基于AFE4400的反射式血氧饱和度检测系统*

陈真诚，甘永进，朱健铭

(桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004)

基于AFE4400的反射式血氧饱和度检测系统*

陈真诚，甘永进，朱健铭

(桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004)

摘要:由于透射式血氧的检测方法受到使用范围限制，因此通过反射式来检测血氧饱和度成了发展的主流。介绍了一种以 MSP430F5529为处理器，且基于 TI血氧模拟前端芯片 AFE4400 的反射式脉搏血氧饱和度检测系统的设计方案。通过对比几种基于小波变换的滤波算法的去噪效果，选择最优的滤波算法，以MSP430F5529超微功耗单片机为核心处理器来实现对指尖脉搏信号的采集和降噪的处理。经过实际检验验证样机，基本实现了反射方式对脉搏血氧饱和度的检测功能。

关键词：血氧饱和度;AFE4400;反射式；MSP430F5529；小波去噪

0引言

未来对血氧饱和度检测系统的发展趋势是反射式、集成化、体积小、便携、高灵敏度、高精确度以及低功耗等[1～4]。

在无创伤透射式血氧检测设备的设计中,被检测部位(如手指)被放置于两个发光管与接收管之间[5]。但是由于透射式血氧传感器使用范围受限，不能使用透射式血氧传感器在体表部位(如额头、胸部等)进行血氧饱和度的检测[6]，且长时间测量不仅使得被测者感到不适，还会对测量结果的准确性造成影响。与透射式血氧饱和度检测不同，在反射式血氧饱和度检测中,两个发光管和一个接收管位于被检测部位的同一侧,接收管接收来自体表的反射光，血氧饱和度的计算就是通过接收到的不同强度的反射光进行的。

本文设计的血氧饱和度采集检测装置考虑到了便携、低功耗等特点，采用TI脉冲血氧仪的集成模拟前端AFE4400，这种模拟前端集成了脉冲控制电路、滤波放大电路以及A/D转换和D/A转换模块等血氧前端采集电路必要功能模块，从而取代了传统复杂的外围模拟电路设计，不仅实现了脉搏血氧信号采集、预处理和显示，也使得整个系统的体积减小。另外，本系统采用的反射式脉搏血氧传感器DCM03，集成了双发射器和光电探测器在同一个芯片上，解决了透射式传感器测量时受到检测部位影响，无法对体表部位进行操作的问题。

1系统总体设计

不同含氧量的血液对不同波长的光的吸收率是不同的，根据这一特性可以实现血氧饱和度值的测量。近年来，血氧饱和度检测仪的发展主要是集中在不同的处理器芯片上，而前端采集电路设计的复杂性问题一直没有太大的发展。本文采用TI脉冲血氧仪的集成模拟前端 AFE4400，这种模拟前端包含了两路发光 LED 驱动模块、I/V转换模块、放大滤波模块、时序控制模块、SPI通信接口模块等，简化了系统前端采集电路的设计，整个系统小巧、便携、低功耗，而且防止了庞大的前端模拟电路引入噪声。

设计采用的反射式血氧传感器DCM03集成了两个背靠背相连波长分别为905，660 nm 的LED作为入射光源，AFE4400时序控制模块控制两个LED( 红光、红外光)以一定的频率快速交替照射被测手指，光敏二极管检测照射到手指后反射光光强的变化，根据光强数据变化来分析血液中的氧含量，进而得到血氧饱和度值。系统的总体结构框图如图 1 所示。

图1　血氧饱和度检测系统结构框图Fig 1　Structure block diagram of blood oxygen saturation detection system

2系统硬件设计

预处理模块的设计是本系统硬件设计的重点，其中，预处理模块的设计包括了脉冲控制电路、AFE4400和主控芯片 MSP430F5529的SPI通信电路两部分。

脉冲控制电路驱动反射式脉搏传感器 DCM03的两个发光LED按照一定的时序交替工作，并控制 DCM03中的光电二极管接收信号，最后将采集到的容积脉搏波信号输入到集成芯片AFE4400 中进行A/D转换，放大滤波等预处理工作。利用SPI桥接MSP430F5529和外围低速器件，使得数据得以在AFE4400和MCU之间进行同步串行数据传输，MCU对采集到的脉搏数据进行滤波处理和血氧饱和度的计算。

3系统软件设计

系统软件在结构上分为MCU主控程序、AFE4400与MSP430F5529的SPI通信程序、信号滤波程序、信号结果处理程序以及OLED显示程序。系统供电后，首先对系统进行初始化工作，完成AFE4400对手指脉搏信号的采样、 主控芯片与 AFE4400间的通信、数字信号进行降噪处理，提取滤波处理后的脉搏信号的周期和幅值并且进行分析，最后将最终的结果和滤波后的波形在OLED上显示。系统软件流程图如图2 所示。

图2　软件流程图Fig 2　Flow chart of software

在脉搏血氧信号的采集过程中，很容易受到外界环境、仪器本身和受测试者等因素的影响，使得通过AD采样得到的容积脉搏血氧信号中含有大量噪声，这些噪声主要包括：1)由人体呼吸、肌肉抖动等原因引起的基线漂移，它是一种低频正弦波；2)容积脉搏波采集系统引入的50 Hz工频干扰；3)由容积脉搏波采集系统引入的白噪声，属于高频噪声。在对容积脉搏波进行分析之前需对其进行滤波处理。因此，数据处理是软件设计重点部分。本文设计基于小波变换理论研究去噪算法，对比不同的滤波算法的去噪效果，从而选出最优滤波算法进行血氧信号滤波。

