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隨著技術的發(fā)展和人們對健康檢測的關注，可穿戴醫(yī)療設備發(fā)展迅速，蘋果、三星、華為、小米等公司均推出了可穿戴脈率產(chǎn)品。與產(chǎn)品的迅猛發(fā)展相反，反射脈率的檢測設備發(fā)展非常緩慢。因此，我們設計一種基于光電傳感器的反射式脈率模擬儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由光采集單元、信號合成單元、發(fā)光單元組成，通過采集反射式脈率產(chǎn)品發(fā)出光的強度和頻率信號，模擬人體反射光，發(fā)出不同強度的波形，可準確、可靠地模擬人體的脈率參數(shù)，進而用以檢驗反射式脈率產(chǎn)品。

 

1、測量系統(tǒng)的設計

 

1.1  測量的原理

脈率是衡量人體健康的生理參數(shù)之一，基于光電法的脈搏波檢測基礎是朗伯-比爾定律，即物質(zhì)在一定波長處的吸光度與其濃度成正比。朗伯-比爾定律的數(shù)學式如下：A =ln（I0/I）=βCd。其中，I0表示入射光強，I為出射光強，A為介質(zhì)的吸光度，β為摩爾消光系數(shù)，C表示吸收物質(zhì)的摩爾濃度，d為吸收物質(zhì)的傳輸距離[1-2]。

 

由朗伯-比爾定律可知，若通過綠光發(fā)光管向人體發(fā)射光線，再由光電二極管接收反射信號，則接收到的反射信號在強度上是不同的，反射光的強度僅與被檢測部位的動脈血相關。因此，通過檢測反射信號的容積脈搏波（photoplethysmography，PPG），可得到周期性變化的波形，由周期求解出被檢測部位的脈率[3]。

 

我們設計的反射式脈率模擬儀系統(tǒng)的原理是上述脈率測量的逆過程。系統(tǒng)通過接收反射式脈率產(chǎn)品綠光的發(fā)光頻率和強度，按照脈搏波的波形形態(tài)，將預期的脈率值轉(zhuǎn)換成發(fā)光強度，模擬人體組織的反射光，發(fā)給反射式脈率產(chǎn)品。

 

1.2  整體設計方案

首先，由綠光接收電路的光電二極管接收被測設備的光信號，經(jīng)過濾波和放大，由單片機AD采集，計算出光強和頻率。單片機接受上位機設置的參數(shù)（當上位機未設置時，默認一種參數(shù)），根據(jù)采集的參數(shù)和存儲器預先存儲的參數(shù)曲線，輸出兩種信號，一種為直流分量，一種為交流分量。直流信號分量DC表示PPG信號中的恒定成分，代表信號所包含人體信息中的各種非脈動成分；交流信號分量AC表示PPG信號中隨時間變化的脈動成分，代表動脈血的搏動。兩種信號疊加，然后由電壓轉(zhuǎn)電流電路驅(qū)動發(fā)光二極管，模擬人體反射光，用來檢測反射式脈率設備。該統(tǒng)組成見圖1。

圖 1　反射式脈率模擬儀系統(tǒng)的組成

2、系統(tǒng)硬件設計

 

2.1  綠光接收電路

脈率設備發(fā)射的光照射到光電二極管PD，產(chǎn)生同頻率小電流，轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)過放大器放大到單片機A/D通道，計算出綠光的光強和發(fā)光頻率。主要電路見圖2。

圖 2　采光電路

2.2  直流分量和交流脈動分量產(chǎn)生電路

如圖3所示，電路DA采用TI公司生產(chǎn)的DAC8560芯片，該芯片為16位DAC芯片，通過SPI口和單片機STM32F103VCT6連接。直流分量由DAC直接生成。交流分量由DAC生成后，再由數(shù)字電位器MCP410調(diào)節(jié)合適的大小值，進而可得到更細分的交流分量。

圖 3　直流分量和交流分量產(chǎn)生電路

2.3  發(fā)光信號生成

發(fā)光信號是由直流分量和交流分量疊加生成，故采用加法電路，見圖4。

圖 4　發(fā)光信號生成電路

2.4  電壓轉(zhuǎn)電流驅(qū)動發(fā)光管電路

以上過程生成的發(fā)光信號是電壓信號，而一般采用電流信號驅(qū)動發(fā)光管，需采用圖5所示的電路將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號。電流大小為：I=V（DC+AC）/R21。其中，I為轉(zhuǎn)換生成的驅(qū)動發(fā)光管電流，V（DC+AC）為CPU生成的發(fā)光電壓信號，R21為限流電阻。

圖 5　電壓轉(zhuǎn)電流驅(qū)動發(fā)光管電路

3、系統(tǒng)軟件設計

 

