基于AFE4404的脉搏血氧检测系统
吴洁 李凯扬
关键词： 心率; 血氧饱和度; 朗博比尔定律; 经验定标; 三波长; AFE4404; 脉搏信号
中图分类号： TN911.23?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2019）04?0010?04
Pulse and blood?oxygen detection system based on AFE4404
WU Jie， LI Kaiyang
（Wuhan University， Wuhan 430072， China）
Abstract： In allusion to the problems of large output noise of the pulse acquisition circuit and poor antivibration performance of the current dual?wavelength blood oxygen monitor， an AFE4404?based circuit is designed to measure the heart rate， ?pulse and blood?oxygen saturation （SpO2）. The three?wavelength SpO2 calculation formula is obtained according to the Lambert?Beer law and empirical calibration method， and a detection system is designed by taking the formula as the model. In the design， the three?wavelength oximetry analog front?end AFE4404 chip of the TI Company is used to realize pulse signal acquisition in combination with the control unit. The autonomously?complied upper computer software is used to realize calculation of the heart rate and SpO2， and display of related waveforms. The results of the experimental verification and analysis show that the system can output pulse signals with small noise， and has high accuracy in measurement of the heart rate and blood oxygen.
Keywords： heart rate; blood?oxygen saturation; Lambert?beer law; empirical calibration; three?wavelength; AFE4404; pulse signal
心率及血氧飽和度是心血管疾病相关的生理参数，也是心血管疾病预防及临床诊断非常重要的指标[1]。心脑血管疾病是心脏血管和脑血管疾病的统称，是一种严重威胁人类健康的常见病[2]。目前临床上使用的检测设备主要为心电监护设备，这些设备在血氧设计上多采用双波长原理。经临床应用发现，这些监护设备的测量精度和准确性受到血液灌注水平和运动干扰的限制[3?5]，存在抗震性差、准确性不够理想的缺陷。为此本文主要介绍了基于三波长原理的脉搏血氧检测系统的设计与实现。本文以Aoyagi提出的基于光电容积描记法[6]与朗博比尔（Lambert?Beer）定律 [7]的多波长血氧模型[3]为基础，自主设计出具有三波长血氧功能的检测系统[7?8]。该系统采用了新的前端脉搏信号获取电路和改进后的血氧饱和度计算公式[7]。最后将系统测量结果与康泰的CMS60商用两波长血氧计（使用血氧模拟仪定标过的标准血氧计）的测量结果进行对比和分析，证明了本文设计系统的可行性。1 ?三波长血氧饱和度检测原理
三波长无创血氧饱和度检测系统的基本原理是基于人体血液随脉搏波动导致对光的吸收变化来实现相关计算。而光源的选择依据为图1中的血红蛋白光吸收曲线[9]。通过对图1分析可知测量光源波长选为660 nm和940 nm可使血氧饱和度的灵敏度最大。
为了实现血氧信号均衡，同时提高血氧仪的稳定性，本文选择805 nm波长作为参考光源。此波长为含氧血红蛋白和去氧血红蛋白的等吸收点。相关计算方法则是依据光电容积描记法[6]，采集通过人体组织后透射的光电容积脉搏波信号，再根据Lambert?Beer定律[7]推导的公式进行计算。具体推导过程见文献[7]，本文以文献[7]中推导出的三波长经验定标公式作为模型，计算出SpO2值，其公式如下：
