自适应脉搏氧系统设计与实现

朱子孚，文斌，吴柔，袁思念，李若薇，叶继伦，3，张旭，3

1.深圳大学医学部生物医学工程学院，广东深圳518000；2.深圳市生物医学工程重点实验室，广东深圳518000；3.广东省生物医学信号检测与超声成像重点实验室，广东深圳518000

前言

氧气是人体进行新陈代谢的关键物质，是维持人体生命活动的3大要素之一，氧气的供给能够使机体器官发挥各自功能［1］。脉搏血氧饱和度是通过光电方法实时测量和反映血液中动脉血氧含量的关键指标，表示人体呼吸系统以及心血管系统的健康状态信息，在人类相关的疾病预防与诊断中起着重要作用。因此，在针对脉搏氧饱和度测量中，不断提高测量性能是一件很有重要临床应用价值的研究［2-3］。特别在人体血流灌注指数偏低、脉搏非常微弱时，能否得到波形良好的脉搏波信号，成为精确计算血氧饱和度的前提［4-5］。

1 脉搏氧检测原理和方案设计

1.1 脉搏氧检测原理

当一定波长的光束照射到手指表面时，光束将通过透射或反射方式传送到光电二级管，在此过程中由于受到组织和血液的吸收衰减作用，光电二级管检测到的光强度将减弱，其中组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的，而动脉的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化［6-8］，如图1a 所示。血红蛋白具有光吸收特性，但氧合血红蛋白与还原血红蛋白吸收光线的波长是不同的，利用分光光度计比色原理，可以测得随着动脉搏动血液中氧合血红蛋白对不同波长光线的吸收光量，如图1b 所示，从而得到两种血红蛋白含量，计算出血氧饱和度［6-7］。

图1 脉搏氧检测原理Fig.1 Detection principle of pulse oximetry

1.2 系统整体方案

本自适应脉搏氧系统由电源模块、光电驱动电路、前级I/V 转换电路、二级放大电路、AD 模块等组成［9］。系统的整体功能框图如图2所示。

图2 自适应脉搏氧系统功能框图Fig.2 Functional block diagram of adaptive pulse oximetry

2 系统硬件设计

2.1 恒流源光电驱动电路

为了保证光源的稳定，采用恒流源方式的驱动发光二极管（图3）。DRIVE1、DRIVE2、DRIVE3是通过MCU 发出的控制信号，D1、D2、D3、D4 为两种不同的MOS 管。通过DRIVE1、DRIVE2 驱动MOS 导通和关断从而实现红光和红外光交替发光。DRIVE3 通常后接一个电压跟随器，提高带载能力，调节恒流源大小。

图3 恒流源光电驱动电路Fig.3 Constant current source photoelectric drive circuit

2.2 光电流I/V转换电路

红光和红外光射到光电二级管的活动区后，电流从阴极流向阳极。理想情况下，所有光电接收管电流都流向反馈电阻，产生数值等于光电二极管电流乘以反馈电阻的反馈电压，如式（1）所示：

V2作为电位抬升，越过运放的轨，避免信号产生失真；反馈电阻并联电容，一是构成低通，二是防止产生自激荡。光电流I/V转换电路见图4。

图4 光电流I/V转换电路Fig.4 Photocurrent I/V conversion circuit

2.3 二级放大电路

二级放大电路输出值如式（2）所示，如电路中电阻值满足式（3），则电路输出值满足式（4），构成一个减法器电路，DA输出值由MCU控制，如图5所示。

图5 二级放大电路Fig.5 Secondary amplifier circuit

3 系统软件设计

3.1 下位机设计

在下位机配置方面，主要包括各模块的初始化以及定时器中断、串口、GPIO口等。使用定时器中断进行内部AD 和外部AD 的采样，读取AD 转换的数字信号。

通过内部AD 转换的数字信号，判断是否有手指接入，如未识别到手指，进入低亮度闪烁待机状态，降低功耗；识别手指后自动初始化进入工作状态。

通过计算得出脉搏波信号的相关特性，根据交流分量和信号幅值的大小执行模拟开关通道的变换、DRIVE1和DA的调节，如图6所示。

图6 下位机流程图Fig.6 Slave computer flowchart

下位机中对外部AD 采样的脉搏波信号做了简单的数据处理，基于MATLAB 中的filterDesigner 工具箱，选择二阶巴特沃斯高通、低通滤波器，设置采样率、截止频率，生成相应滤波器参数并进行测试，信号滤波处理如图7所示。查看滤波器频率响应函数，移植入MCU 对数据进行实时处理，减小环境噪声对脉搏波有效信号的干扰。

