20110419-118 睡眠环境调节系统的血氧饱和度和心率信号采集环节研制

睡眠环境调节系统的血氧饱和度与心率信号采集环节研制 黄俊杰① 孙骁①② 刘燕＊ 黄耀樑② 基金项目：中山大学学生科研项目资助（编号：医教[2009]83 号） ＊通讯作者：中山医学院生物医学工程系副教授，510080，广州市中山二路 74 号中山大学北校区 ①中山医学院生物医学工程系，510080，广州市中山二路 74 号中山大学北校区 ②中山大学东校区教学实验中心级工程师，510080，广州市中山二路 74 号中山大学北校区 摘 要 睡眠是人在一天活动后进行精力恢复和能量贮存的休复阶段。该阶段的睡眠质量好坏与身 体健康密切相关，而睡眠环境的温度、湿度、氧含量、噪音、光照、负离子等与睡眠质量有着紧密 的联系。为了让人可以获得最佳睡眠效果，有必要提供可根据人体生理参数进行自动调节的睡眠环 境。本文基于 TI公司的 eZ430-RF2500开发工具，开发了以 MSP430F2274芯片和 CC2500芯片为 核心模块的血氧与心率信号检测环节，实现对脉搏波信号的采集、处理与无线发送，为睡眠环境调 节系统提供前级人体生理参数的测量手段。 关键词 血氧饱和度 心率 无线 睡眠环境 调节系统 1 引言 人的一生大约有 1/3 的时间是在睡眠中度过，睡眠对于人体细胞生长、修复起着重 要的作用。在这一相对静息阶段，人通过睡眠的放松运动，使频繁劳作而紧张的肌体和 精神得以松弛恢复。良好的睡眠能帮助人们消除疲劳，恢复体力；保护大脑，恢复精力； 增强免疫力，康复机体；促进生长发育；保护心理健康；延缓衰老，促进长寿。因此， 睡眠质量直接影响人的工作效率[1]和人的身体健康。好的睡眠质量与适宜的睡眠环境密 切相关，直接影响人的睡眠状态的因素有：温度、湿度、气压、室内含氧量等。每个个 体在不同的身体健康状态下和不同的睡眠阶段对上述环境因素的反应和需求又不一样。 另外人在睡眠中的一些疾病也会降低人的睡眠质量，在不恰当的睡眠环境中还会导致意 外危险发生。比较常见的睡眠呼吸暂停综合征(sleep apnea syndrome，SAS)就是一种 在睡眠过程中反复出现呼吸暂停、低通气、血氧饱和度下降、和睡眠结构紊乱等特征的 疾病[2]。有研究表明，血氧饱和度下降程度是判断阻塞型睡眠呼吸暂停综合征(OSAS)患 者缺氧严重程度的重要指标[3]。近年来还有研究表明，夜间血氧饱和度检测能够显著地 反映出睡眠呼吸暂停综合征[4]。此外，睡眠与心率有着密切的联系，对于睡眠结构而言， 不同睡眠时期心率水平有较大的差异，睡眠实相转换时心率也会产生变化[5]。对于多数 患有睡眠呼吸暂停综合征患者而言，由于呼吸暂停发生时心率减慢，通气恢复后心率加 快，造成的心率在呼吸暂停过程中产生周期性变化[6]。 综合已有关于睡眠与人体生理参数方面的研究，我们认为要获得良好的睡眠必须提 供与人体睡眠状态各阶段相适应的睡眠环境，这就需要建立一套可根据人体生理参数和 环境参数来自动调节睡眠环境的温度、湿度、气压、室内含氧量的调节系统装置，通过 实时监测人体的心率和血氧饱和度等生理参数以及周围环境因素的参数，依据前面学者 们的研究结果，构建温度、湿度、气压、室内含氧量的控制模型，从而实现睡眠环境的 自适应调节，提供符合个体的最佳睡眠环境。 配合睡眠环境调节系统的研制，考虑到监测因子任意组态的便易性，本文基于 TI 公司的 eZ430-RF2500 开发工具，以 MSP430F2274 微控制器为核心控制处理模块，以无 线收发芯片 CC2500 为射频发射模块，组建睡眠环境调节系统的血氧饱和度与心率信号 采集监测环节。为了便于实时监测人在睡眠当中身体参数指标受环境因素影响的状态， 监测环节前级传感器采用指夹式血氧探头测量脉搏波，经过信号调整电路模块接入控制 模块，实现实时采集人体的血氧饱和度与心率两个生理参数，并经过调整处理后由射频 发射模块进行无线传输，从而配合睡眠环境调节系统进行环境温度、湿度、气压、室内 含氧量的调节，使人处于最佳的睡眠环境。 2 血氧饱和度和心率信号采集工作原理 2.1 血氧饱和度及其测量原理 血氧饱和度(SpO2)是衡量人体血液携氧能力的重要指 标，反映了血液中血氧含量的浓度，它是被氧结合的氧合血红蛋白（oxgenated hemoglobin， HbO2）容量占全部血红蛋白 (hemoglobin， Hb)容量的百分比，即 2 2 2 100% HbO SpO HbO HbR    ，其中， HbR 称为脱氧的或还原的血红蛋白（ reduced or deoxygenated hemoglobin，HbR），Hb 由 HbO2和 HbR 两部分组成 [7]。在临床上，对血氧 饱和度的测量有助于及时了解病人氧供信息，利于发现缺氧和潜在缺氧的可能性[8]。血 氧饱和度还可以反映人的呼吸功能，并在一定程度上反映动脉血氧的变化，故在临床监 护和家庭监护都具有重要意义[9]。 