3.1  軟件設計流程

軟件設計流程見圖6。上電后初始化系統(tǒng)時鐘及外設，外設包括控制電壓輸出的DAC芯片和MCP410、與上位機通信的串口、采集電壓的A/D及控制定時采樣的定時器。各個外設模塊初始化完成后，開啟定時中斷，軟件系統(tǒng)開始輪詢處理任務。定時中斷處理的是采樣反射式脈率測量設備，根據(jù)采樣結果判斷當前反射式脈率測量設備的發(fā)光狀態(tài)，通知主循環(huán)計算當前發(fā)出的電壓值，輸出電壓。上位機的脈率設置命令也是通過串口中斷接收，然后在主循環(huán)中設置參數(shù)。

圖 6　軟件流程

3.2  PPG波形輸出

使用反射式脈率設備測量人體得到一個周期的PPG信號（圖7），PPG分交流信號和直流信號兩部分，脈搏波動產(chǎn)生的是交流信號，而直流信號主要來源于動脈血的非脈動部分、靜脈血和毛細血管等部分對光的恒定吸收。程序中只存儲了PPG的交流信號數(shù)據(jù)，作為電壓輸出的趨勢參考，該系統(tǒng)由實際PPG信號直流信號與交流信號的比例計算出當時要輸出的電壓值，隨著時間的推移計算出符合PPG趨勢的電壓值，這樣就輸出了PPG的波形。

圖 7　PPG的波形

3.3  被測設備的發(fā)光識別

要識別被測設備的發(fā)光，首先需采集出被測設備的發(fā)光信號。為快速捕捉到被測設備的發(fā)光脈沖，我們設計了一個采樣率為100 kHz 的采集工具，采集到的發(fā)光信號見圖8。由圖8可知，反射式脈率模擬儀系統(tǒng)可以采集出被測設備的發(fā)光信號，并能辨別發(fā)光與不發(fā)光（系統(tǒng)設置一個約為1500的限值，超過即為發(fā)光，然后發(fā)出相應的PPG信號即可）。為驗證此方法的通用性，我們又采集了另一個被測設備，所得發(fā)光信號見圖9。由圖可知，此方法同樣適用于該設備。

圖 8　被測設備的發(fā)光信號

圖 9　另一被測設備的發(fā)光信號

4、系統(tǒng)測試結果及分析

 

4.1  系統(tǒng)對被測設備發(fā)光信號識別的準確性

反射式脈率模擬儀系統(tǒng)需要準確識別被測設備的發(fā)光信號才能準確反饋給被測設備需要的PPG信號，從而達到模擬人體動脈血對光吸收后反射給反射式脈率設備的目的[4]。為了驗證識別反射式脈率設備的發(fā)光情況，我們在系統(tǒng)中存儲了一段接收到發(fā)光信號的脈沖和識別標志，存儲數(shù)據(jù)見圖10。圖10中標識a處為識別標志的識別情況，a標識線的最低處為不發(fā)光的部分，可以看出a標識線與實際采集反射式脈率設備的發(fā)光脈沖一致，說明該系統(tǒng)可以準確識別發(fā)光脈沖。

圖 10　反射式脈率設備的發(fā)光脈沖

4.2  模擬儀測試

選擇兩款反射式脈率測量設備A和B作為被測對象，脈率測量數(shù)據(jù)見表1。

表1　反射式脈率模擬儀系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)

由表1可知，兩款反射式脈率測量設備可識別模擬儀輸出的40~200次/min之間的脈率信號，并且兩款設備顯示的脈率與模擬儀設置的脈率基本一致，說明反射式脈率模擬儀系統(tǒng)可以用于反射式脈率測量設備的檢測。

 

總之，通過對反射式脈率模擬儀系統(tǒng)進行實測和比對，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠很好地模擬人體的脈率，具有理想的一致性，可基本滿足實用要求。

 

【參考文獻】

［1］許曉峰，歷哲，凌振寶.反射式血氧飽和度測量系統(tǒng)設計[J].吉林大學學報（信息科學版），2013，31（3）：260-265.

［2］蔣曲博，甘永進，張翠娜.反射式血氧飽和度檢測系統(tǒng)研制[J].中國醫(yī)學物理學雜志，2017，34（1）：58-64.

［3］甘永進，甘國妹，蔣曲博，等．基于AFE4490的反射式脈搏血氧檢測系統(tǒng)[J]．電子技術應用，2017，43（8）：92-94，99．

［4］孫兆敏.動態(tài)光譜數(shù)據(jù)分析與脈搏血氧測量系統(tǒng)[D].天津：天津大學，2010.