現(xiàn)陷波來簡化電路，為實(shí)現(xiàn)脈搏信號采集系統(tǒng)的低功耗、寬動態(tài)范圍、自適應(yīng)，采用TI公司高精度采集芯片ADS125H02作為核心芯片設(shè)計(jì)出自適應(yīng)脈搏信號采集系統(tǒng)硬件電路。

1 自適應(yīng)脈搏信號采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本硬件采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)由STM32最小系統(tǒng)、電源模塊、放大濾波模擬電路、光電驅(qū)動和ADS125H02數(shù)字采集放大模塊組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[2]。微弱的脈搏信號經(jīng)過探頭光電轉(zhuǎn)換獲得，一級放大之后經(jīng)減法電路減去脈搏信號中的直流信號，低頻脈動信號經(jīng)過一階低通濾波器濾除高頻干擾信號，ADS125H02芯片采集脈搏信號經(jīng)PGA放大后通過SPI協(xié)議發(fā)送到STM32單片機(jī)，后續(xù)單片機(jī)由串口傳輸至上位機(jī)顯示波形。該脈搏信號系統(tǒng)在噪聲方面、信號動態(tài)范圍進(jìn)行改善，滿足在弱灌注情況下采集組織脈搏信號。

圖1 自適應(yīng)寬動態(tài)范圍脈搏信號采集系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Functional block diagram of adaptive wide dynamic range blood oxygen collection system

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 隔離模塊

2.1.1 電源隔離

在設(shè)計(jì)電源時，為了避免電源的原邊和副邊噪聲相互串?dāng)_，隔離是保證電源信號穩(wěn)定性和安全性的重要方法。本設(shè)計(jì)選用獲準(zhǔn)用于醫(yī)療應(yīng)用的村田（Murata）公司MEJ2系列DC/DC轉(zhuǎn)換器，環(huán)形磁體完全包封非常適合應(yīng)用在對安全性和小型化要求較高的系統(tǒng)。

2.1.2 光耦隔離

在以單片機(jī)為核心控件構(gòu)成的測量控制系統(tǒng)中，外部設(shè)備產(chǎn)生的電源波動和干擾信號等因素都會對MCU的正常運(yùn)行直接產(chǎn)生影響[3]。在MCU與外部信號之間進(jìn)行電氣隔離，可以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。由于光耦隔離體積小、價格低、使用靈活等特點(diǎn)，在信號隔離傳輸方面應(yīng)用廣泛。本設(shè)計(jì)選用億光（Everlight Electronics）公司H11LX系列，由于輸出檢測器包含一個具有滯后性施密特觸發(fā)器，從而實(shí)現(xiàn)脈沖整形和抗干擾。

2.2 光電驅(qū)動

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用H橋驅(qū)動電路驅(qū)動探頭，實(shí)現(xiàn)紅光和紅外光二極管交替發(fā)光。采用近似方波控制的方式，通過單片機(jī)相應(yīng)的GPIO口以一定頻率的脈沖驅(qū)動電路。由于較低的開關(guān)頻率對器件損耗較小，因此使用壽命長，節(jié)約成本。

為實(shí)現(xiàn)探頭自適應(yīng)，即通過STM32 DA管腳輸出電壓控制H橋驅(qū)動電路電流，進(jìn)而控制脈搏信號探頭根據(jù)不同膚色輸出不同光強(qiáng)，使信號經(jīng)一級放大后保持在800 mV～1 000 mV左右。

圖2 探頭驅(qū)動電路Fig.2 Probe drive circuit

2.3 預(yù)處理電路設(shè)計(jì)

由于脈搏信號十分微弱，在弱灌注的情況下不易被提取，為了提高電路的信噪比，在ADS125H02采集芯片的前端增加前級放大電路、消除直流偏置電路和抗混疊濾波器[4-5]。由于OPA381的高精度和低噪聲特性，前級放大選擇電流運(yùn)放OPA381和電阻電容構(gòu)成帶增益的低通濾波電路。經(jīng)過一級放大之后的脈搏信號包含非脈動、靜脈直流信號和脈動交流信號。因此采用硬件減法電路消除直流信號。在硬件減法電路輸入端前加一個單極、低通濾波器，除濾掉高頻干擾外，進(jìn)一步削減信號中的直流分量，僅保留包含脈搏波脈動信號的頻率分量。