根据比尔—朗伯定理，波长为λ的单色光在吸收物质媒体中传播距离 d 后，其光强 为 0( ) ( )exp( )I I Cd    ，或 0ln[ ( ) / ( )]D I I Cd    。其中，I0和 I 分别表示入射光和透射 光的强度；C 表示光所穿过的物质浓度；d 表示所穿过的路径；ε为吸收常数，与吸光 物质的种类有关，同时还与入射光的波长λ有关；D 表示吸光度，反映光通过吸收物质 时被吸收的程度。研究表明，血液中氧合血红蛋白(HbO2)与还原血红蛋白(HbR)对特定 不同波长光的吸收率相差很大，关系曲线如图 1 所示。血液在 660nm 处 Hb 的摩尔吸光 系数较大，而在 940nm 处 HbO2 的消光系数较大。因此，可以采用波长为还原血红蛋白 (HbR)与氧合血红蛋白(HbO2)吸光系数差异较大的660nm波长和还原血红蛋白(HbR)与氧 合血红蛋白(HbO2)吸光系数基本相近的 940nm波长的光电传感器构成测量血氧浓度的检 测模块。 血氧测定的组织模型由两部分组成：无血组织（皮肤、骨骼等）和动脉血管组成。 无血组织主要体现在其对光吸收的量是固定的，它在图 2中表现为直流分量；而动脉血 管体现在对光吸收的量不是固定的，它在图 2中表现为交流分量。 图 1 血红蛋白吸光系数与波长的关系曲线 图 2 手指光吸收量变化示意图 根据上述模型，血氧饱和度可通过如下公式计算： 2SpO A R B   （1） 其中， / / REDAC REDDC IREDAC IREDDC V V R V V  ，其中 VREDAC、VREDDC、VIREDAC、VIREDDC分别表示红光（660nm）交流 分量、红光（660nm）直流分量、红外光(940nm)交流分量、红外光（940nm）直流分量。 A和 B是标定常数，本文分别取值为 12.5 和 85.5。 2.2 心率及其测量原理 心脏是人体器官中最重要的组成部分，其心室周期性的收缩和 舒张导致主动脉的收缩和舒张，使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉 系统传播，这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综 合信息反映了人体心率的快慢[10]。而通过脉搏跳动呈现的心率则可以反映人体的健康程 度[11]。 检测脉搏信号可采用压电、光电容积等方法，其中光电容积描记法的原理为：当某 个波长的光通过（射入）生物体组织时，由于血液中血红蛋白含量随着心脏搏动而引起 的血流量增减而变化，使组织对光的吸收量发生变化，用光电传感器可以将反射光检出， 即可测得血管内容积随脉搏的变化，由此测出脉搏及其随时间变化的波形[12]。兼顾血氧 饱和度的检测需求,心率信号采集检测环节采用与测量血氧相同的940nm波长光电传感 器，通过传感器的复用，同时检测出血氧和心率生理参数。 心率信号检测环节主要通过计算固定周期内的脉搏波宽度来计算心率。为了减小脉 冲噪声的影响，本文通过对连续9个周期长度的脉搏波宽度求平均，进而获得较为精确 的心率。其如下： 8 0 1 [ ] [ ] 9 i pulseaver n pulse n i    ， （2） 60 [ ] [ ] freqF HeartBeat n pulseaver n   。 （3） 其中 Ffreq是采样频率。 3 血氧饱和度和心率信号采集环节系统设计 3.1 硬件实现电路框图 本文设计的血氧饱和度与心率信号采集环节是由血氧模块、微 控制处理和无线发送接收模块三大硬件模块电路组成。通过从利尔达公司提供的血氧模 块中获取两路经过滤波后的红光及远红外光的信号，使用以MSP430F2274芯片和CC2500 芯片为核心组成的模块进行信号的后处理与信号的发送。系统框图如图3所示： MSP430F2274(1)模块主要完成接收血氧模块发送出的两路发光二极管信号，并对这 些信号进行分析、处理，得到血氧和心率值，通过无线发送到 MSP430F2274(2)模块。而 MSP430F2274(2)模块的主要功能是接收血氧和脉搏的数据，并将这些数据发送到睡眠环 境调节系统的控制计算机 PC端。 由利尔达公司提供的血氧模块使用MSP430FG439芯片控制血氧探头的光脉冲序列生 成及接收处理，其模块组成框图如图4所示。该血氧模块首先使用TimerA模块来实现对 血氧探头的时序控制，后通过OA、DA、AD三子模块实现对信号的预处理，MSP430FG439 芯片将预处理后的信号经串口发送出去。 血氧模块 MSP430F2274(1)USART USART MSP430F 2274(2) USART 无 线 发 送 USART P C CC2500 CC2500 MSP430FG439 Timer A USART OA DA AD 时序控制 血氧探头 增益控制 串 口 发 送 图 3 血氧饱和度与心率采集环节系统组成图示 图 4 血氧模块组成框图 3.2 软件实现流程 软件实现流程见图5。 