nm波長處,血紅蛋白的光吸收率比較低,那么反射光強

1、光電式脈搏波無線測量系統(tǒng)東南大學(xué) 王晨迪, 王衡，朱文琦 （東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，江蘇省 南京市 210096）指導(dǎo)教師：汪豐 副教授摘 要：本項目研制的光電式脈搏波無線測量系統(tǒng)包括脈搏波測量模塊，無線收發(fā)模塊和計算機分析處理軟件三大部分。結(jié)合光電容積法的特點，充分利用了TI公司OPT101等芯片的特性，設(shè)計高通、低通、工頻陷波器對輸出信號進行處理；使用集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換的CC2430單片機芯片完成檢測心率、無線通信等功能；計算機分析軟件通過USB接口與無線接收模塊交換數(shù)據(jù)，接收脈搏波信號，可動態(tài)實時觀察脈搏波數(shù)據(jù)，并進行分析處理，通過本文提出的基于小波變換的閾值去噪改進算法，快速有效地

2、分離脈搏波信號和噪聲；依靠智能分析算法輔助醫(yī)生進行各波段特征提取、進行節(jié)律異常，血管彈性和血液粘性等快速診斷，迅速關(guān)注異常脈搏波，指導(dǎo)用戶了解自身健康狀況和幫助醫(yī)護人員進行下一步醫(yī)療措施。關(guān)鍵詞：光電脈搏波，傳感器，無線傳輸，小波去噪，智能分析 Abstract: The photoelectric pulse wave wireless measurement system developed in this project includes pulse wave measurement module, wireless transceiver modules, and computer a

3、nalysis software. Combined with the characteristics of photoelectric volume method, we have made full use of the OPT101 and other chips from TI company designing high-pass, low pass, power frequency notch filter to process the output signals; By the use of the integration of the analog-digital conve

4、rsion of the CC2430 microcontroller chip, the heart rate detection, wireless communications and other functions have been accomplished; computer analysis software can exchange data with the wireless receiver module via USB interface to receive the pulse wave signal and fulfill dynamic real-time obse

5、rvation of pulse wave data and analyzed treatment. Using the proposed threshold denoising Algorithm based on wavelet transform, the pulse wave signal and noise can be separated quickly and effectively; the intelligence analysis algorithms can assist doctors with feature extraction, and rhythm abnorm

6、alities, blood vessel elasticity and blood viscosity and other rapid diagnosis and pay attention to abnormal pulse wave promptly, guiding the user to understand their own health status and help medical staff medical measures on the next step.Key Words: Photoelectric pulse wave, sensors, wireless tra

7、nsmission, wavelet denoising, intelligent analysis一、引 言作者簡介：王晨迪（1988-），女，福建福州人，學(xué)生，本科，生物信號處理；王衡（1987-），男，山東淄博人，學(xué)生，本科，生物信號處理；朱文琦（1987-），女，江蘇常州人，學(xué)生，本科，生物信號處理；脈搏是臨床檢查和生理研究中常見的生理現(xiàn)象，脈搏波的波形幅度和形態(tài)，包含了反映心臟和血管狀況的重要生理信息。光電脈搏波檢測法能避開強烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，做到無創(chuàng)傷、穩(wěn)定、盡可能少的不適應(yīng)感和無過敏反應(yīng)1。目前已有多種測量脈搏等身體特征的儀器，但由于現(xiàn)有儀器都太大，隨身攜帶不方便，

8、無法進行長期監(jiān)測。因此，研制無線人體脈搏測量裝置具有重要的實用意義，其優(yōu)勢在于：操作簡單，攜帶方便，脈搏數(shù)據(jù)可無線輸送到數(shù)據(jù)接收終端，并通過USB接口與計算機相連，適合長期監(jiān)護和數(shù)據(jù)分析。光電脈搏波的測量原理2為：根據(jù)朗伯比爾(Lamber Beer) 定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。當恒定波長的光照射到人體組織上時，通過人體組織吸收、反射衰減后測量到的光強將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖，組織中的動脈成分含量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強相對較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常

9、在人體指尖。手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定的，而在血液中，靜脈血的搏動相對于動脈血是十分微弱的，可以忽略，因此可以認為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長的光源的照射下，通過檢測透過手指的光強將可以間接測量到人體的脈搏信號。二、測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 整個系統(tǒng)具體包括脈搏波測量模塊，單片機主控模塊和計算機分析處理軟件三大部分。1）脈搏波測量模塊完成脈搏波信號的拾取、放大、濾波，檢測電路中的前置放大器將光電傳感器的檢測信號適當放大后，送工頻陷波器陷波，以防止可能出現(xiàn)的過強工頻干擾阻塞系統(tǒng)放大通道。主放大器和末級放大器將信號放

