肖伦莲，林金朝，庞宇，周金华，黎圣峰（重庆邮电大学光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室，重庆400065）

基于无线传输的脉搏血氧饱和度采集节点设计

肖伦莲*，林金朝，庞宇，周金华，黎圣峰
（重庆邮电大学光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室，重庆400065）

摘要：近年来，慢性疾病人数骤增与医疗资源匮乏之间的矛盾引起了无线体域网在医疗领域的广泛应用。将透射式指端脉搏血氧饱和度采集节点与Android智能终端系统相结合，对光电容积脉搏波进行采集，利用近红外光谱吸光度强弱与物质化学成分信息之间呈现线性相关的特性，对人体体征参数中的脉率和血氧饱和度进行检测。实验结果表明，该节点体积小，功耗低，抗干扰性强，能够无创伤，快速准确地对脉率和血氧饱和度进行实时性监测，并实现数据的无线传输，适合在家庭中使用。

关键词：透射式；脉率；血氧饱和度；光电容积脉搏波

0　引言

人体新陈代谢即为物质氧化的过程，氧通过呼吸系统进入人体血液，与红细胞中的血红蛋白结合成氧合血红蛋白，为人体活动提供能量。血氧饱和度（SpO2）即为氧合血红蛋白（HbO2）的数量占全部可结合血红蛋白（Hb）的数量的百分比，其浓度可用来评判血红蛋白携氧能力的强弱以及人体肺部功能是否健全［1］。研究表明，许多慢性疾病早期患者，其脉率和血氧饱和度都会出现异常状况［2，5］。

采用传统的电化学法测量血氧饱和度会对身体构成创伤，且不能及早发现某些慢性疾病［6］。光学法弥补了这一缺点，光学法是通过在光谱的红色和近红外区选取两种不同波长的光波，检测其经过人体组织后的透射光或者反射光来获取脉率和血氧饱和度［7］。基于朗伯—比尔定律，90年代初，英国伦敦大学Cope提出了一种公式来表达血氧饱和度和吸光度之间的关系［8］；1935年，世界上第一个基于光谱分析技术的脉搏血氧饱和度测量探头诞生；1974年，世界上第一台真正意义上的脉搏血氧饱和度（SpO2）仪诞生［9，10］。本文采用的透射法其检测原理为：

当光透射过人体组织时，脉搏跳动带动血液循环，在PPG传感器模块中对透射光波进行光—频转换，再由单片机对频率数据进行捕获和处理，得到PPG信号。通过对单一光源PPG信号进行分析，可以计算脉率；对双光源PPG信号进行分析，可以检测血氧饱和度［11，12］。根据一个完整PPG的时间t可计算出脉率，如下式所示：

为了提高精确度，采用二次拟合函数计算血氧饱和度：

其中R为光强变化率：

直流分量IrDC和IirDC为两种信号上下包络线的均值，交流分量IrAC和IirAC为两种信号上下包络线的差值，n、m、k为常系数，由MATLAB拟合仿真得到。

目前，我国采用的脉搏血氧饱和度仪一般只应用于市区医院等公共场合，其体积大，价格昂贵，需要通过USB接口或者OTG接口，以及专用生理数据传输器与显示终端进行数据交换，使用极不方便，很难在边远地区和家庭中得到推广［13，14］。为了将互联网技术、无线通信技术应用于传统医疗保健行业，推动无线体域网的发展，针对以上状况，本文设计了一种基于低功耗蓝牙无线传输技术的脉搏血氧饱和度采集节点。

1　系统硬件设计

从图1可以看出，节点包含4个模块：传感器模块，信号处理模块，无线通信模块，电源管理模块。传感器模块中，两种LED光波通过指端后，在MCU的驱动下将传感器输出的方波信号反馈回MCU的定时器模块进行捕捉，滤波和运算，得到血氧和脉率参数，当人体内的血氧与脉率低于设定阈值时，节点发出报警信号提示用户。同时，MCU通过UART接口将得到的数据传送至蓝牙4.0模块，由蓝牙模块无线发送至Android智能终端进行数据显示和存储。在体域网中，为了满足节点微型化，低功耗等要求，硬件电路设计时主要选用多功能集成芯片。

图1　采集节点系统框图Fig1　The system diagram of acquisition node

1.1传感器模块

由于氧合血红蛋白与还原血红蛋白在波长为940nm与660nm时的吸光系数差异最大［15］，因此本节点选择可发出660nm波长的红光和905nm波长的红外光的双色发光二极管作为光源，通过单片机引脚输出电平高低来控制发光二极管是否导通。普通发光二极管导通电流一般为10mA～30mA，单片机单个管脚输出电流无法满足驱动要求。如图2所示，为了减小传感器的自身体积以及传感器与控制器之间的导线数量，将两支发光二极管反向并联在一起，采用电压极性可改变的H桥式驱动电路作为电流驱动电路，驱动发光二极管交替发光。

光强探测器选用TSL235光频转换器。TSL235感光性在波长为600nm至900nm时较强，内部集成了各类微分、积分电路，可减少许多外围电路，有利于采集节点的微型化设计。在光敏二极管感应到透射光强后，输出占空比为50%的方波。