滑动平均滤波既能滤除信号中的高频噪声，又能滤除信号中的低频噪声，它对信号中的高频和低频噪声的滤除作用就相当于低通滤波器和高通滤波器的作用。另外，小波去噪对容积脉搏波信号中的基线漂移的去除效果极佳。本实验先将原始信号进行滑动平均滤波，再进行小波去噪滤波算法的择优选择。

实验中，分别采用db2小波、db5小波和sym4小波这三种小波对采样点数为6 235的脉搏血氧信号进行了9层分解，小波阈值去噪算法的选择采用了给定硬阈值去噪和给定硬阈值去噪二种方法对信号进行处理[7～9]。

原始信号和不同滤波算法去噪后的信号如图3和图4所示。

图3　原始信号和db2小波去噪后的信号Fig 3　Original signal and signal processed by db2 wavelet denoising

图4　db5和sym4小波去噪后的信号Fig 4　Signal processed by db5 and sym4 wavelet denoising

本实验通过SNR衡量滤波算法的优劣，以选择更优的滤波算法进行血氧信号滤波,如表1。SNR定义如下

(1)

由表1可知,db5给定硬阈值去噪算法得到的SNR最大，去噪效果较好,因此，设计中选用了db5给定硬阈值去噪去噪算法。

4测试结果

在环境 25 ℃下，选定6名志愿者处于静息状态下，将手指适度的贴在DCM03上电检测;同时使用康泰公司的血氧饱和度仪与本系统样机同时进行测试，其中，将康泰公司的血氧饱和度仪的测量值作为标准值。记录部分数据如表2和表3所示。

表1　6种算法去噪的SNR比较

表2　脉率测量结果对比

表3　血氧测量结果对比

由表2和表3可知，对比本系统血氧与脉率的测量值和康泰公司的血氧饱和度仪的测量值，误差在3 %以内，说明所建立的基于AFE4400检测血氧饱和度的方法是可行的，采用的小波去噪算法计算得到的血氧值和脉率值的精度满足设计要求。

5结论

本文设计根据血氧饱和度原理，综合考虑到了便携、轻巧、低功耗的的设计，提供了一种基于集成模拟前端 AFE4400 的反射式血氧饱和度检测系统的设计方案，方案包括对系统的软硬件结构设计、信号降噪的方法以及系统的有效性等方面进行了研究。测试结果比较，验证了本文方案的可靠性和有效性。系统体积小，精度高，操作简单，检测速度较快，功耗低，便携式人体生理参数检测设备的研制提供了一定的基础。

参考文献:

[1]张亚，赵兴群，万遂人.一种单片便携式脉搏血氧饱和度测量仪的研制[J]．测控技术，2010，30(6):1-4．

[2]张强,忻尚芝,邢斌.基于S3C2440A的无创血氧检测系统设计[J].电子技术应用，2013，39(6):67-69．

[3]Tavakoli M，Turicchia L，Sarpeshkar R.An ultra-low-power pluse oximeter implemented with an energy-efficient transimpedance amplifier[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2010，4(1):27-38．

[4]王弟亚，陈真诚，朱健铭，等.基于无创血糖检测的传感器集成设计[J].传感器与微系统，2009，28(12):74-76．

[5]李章勇,刘亚东,姜瑜.反射式血氧饱和度测试仪的设计[J].科技信息,2013(4):75-76.

[6]许晓峰,历哲,凌振宝.反射式血氧饱和度测量系统设计[J].吉林大学学报,2013(3):260-265.

[7]徐盼盼,徐冰俏,徐文龙.基于 AFE4400 的脉搏血氧饱和度检测系统[J].激光与红外,2015,45(3)：320-324.

[8]徐洁,付强.基于小波分析的脉搏波信号去噪[J].计算机仿真,2012,29(9):235-238.

[9]刘文娜.基于小波变换的心电信号滤波算法[J].中国无线电,2009(10):59-61.

Reflective type oxygen saturation detection system based on AFE4400*

CHEN Zhen-cheng,GAN Yong-jin,ZHU Jian-ming

(School of Life and Environmental Sciences，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China)

Abstract:Because of limitation of transmission type oxygen detecting method,using reflective type oxygen instrument to test blood oxygen saturation become main flow of development.Based on TI blood oxygen analog front-end chip AFE4400 and processor MSP430F5529,a design scheme of reflective type pulse oxygen saturation detection system is introduced.In system design process,compare denoising effect of several filtering algorithm based on wavelet transform,select the optimal filtering algorithm,use MSP430F5529 as core processor to complete aquisition of fingerpoint pulse signal and denoising processing.Through practical test,the system prototype machine realizes the function of pulse oxygen saturation detection.

Key words:oxygen saturation;AFE4400;reflective type;MSP430F5529;wavelet denoising

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0091—03

收稿日期：2015—08—22

*基金项目：广西自动检测技术与仪器重点实验室主任基金资助项目(YQ14116)；国家自然科学基金资助项目(61271119)；国家科技支撑计划资助项目(2013BAI03B01)；广西高等学校科学研究项目(KY2015YB096)

中图分类号：R 318.6

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)05—0091—03

作者简介:

陈真诚(1965-)，男，湖南永州人，教授，主要研究方向为生物传感器与智能仪器。

朱健铭，通讯作者,E—mail:zjmcsu@126.com。