10、大，并經(jīng)過濾波處理濾除基線漂移和運動偽跡等。2）單片機主控模塊包含用戶端和服務(wù)器端兩個子模塊。前者將脈搏信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過單片機計算心率參數(shù)，并將原始信號通過無線方式傳送給服務(wù)器端模塊。后者通過USB口與計算機連接并交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采樣率為200Hz，無線數(shù)據(jù)傳輸速率為19.2kbps。本模塊將采用TI公司CC2430芯片。3）計算機分析處理軟件。軟件通過USB接口與無線接收模塊交換數(shù)據(jù)，接收脈搏波信號，可動態(tài)實時觀察脈搏波數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理；研究并實現(xiàn)從脈搏波信號中檢測心率；可保存測量的脈搏波信號，并離線觀察和分析信號。工作流程如下：佩戴適合的光電檢測裝置，opt101發(fā)出一定波長

11、紅外波，傳感器感受由脈搏反射回的光信號，將其轉(zhuǎn)換成電信號，電信號再經(jīng)過放大、增益、濾波之后傳送到CC2430芯片中。進入芯片的信號經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換，由微處理器進行簡單處理，經(jīng)過計算后轉(zhuǎn)換成脈率數(shù)據(jù)，存儲在內(nèi)存中。內(nèi)存中數(shù)據(jù)通過USB或無線傳輸系統(tǒng)送進計算機中，進行進一步去噪與分析和顯示。見圖1。三、測量系統(tǒng)具體模塊設(shè)計 3.1 光電檢測脈搏波的原理1紅外發(fā)光二極管發(fā)出的光照射到手指上，被手指組織的血液吸收和衰減后由傳感器opt101接收， 由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性脈動變化，它對光的吸收和衰減也是周期性脈動的，于是opt101輸出信號的變化也就是周期性變化，反映了動脈血的變化，完成了

12、變化的光信號到變化的電信號的轉(zhuǎn)變。按光的接收方式可分為透射式和反射式和透射式兩種。透射式的光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置，從光源發(fā)出的光穿過皮膚進入深層組織，除被皮膚、色素、指甲、血液等吸收外，一部分由血液漫反射回，其余部分則透射出來；反射式的測量原理與透射式的基本相同，所不同的是測頭當中的發(fā)射光源和光敏器件位于同一側(cè)，接收的是漫反射回來的光?？紤]到舒適度本系統(tǒng)采用了反射式來提取脈搏波。3.2 脈搏波采集電路根據(jù)對脈搏信號的采集要求，設(shè)計以下的脈搏波采集電路方案：主要由以下7大部分組成（見圖2）：傳感器：為了充分利用器件的效果，光源和光敏元件的選擇是綜合考慮的，考慮到在805nm波長

13、處，血紅蛋白的光吸收率比較低，那么反射光強較大，有利于光敏器件，故選用波長為805nm的紅外發(fā)射管，落在光敏元件OPT101檢測靈敏度較高的波段內(nèi)。OPT1012將感光部件和放大器集成在同一個芯片內(nèi)部，線性好、響應(yīng)快，能檢測到像脈搏波這樣低頻、微弱的生理信號。這種集成化的設(shè)計方式有效地克服了后端運算放大器空載電流輸出對光敏部件輸出電流的影響,而且芯片輸出的電壓信號可以通過外部的精密電阻進行調(diào)節(jié)。同時芯片的集成化設(shè)計有利于芯片適應(yīng)整體的電路設(shè)計,而且能夠減小系統(tǒng)的功耗。差分放大：前置放大是脈搏數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于人體信號十分微弱，噪聲背景強且信號源阻抗較大，因此，通常要求前置放大器具有高輸入

14、阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動態(tài)范圍等性能，設(shè)計時一般都采用差分放大電路。采用TI公司的INA118精度較高而且功耗較小，放大倍數(shù)由單個電阻控制，共模抑制比較高。高通濾波電路：基線漂移和呼吸時脈搏波信號幅值的變化，從頻譜上說，這些影響都可以歸結(jié)為一個低頻噪聲干擾，這些噪聲主要集中在0.015Hz-0.3Hz。設(shè)定高通截止頻率為0.5Hz，留有一定的余量為防止元器件因精度不夠而造成較大誤差。一級放大；工頻陷波電路：雖然前置放大電路對共模干擾具有較強的抑制作用，但部分工頻干擾是以差模信號方式進入電路的，經(jīng)過前面的前置放大、低、高通濾波和主放后，輸出仍然存在較強的工頻