图2　H桥式驱动电路Fig2　The H-Bridge drive circuit

1.2信号处理模块

图3　基于MSP430F1611的节点电路图Fig3 The circuit diagram based on MSP430F1611

如图3所示，信号处理模块的主控芯片采用TI公司的超低功耗芯片MSP430F1611，该芯片工作电压为3.3V，工作电流为110μA，低功耗模式下电流可低至0.1μA。XT2IN和XT2OUT引脚外接由8MHz石英晶振和两个起振电容构成时钟电路，为整个系统提供时钟信号；同时，单片机对TSL235输出的方波进行计数，得到方波频率，然后进行数字滤波，经过运算处理后，通过UTXD0将数据发送至蓝牙4.0模块。

1.3无线通信模块

无线通信模块采用德州仪器的低功率蓝牙芯片CC2540。CC2540将加强型8051微控制器、主机端及无线射频发送器集成在一个元器件上，内建AES-128加密引擎。低功耗，这些优点使得其成为市场上最具有弹性及成本效益的单模式低功率蓝牙解决方案。如图4所示，蓝牙芯片通过RXD引脚接收来自单片机的数据，并利用TXD引脚将数据无线传输至Android终端。

图4　蓝牙模块电路图Fig4　The Bluetooth module circuit diagram

2　系统软件设计

根据检测原理，利用单片机的定时器功能，以10ms为时间周期控制两个LED灯交替发光，为了降低节点功耗，设定周期内红光和红外光分别发光2ms，其余6ms单片机处于休眠状态。

外界光线以及人体和节点间的相对运动会对采集的脉搏波造成多种噪声干扰，故需要在微处理器中进行滤波处理。原始PPG信号中存在大量高频干扰，采用40阶的FIR低通滤波器，即可消除多数波形毛刺；其次，针对波形图中出现的突变点，利用窗函数对数据进行分组，如果某数据与其所在组的数据的平均值差值大于设定阈值，则认定该点为突变点，然后用该组其余数据的平均值代替该点数值；最后，采用形态学滤波滤除基线漂移，得到滤波后的PPG信号。

在对滤波后的数据进行运算时，为了得到信号的直流分量与交流分量，需要对PPG进行极大值和极小值定位，具体流程如图5所示。然后利用插值法，扩充脉搏波的包络线，求取信号的直流分量和交流分量，得到脉率值和血氧饱和度值。

图5　求极值流程图Fig5　The flow diagram of extremum

3　实验结果

本实验征集多名志愿者进行测试，将采集的PPG信号在MATLAB软件上进行预处理仿真，结果表明，信号的预处理时间约为0.398s，处理时间短且对原始PPG信号的预处理效果良好。图6、图7为其中某两名志愿者的血氧信号预处理仿真图。

同时，整个节点的尺寸大概为4×3cm2,符合微型化设计要求。将采集的数据与标准MEC-1000多参数监护仪的测试数据进行对比，本文设计的节点对血氧饱和度值和脉率值的测量误差在2%以内。

图6　第一名志愿者PPG信号预处理仿真图Fig6 PPG preprocessing simulation diagram of the first volunteer

图7　第二名志愿者PPG信号预处理仿真图Fig7 PPG preprocessing simulation diagram of the second volunteer

4　总结

本文设计了一种可在无线体域网中应用的脉搏血氧饱和度采集节点。该节点利用透射式血氧饱和度检测技术并通过蓝牙4.0与Android智能终端系统连接，对脉率值和血氧饱和度值进行检测和存储，迎合了当代社会生活习惯。同时，通过简化硬件电路，优化软件滤波处理程序，实现了快速、准确、低功耗的体征参数监测。

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Email：15340531612@163.com

中图分类号：TP274

文献标识码：A

DOI:[CLC Number] TP274[Document Code] A10.11967/2016140308 10.11967/2016140308

基金项目：⋆国家自然科学基金项目（61471075）

通讯作者：肖伦莲（1991-），女，四川达州人，重庆邮电大学硕士研究生，主要研究方向为智慧医疗系统

A Design of Pulse Oximetry Acquisition Node Based on Wireless Transmission

Lunlian Xiao*， Jinzhao Lin， Yu Pang， Jinhua Zhou， Shengfeng Li
（ Chongqing Municipal Level Key Laboratory of Photoelectric Information Sensing and Transmitting Technology，Chongqing 400065 ）

Abstract:In recent years, there is an prominent contradiction between limited resources and the increasing number of people who suffered from chronic diseases, which inspired the wide utilization of wireless body area network in medical field. Based on transmittance oximetry, node combined with android intelligent terminal system and collected PhotoPlethysmoGraphy ( PPG ) at the end of the finger, utilized the characteristics that the strength of near-infrared spectroscopy absorbance linearly related to the chemical composition of the material to measure pulse rate and oxygen saturation. Experimental result shows that the node contains many advantages, including small size, low power consumption, strong anti-interference, which can be invasively, fast and accurately monitor pulse rate and oxygen saturation in real time, and transfers data using wireless transmission, which is suitable for use in family.

Key Words:Transmittance; Pulse rate; Oxygen saturation; PPG