圖3 脈搏信號預(yù)處理電路Fig.3 Pulse signal preprocessing circuit

2.4 模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

ADS125H02采用差分輸入的方式，其共模抑制比（CMRR）高達(dá)105 dB，直流輸入阻抗1 GΩ。為了保護(hù)前級輸入端加上鉗位二極管，將輸入電壓限制在HV_AVSS– 0.3（最小值）HV_AVDD+0.3（最大值）之間。ADS125H02只能工作在SPI通信模式下，單片機(jī)內(nèi)核通過串口讀/寫寄存器。CS端信號選擇是否開始轉(zhuǎn)換，DRDY引腳高低電平表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成與否，從DRDY/DOUT引腳讀取最新轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在PCB布線時，按照數(shù)據(jù)手冊指示最優(yōu)布局，進(jìn)一步減小板卡面積。

ADS125H02通過HV_AVDD和HV_AVSS兩個引腳外接電壓控制輸入電壓，最大范圍可調(diào)至±20 V。本設(shè)計(jì)采用TPS7A39作為AD芯片的輸入電壓電源軌，它有兩個通道，通過調(diào)整電阻匹配可以獨(dú)立輸出對稱或不對稱電壓，同時正負(fù)輸出在啟動期間按比例進(jìn)行相互跟蹤。TPS7A39還具有較高的PSRR，消除會影響信號完整性的電源開關(guān)噪聲。

圖4 ADS125H02輸入電壓模塊Fig.4 ADS125H02 input voltage module

ADS125H02單片可實(shí)現(xiàn)增益0.125 至 128，芯片前端輸入信號滿幅值Vmax為20 V，A/D的轉(zhuǎn)換位數(shù)N為24，此時采集系統(tǒng)的最小分辨率數(shù)值LSB[7]為：

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件依托于KEIL主要實(shí)現(xiàn)初始化STM32單片機(jī)DA、AD、SPI等應(yīng)用引腳以及系統(tǒng)控制硬件電路數(shù)字芯片的引腳，比如ADS125H02片選引腳功能。系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行各模塊功能初始化以及系統(tǒng)自檢，判斷探頭是否連接完好，接著啟動定時器中斷采集數(shù)據(jù)做濾波平均預(yù)處理后發(fā)送至上位機(jī)。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件功能主要有數(shù)字陷波器消除50 Hz工頻干擾，去基線漂移并實(shí)時顯示脈搏信號波形。采用雙通道分別顯示紅光和紅外脈搏信號，直觀顯示脈搏波形信號的所有信息。兩個STM32AD通道分別是一級放大后的信號幅值和探頭脫落檢測識別。脈率計(jì)算采用隊(duì)列方式靈活存儲一段數(shù)據(jù)，選擇漢明窗進(jìn)行平滑濾波且窗口長度可調(diào)，通過差分求點(diǎn)然后計(jì)算脈率。實(shí)現(xiàn)基于C++桌面開發(fā)，使用MFC生成桌面應(yīng)用程序。PC端顯示界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)界面Fig.5 Host computer interface

4 系統(tǒng)測試

經(jīng)測試，系統(tǒng)電源噪聲為27.5 mV，接上探頭空載時電路噪聲為35 mV。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的性能，將其與邁瑞PM-50血氧飽和度監(jiān)測儀、惟拓力XH60A生命體征監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行對比測試，測試結(jié)果如表1所示，結(jié)果顯示滿足實(shí)用需求。

表1 脈搏血氧儀產(chǎn)品對比測試Tab.1 Comparison test of pulse oximeter products

為了驗(yàn)證上位機(jī)脈率計(jì)算算法的準(zhǔn)確性，通過FLUKE Index血氧模擬器，設(shè)置模擬PI為3%，記錄脈率從30到250變化，測試結(jié)果如表2所示，可以看出結(jié)果良好。

表2 脈率測試結(jié)果Tab.2 Pulse rate test results

5 結(jié)束語

由于脈搏信號測量需要滿足在微弱且較強(qiáng)背景噪聲下應(yīng)用，因此本研究基于ADS125H02設(shè)計(jì)了寬動態(tài)范圍脈搏信號采集系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)專用光電探頭自適應(yīng)發(fā)光控制，同時考慮到系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)完整性，在微處理器控制電路與上位機(jī)及外部供電之間進(jìn)行電源隔離和光耦隔離，從目前的測試結(jié)果來看，本采集系統(tǒng)采集精度和范圍以及抗干擾和電氣安全都能夠滿足預(yù)期的要求。

本研究的最終目的是實(shí)現(xiàn)脈搏信號采集的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在完成電路設(shè)計(jì)并對信號做基礎(chǔ)的處理后，下一步將進(jìn)行算法處理比如脈搏信號飽和度值計(jì)算，聯(lián)合上位機(jī)通過后級信號反饋調(diào)節(jié)前級一級放大，從而實(shí)現(xiàn)更好的自適應(yīng)控制，最終實(shí)現(xiàn)全范圍的脈搏信號測量及應(yīng)用。