15、干擾，所以必須專門濾除。本系統(tǒng)采用的Fliege 陷波濾波器具有以下優(yōu)點：僅用四個高精度組件（兩個電阻和兩個電容）就可實現(xiàn)中心頻率的調(diào)諧；允許組件的輕度不匹配，其僅會影響中心頻率，而不會影響陷波深度；使用兩個相同阻值的非關(guān)鍵電阻器就可實現(xiàn)濾波器 Q 值的獨立調(diào)諧，且不會影響中心頻率；濾波器的中心頻率在小范圍內(nèi)的調(diào)整對陷波深度的影響不大。二級放大；低通濾波電路：脈搏波信號在10Hz以下，為了消除高頻干擾，使用低通濾波器，根據(jù)經(jīng)驗可取截至頻率為30Hz。3.3 單片機主控模塊單片機主控模塊主要包括兩個子模塊，用戶端和服務(wù)器端兩個模塊。前者將脈搏信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過單片機計算心率參數(shù)，通過液晶屏顯

16、示實時心率，并將原始信號通過無線方式傳送給數(shù)據(jù)通訊模塊。后者通過串口與計算機連接并交換數(shù)據(jù)，交給后臺處理。系統(tǒng)采樣率為200Hz。本模塊核心采用TI公司CC2430芯片，集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換和點對點無線通信功能3。3.4 計算機軟件模塊（1）模塊功能及結(jié)構(gòu)（見圖3）該模塊能完成以下功能：接收串口傳來的實時脈搏波數(shù)據(jù)，通過算法分析濾波后顯示；自動分析并保存脈搏波分析結(jié)果信息；便于后期工作的進行。根據(jù)病人姓名，時間，等進行檢索，回調(diào)脈搏波數(shù)據(jù)，顯示，醫(yī)生補充；用戶管理系統(tǒng)界面人性化，操作方便快捷。信息處理流程如圖4所示，病人通過無線監(jiān)護裝置向工作站發(fā)送脈搏波數(shù)據(jù)，工作站將接收的數(shù)據(jù)送至智能分析模塊，并將

17、數(shù)據(jù)信息和分析結(jié)論共同存入數(shù)據(jù)庫中；同時，工作站完成對數(shù)據(jù)庫的查詢、修改等功能。（2）小波去噪4本測量系統(tǒng)提出了一種基于小波變換的脈搏波閾值去噪改進算法：依據(jù)了高頻系數(shù)方差在不同尺度下的分布特征,提出了一種自適應(yīng)確定分解層數(shù)方法；以小波分解的高頻系數(shù)方差衰減和上升的拐點作為確定層數(shù)的特征點，提出自適應(yīng)確定小波分解層數(shù)的算法。根據(jù)小波系數(shù)的局部鄰域信息進行方差估計，盡可能更多的保留信號細節(jié)，得到效果較好的自適應(yīng)閾值估計。針對恒定偏差與不連續(xù)問題, 在軟硬閾值折中函數(shù)的基礎(chǔ)上，引進了領(lǐng)域參數(shù)，提出在閾值鄰域范圍內(nèi)線性收縮至零的閾值函數(shù)。將小波降噪算法應(yīng)用于光電式脈搏波無線測量系統(tǒng)中，實驗結(jié)果表明該

18、方法可以快速有效地分離脈搏波信號和噪聲,為準確監(jiān)測脈搏波信號奠定了基礎(chǔ)。去噪效果圖見圖5。（3）智能分析5智能分析算法可以輔助進行各波段特征提取、進行節(jié)律異常，血管彈性和血液粘性等快速診斷。特征提取包括：波形檢測：P波檢測、D波檢測、V波檢測、u點定位；參數(shù)提?。篜s、Pd、Pm。診斷分析包括：頻域分析、脈搏頻率、降中峽指標、重搏波指標、K值、SV心臟每搏出量、CO 心輸出量、TPR 外周阻力、AC 動脈順應(yīng)性、BAS 體表面積、SI 心搏指數(shù)、CI 心臟指數(shù)、V 血液粘度、BV 總血容量、ALK 血液半更新率、ALT 血液半更新時間、TM 平均滯留時間。效果圖見圖6。四、結(jié)束語無創(chuàng)傷監(jiān)護技術(shù)是未來醫(yī)學(xué)工程發(fā)展的重要方向，而人體脈搏信號中蘊含著豐富的生理信息，逐漸引起了臨床醫(yī)生的很大興趣。光電容積法( PPG) 是當今測量脈搏信號的一種有效途徑，可以通過這