式中，SpO2，AC，DC分别表示血氧饱和度、脉搏波信号的交流分量和直流分量。交流分量为脉搏波信号的波峰值与波谷值之差，直流分量为脉搏波信号的波峰值，下标660，805，940为对应不同波长所得值。
2 ?系统概述
本文系统由指夹式探头、信号采集部分、控制单元、电源处理电路及上位机软件等部分组成。
图2为系统整体框图。探头连接至AFE4404对应外部接口上，通过AFE4404内部驱动电路可实现探头中的三路发光二极管分时发光。AFE4404完成探头输出信号采集，并可对接收到的电流信号进行去直流，电流转电压、放大、滤波、A/D转换等处理。控制单元STM32F103微控制器是整个系统核心控制部分，主要负责调整探头中LED灯的驱动电流强度，控制脉搏信号中电流的直流偏置及交流增益，完成数据的收集并通过串口将数据上传至上位机软件。通过自主编写上位机软件，实现心率及血氧的计算，三路脉搏波形、心率和血氧饱和度计算结果的显示。电源处理电路负责给其他模块提供所需工作电压。3 ?硬件设计
3.1 ?探头部分
本系统使用指夹式探头实现信号采集，图3a）为探头实物图，该探头由3个发光二极管（LED）及一个光电接管分别嵌入硅胶指套的上、下面组成。光线传播路径示意图如图3b）所示[10]，光电二极管接收透射光并将光信号转换为微弱的电流信号。
3.2 ?信号采集部分
信号采集部分主要由AFE4404模块完成，这是TI公司的一款面向光学生物传感应用的模拟前端（AFE）。该模拟前端支持3个开关LED，1个光电二极管，具有去除直流偏置模块、电流转电压模块、滤波模块、模/数转换器（ADC）以及6位电流控制的全集成LED驱动器。
3.3 ?控制部分
主控芯片采用Cortex?M3内核的STM32F103系列，主要参数如下，具有128 KB FLASH，20 KB RAM，1个I2C接口、1个SPI接口和2个串口，满足现有需求。该主控单元在整个模块设计中负责AFE4404的控制及脉搏信号的读取及输出。4 ?软件设计
固件实现具体流程图如图4所示。系统上电后，首先完成各模块的初始化，初始化完成后判断探头是否在位。探头在位后判断从AFE4404中读出的数据是否超过设定阈值1，若没超过阈值1，则手指插入探头，修改AFE4404寄存器使LED高频发光;手指在位条件下判断ADC读出的数据，判断读出值是否在阈值2范围内，若不在，则按相关算法调整AFE4404参数，直到满足阈值2的条件。最后将处理好的信号打包上传至上位机。相关算法的实现是将LED驱动电流设置在适当值的前提下，调整直流偏置与信号放大倍数。5 ?结果讨论
为对系统进行验证分析，本文采用如下方法开展实验：使用国际通用的Fluke Index 2两波长血氧模拟仪检测康泰的CMS60血氧仪的准确度;分别使用该系统与康泰的CMS60两波长血氧仪同时测量同一实验者，比较二者测得的心率和血氧值。图5为实验操作实物图。
检测康泰CMS60血氧仪准确度的具体实验步骤如下：
1） 将血氧模拟仪的血氧值及灌注水平值均固定，将心率值从30～250按增量值为5依次增加，图6a）显示了血氧值为96%，灌注水平为5%条件下心率测量结果。当固定值为其他条件时所得结果基本一致。
2） 将血氧模拟仪的心率值及灌注水平固定，将血氧值在35%～95%之间按步进值为2%依次增加，在95%～100%之间按步进值为1%依次增加。图6b）显示了心率为75，灌注水平为5%条件下血氧值的测量结果，当固定值为其他条件时测量结果基本一致。
分析图6可以得出：CMS60血氧仪的脉率范围在30～250 BPM间误差绝对值不超过2;血氧饱和度在85%～100%间误差不超过1%，35%～85%间误差不超过3%，具有较高的准确性和重复性，满足临床医疗仪器测量要求，可作为标准仪器对本文设计系统进行验证分析。
最后将本文设计系统与康泰CMS60血氧仪同时测量多名健康实验者的结果进行对比，具体实验步骤如下：实验选取了28名身体健康的志愿者，年龄在23～50岁，其中部分志愿者具有多年的抽烟史。在每个实验者呼吸平稳，正常坐立情况下分别使用该系统与CMS60进行测量。
为对实验结果进行一致性分析，采用Bland?Altman法[11]。通过图6中的数据分布情况以及计算2种测量结果的一致性界限，判断结果的一致性。数据分析过程中将置信区间设为95%作为两种方法测量的结果是否具有一致性的界限。经28组数据可分别计算出两种方法测量结果差值的均值[d]（平均偏倚）以及心率和血氧对应置信区间。经计算心率的[d=0.107]，置信区间为-1.84～2.06;血氧饱和度的[d=-0.429]，置信区间为-1.88～1.03。图7中显示了两种测量方法的心率和血氧饱和度的数据大部分均位于置信区间内，表明兩种测量结果具有很好的一致性。此外，为量化评估测量结果，本文进一步使用相对精确度（Accuracy）和均方根误差（RMSE）对测量结果进行计算。上述各参数的计算结果如表1所示。
统计分析结果表明，本文设计系统与标准血氧仪CMS60有很好的一致性。证明了本文设计系统准确性高，且稳定性较好。6 ?结 ?语