微处理器初始化 串口接收数据 获取直流分量 获取交流分量 计算血氧和心率信号 无线发送 微处理器初始化 无线接收数据 发送到PC端 (a) (b) 图5 软件处理流程 其中(a)是MSP430F2274(1)模块的程序流程；(b)是MSP430F2274(2)模块的程序流 程。 设红光（660nm）原始采样信号为SAMPLERED，红外光（940nm）原始采样信号为SAMPLEIRED。 则红光直流分量VREDDC和红外光直流分量VIREDDC的计算公式如下： )(nhSAMPLEV REDREDDC  （4） )(nhSAMPLEV IREDIREDDC  （5） 其中h(n)为无限冲激响应系统函数（公式6所示）的逆变换函数。 0 1 ( ) 1 M r r r N k k k b z H z a z         （6） 即采自血氧模块的SAMPLERED和SAMPLEIRED原始信号经无限冲激响应(IIR)滤波器滤波后提 取红光直流分量VREDDC和红外光直流分量VIREDDC。 红光交流分量VREDAC和红外光交流分量VIREDAC的计算公式分别为： REDDCREDREDAC VSAMPLEV  （7） IREDDCIREDIREDAC VSAMPLEV  （8） 然后根据公式（1）、（2）、（3）可计算血氧饱和度和心率值。 为了简化计算血氧浓度需要获取交流分量峰值的过程，本文提出采用动态阈值法来 计算脉搏波峰值。即首先对交流分量取绝对值，然后连续取前数个周期的交流分量峰值 进行加权平均值，并乘以相应权系数，作为新的阈值点，阈值点计算公式如下： 2 0 1 [ ] 3 THRESHOLD ACMAX i V k V i     （9） 通过阈值点与当前采样点比较，将阈值点不断更新为当前交流分量的峰值，并大致 预测出波形的走向，进而检测出脉搏波的峰值点，从而计算出交流分量最终的峰值和半 个周期的时间长度。最后由公式（1）、（2）、（3）计算血氧饱和度和心率。这种算法的 好处在于满足实时性的需要，同时对脉搏波的动态变化能够及时地做出响应，从而能够 有效、准确地检测出血氧浓度和心率的大小。 4 实时检测实验调试与评估 用本项目开发设计的检测环节和标定仪器分别对 7人进行 3次同步测量对比。获得 如下数据列表。 表 1 实验数据对比 测试批次 1 2 3 仪器项目 本文设计 检测环节 对比标定 仪器 本文设计 检测环节 对比标定 仪器 本文设计 检测环节 对比标定 仪器 样本编号 血氧饱 和度 心 率 血氧 饱和 度 心 率 血氧 饱和 度 心 率 血氧饱 和度 心 率 血氧饱 和度 心 率 血氧饱 和度 心 率 1 92 79 95 79 86 79 92 79 86 79 92 79 2 99 70 98 88 98 73 98 88 98 75 98 76 3 96 64 99 92 99 76 99 92 99 79 99 93 4 96 64 95 70 99 71 99 61 99 66 99 62 5 99 71 99 81 99 69 99 77 99 71 99 78 6 94 74 93 66 95 62 98 60 94 72 97 59 7 99 59 99 65 99 65 99 63 99 62 99 66 观察实验数据，3 次测量效果基本一致，实验结果表明本项目设计的“血氧饱和度 和心率信号采集环节”可以实时采集血氧饱和度和心率信号，并实现了即时无线发送到 主机，达到了设计目标的要求。可以用于睡眠环境调节系统的实时检测。 5 结语 本文设计的睡眠环境调节系统的血氧饱和度和心率的采集环节，通过利用 660/940nm 的通用探头，MSP430F2274 为处理器，CC2500 为无线发送芯片，结构简单， 功耗低，可靠性好。本文提出的动态阈值法在计算血氧浓度和心率时，能快速自动追踪 脉搏波的动态变化，很好地实现对需要采集的信号进行实时检测。通过实时检测实验调 试与评估，本文设计的血氧饱和度和心率采集环节与市面上一些产品性能基本相当，可 以有效地采集人体的血氧和心率生理参数，作为睡眠环境调节系统的前级人体生理指标 实时监测组态模块，对整个睡眠环境调节系统的开发起着极为重要的作用。 为了进一步提高测量的稳健性与实时性可以选用高速的 DSP处理器作为信号计算处 理核心芯片。另外，对该信号采集环节添加人机界面，在接收端配置存储的模块，进一 步提高各模块的集成度，可以将该采集环节开发成一个血氧计，既能走进家庭，也有助 于医生对病人生理参数的分析，对治疗具有指导作用。 参考文献 [1] 郑慧君.微动敏感床垫式睡眠监测系统相关生理参数提取[D].山东:山东大学,2010. 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