3.2 上位机设计

在上位机配置方面，主要包括图形化界面设计，数据传递以及脉率、灌注指数、血氧饱和度的计算。对下位机发送的数据每隔5 s 进行1 次处理计算，识别主波位置，根据相邻主波时间间隔计算脉率；分析信号的最大值、最小值，得出交流分量和直流分量大小，分别计算出两路光源脉搏波的灌注指数和相应R值；通过FLUKE INDEX2 血氧模拟器提供的信号模拟功能实现R曲线拟合，计算血氧饱和度。相关参数计算流程图［10］如图8所示。

图8 参数计算流程图Fig.8 Parameter calculation flowchart

4 系统实现及测试

4.1 系统实现

通过上述主要设计，实现的自适应脉搏氧板卡实物图如图9所示。板卡整体长度为90 mm，宽度为50 mm，厚度约5 mm，外接串口板可实现供电和串口收发功能，外接血氧探头可实现对脉搏、血氧的实时测量。经测试整个系统上电自检时间14～15 s，自检完成后快速响应时间3～4 s，经测量可得系统整体工作电流115 mA，工作电压10 V，系统总功耗1.15 W，能够满足快速响应、实时测量的需求。

图9 自适应脉搏氧板卡Fig.9 Circuit board of adaptive pulse oximetry

4.2 脉搏波信号质量测试

为验证该系统在正常情况、低灌注情况下均能得到高质量的脉搏波信号，通过FLUKE INDEX2 血氧模拟器分别模拟灌注指数6%、0.1%、0.075%、0.05%参数下的脉搏波信号，通过上位机观察发现该系统能够采集到相应的脉搏波信号，并准确计算出相关参数值。目前可做到灌注指数0.05%下波形稳定，计算准确，如图10所示。

图10 脉搏波信号质量测试Fig.10 Pulse wave signal quality test

4.3 参数计算准确性测试

为了测试系统对脉率、灌注指数、血氧饱和度的计算准确度，采取控制变量的方式，使用FLUKE INDEX2血氧模拟器设定了脉率范围为40～250次/min，灌注指数范围为0.025%～20%，血氧饱和度范围为70%～100%。对系统计算值进行3次求平均，计算值与参考值拟合曲线如图11所示。表1显示计算值与参考值的偏差。

表1 计算值与参考值误差Tab.1 Deviations between calculated and actual values

图11 数据拟合曲线图Fig.11 Data fitting curves

由计算值和参考值中的平均偏差和标准差可知计算值与参考值的偏差很小，脉率偏差不超过1次/min，灌注指数和血氧饱和度偏差均不超过1%。由数据拟合曲线图可以看出，脉率、灌注指数的计算值很接近参考值，较为准确。血氧饱和度的计算值与参考值还存在一些偏差，可能是拟合曲线的系数位数偏低引入的误差，但是仍在误差允许范围内，已经满足血氧产品认证的标准要求（2%），有待于进一步的工程化及验证确认。

5 总结

本文基于光电容积方法，设计出一种自适应脉搏氧测量系统，即通过将前级反馈回的信号幅值作为依据，对恒流源大小与接入电路反馈电阻进行调节，从而实现增益的动态可调。既避免了由于信号幅值过高，放大后饱和的情况，又可以对低灌注情况下脉搏波信号进行适当放大。由于增益可调，大大提高了输入信号范围，适用于更多种情况下的测量，提升整体可靠性和稳定性，打破了传统脉搏血氧仪测量的局限性。不仅提高了获取信号的质量，也实现了脉率、灌注指数、血氧饱和度的精确计算，后续将进行工程化设计，并开展基于标准要求的验证，为集成应用于多参数监护仪奠定基础。