本文提出一种基于AFE4404的三波长脉搏血氧检测系统。对该系统从工作原理，硬件电路的实现，软件界面等方面进行了介绍。最后将本文系统与标准血氧仪CMS60进行对比试验，通过对实验结果的统计分析，得出通过采用三波长测量原理设计出的血氧饱和度检测系统，结合AFE4404设计的脉搏信号获取电路，可得到噪声小的脉搏信号，并在确保精确性的前提下提高了血氧检测系统的稳定性，这有利于减少将来仪器在临床使用时对病人的限制因素。由于条件限制，本文测量数据样本有限，后期还需进一步做临床实验，获取更多不同类型的样本对该系统进行验证分析。
注：本文通讯作者为李凯扬。
参考文献
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CHEN Weiwei， GAO Runlin， LIU Lisheng， et al. 2015 summary report on cardiovascular diseases in China [J]. Chinese circulation journal， 2016， 31（6）： 521?528.
[3] 王晓飞，赵文俊.基于动态光谱法的多波長脉搏血氧饱和度测量[J].光谱学与光谱分析，2014，34（5）：1323?1326.
WANG Xiaofei， ZHAO Wenjun. Measurement of multi?wavelength pulse oxygen saturation based on dynamic spectroscopy [J]. Spectroscopy and spectral analysis， 2014， 34（5）： 1323?1326.
[4] 孙健.基于血氧饱和度的血供检测仪研制[D].杭州：杭州电子科技大学，2014.
SUN Jian. Development of blood supply detector based on blood oxygen saturation [D]. Hangzhou： Hangzhou Dianzi University， 2014.
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[6] KAMSHILIN A A， SIDOROV I S， BABAYAN L， et al. Accurate measurement of the pulse wave delay with imaging photoplethysmography [J]. Biomedical optics express， 2016， 7（12）： 5138?5147.
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HUANG Di， Li Kaiyang. Study on the algorithm of blood oxygen saturation based on three?wavelength liver reserve function detector [J]. Journal of biomedical engineering research， 2017， 36（2）： 121?125.
[8] 徐泽鹏，马腾飞，李凯扬.三波长肝储备功能检测系统的设计[J].中国组织工程研究，2013，17（5）：902?906.
XU Zepeng， MA Tengfei， LI Kaiyang. Insight into the three?wavelength hepatic reserve function detection system [J]. Chinese journal of tissue engineering research， 2013， 17（5）： 902?906.
[9] 陈春晓，刘建业，衡彤，等.智能化无创血氧饱和度检测系统的研究[J].南京航空航天大学学报，2002，34（4）：372?376.
CHEN Chunxiao， LIU Jianye， HENG Tong， et al. Intelligent system for noninvasive measurement of blood oxygen saturation [J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2002， 34（4）： 372?376.
[10] 张晓枫.基于ICG色素谱分析的光电肝储备功能检测方法研究及系统实现[D].长春：吉林大学，2016.
ZHANG Xiaofeng. Research on the detection method of photoelectric liver reserve function based on ICG color spectrum analysis and its system realization [D]. Changchun： Jilin University， 2016.
[11] GIAVARINA D. Understanding Bland Altman analysis [J]. Biochemia medica， 2015， 25（2）： 141?151.
关键词： 心率; 血氧饱和度; 朗博比尔定律; 经验定标; 三波长; AFE4404; 脉搏信号
中图分类号： TN911.23?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2019）04?0010?04
Pulse and blood?oxygen detection system based on AFE4404
WU Jie， LI Kaiyang
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Abstract： In allusion to the problems of large output noise of the pulse acquisition circuit and poor antivibration performance of the current dual?wavelength blood oxygen monitor， an AFE4404?based circuit is designed to measure the heart rate， ?pulse and blood?oxygen saturation （SpO2）. The three?wavelength SpO2 calculation formula is obtained according to the Lambert?Beer law and empirical calibration method， and a detection system is designed by taking the formula as the model. In the design， the three?wavelength oximetry analog front?end AFE4404 chip of the TI Company is used to realize pulse signal acquisition in combination with the control unit. The autonomously?complied upper computer software is used to realize calculation of the heart rate and SpO2， and display of related waveforms. The results of the experimental verification and analysis show that the system can output pulse signals with small noise， and has high accuracy in measurement of the heart rate and blood oxygen.
Keywords： heart rate; blood?oxygen saturation; Lambert?beer law; empirical calibration; three?wavelength; AFE4404; pulse signal
心率及血氧飽和度是心血管疾病相关的生理参数，也是心血管疾病预防及临床诊断非常重要的指标[1]。心脑血管疾病是心脏血管和脑血管疾病的统称，是一种严重威胁人类健康的常见病[2]。目前临床上使用的检测设备主要为心电监护设备，这些设备在血氧设计上多采用双波长原理。经临床应用发现，这些监护设备的测量精度和准确性受到血液灌注水平和运动干扰的限制[3?5]，存在抗震性差、准确性不够理想的缺陷。为此本文主要介绍了基于三波长原理的脉搏血氧检测系统的设计与实现。本文以Aoyagi提出的基于光电容积描记法[6]与朗博比尔（Lambert?Beer）定律 [7]的多波长血氧模型[3]为基础，自主设计出具有三波长血氧功能的检测系统[7?8]。该系统采用了新的前端脉搏信号获取电路和改进后的血氧饱和度计算公式[7]。最后将系统测量结果与康泰的CMS60商用两波长血氧计（使用血氧模拟仪定标过的标准血氧计）的测量结果进行对比和分析，证明了本文设计系统的可行性。1 ?三波长血氧饱和度检测原理
三波长无创血氧饱和度检测系统的基本原理是基于人体血液随脉搏波动导致对光的吸收变化来实现相关计算。而光源的选择依据为图1中的血红蛋白光吸收曲线[9]。通过对图1分析可知测量光源波长选为660 nm和940 nm可使血氧饱和度的灵敏度最大。
为了实现血氧信号均衡，同时提高血氧仪的稳定性，本文选择805 nm波长作为参考光源。此波长为含氧血红蛋白和去氧血红蛋白的等吸收点。相关计算方法则是依据光电容积描记法[6]，采集通过人体组织后透射的光电容积脉搏波信号，再根据Lambert?Beer定律[7]推导的公式进行计算。具体推导过程见文献[7]，本文以文献[7]中推导出的三波长经验定标公式作为模型，计算出SpO2值，其公式如下：
式中，SpO2，AC，DC分别表示血氧饱和度、脉搏波信号的交流分量和直流分量。交流分量为脉搏波信号的波峰值与波谷值之差，直流分量为脉搏波信号的波峰值，下标660，805，940为对应不同波长所得值。2 ?系统概述
本文系统由指夹式探头、信号采集部分、控制单元、电源处理电路及上位机软件等部分组成。
图2为系统整体框图。探头连接至AFE4404对应外部接口上，通过AFE4404内部驱动电路可实现探头中的三路发光二极管分时发光。AFE4404完成探头输出信号采集，并可对接收到的电流信号进行去直流，电流转电压、放大、滤波、A/D转换等处理。控制单元STM32F103微控制器是整个系统核心控制部分，主要负责调整探头中LED灯的驱动电流强度，控制脉搏信号中电流的直流偏置及交流增益，完成数据的收集并通过串口将数据上传至上位机软件。通过自主编写上位机软件，实现心率及血氧的计算，三路脉搏波形、心率和血氧饱和度计算结果的显示。电源处理电路负责给其他模块提供所需工作电压。3 ?硬件设计3.1 ?探头部分
本系统使用指夹式探头实现信号采集，图3a）为探头实物图，该探头由3个发光二极管（LED）及一个光电接管分别嵌入硅胶指套的上、下面组成。光线传播路径示意图如图3b）所示[10]，光电二极管接收透射光并将光信号转换为微弱的电流信号。
3.2 ?信号采集部分
信号采集部分主要由AFE4404模块完成，这是TI公司的一款面向光学生物传感应用的模拟前端（AFE）。该模拟前端支持3个开关LED，1个光电二极管，具有去除直流偏置模块、电流转电压模块、滤波模块、模/数转换器（ADC）以及6位电流控制的全集成LED驱动器。
3.3 ?控制部分主控芯片采用Cortex?M3内核的STM32F103系列，主要参数如下，具有128 KB FLASH，20 KB RAM，1个I2C接口、1个SPI接口和2个串口，满足现有需求。该主控单元在整个模块设计中负责AFE4404的控制及脉搏信号的读取及输出。4 ?软件设计
固件实现具体流程图如图4所示。系统上电后，首先完成各模块的初始化，初始化完成后判断探头是否在位。探头在位后判断从AFE4404中读出的数据是否超过设定阈值1，若没超过阈值1，则手指插入探头，修改AFE4404寄存器使LED高频发光;手指在位条件下判断ADC读出的数据，判断读出值是否在阈值2范围内，若不在，则按相关算法调整AFE4404参数，直到满足阈值2的条件。最后将处理好的信号打包上传至上位机。相关算法的实现是将LED驱动电流设置在适当值的前提下，调整直流偏置与信号放大倍数。5 ?结果讨论
为对系统进行验证分析，本文采用如下方法开展实验：使用国际通用的Fluke Index 2两波长血氧模拟仪检测康泰的CMS60血氧仪的准确度;分别使用该系统与康泰的CMS60两波长血氧仪同时测量同一实验者，比较二者测得的心率和血氧值。图5为实验操作实物图。
检测康泰CMS60血氧仪准确度的具体实验步骤如下：
1） 将血氧模拟仪的血氧值及灌注水平值均固定，将心率值从30～250按增量值为5依次增加，图6a）显示了血氧值为96%，灌注水平为5%条件下心率测量结果。当固定值为其他条件时所得结果基本一致。
2） 将血氧模拟仪的心率值及灌注水平固定，将血氧值在35%～95%之间按步进值为2%依次增加，在95%～100%之间按步进值为1%依次增加。图6b）显示了心率为75，灌注水平为5%条件下血氧值的测量结果，当固定值为其他条件时测量结果基本一致。
分析图6可以得出：CMS60血氧仪的脉率范围在30～250 BPM间误差绝对值不超过2;血氧饱和度在85%～100%间误差不超过1%，35%～85%间误差不超过3%，具有较高的准确性和重复性，满足临床医疗仪器测量要求，可作为标准仪器对本文设计系统进行验证分析。最后将本文设计系统与康泰CMS60血氧仪同时测量多名健康实验者的结果进行对比，具体实验步骤如下：实验选取了28名身体健康的志愿者，年龄在23～50岁，其中部分志愿者具有多年的抽烟史。在每个实验者呼吸平稳，正常坐立情况下分别使用该系统与CMS60进行测量。
为对实验结果进行一致性分析，采用Bland?Altman法[11]。通过图6中的数据分布情况以及计算2种测量结果的一致性界限，判断结果的一致性。数据分析过程中将置信区间设为95%作为两种方法测量的结果是否具有一致性的界限。经28组数据可分别计算出两种方法测量结果差值的均值[d]（平均偏倚）以及心率和血氧对应置信区间。经计算心率的[d=0.107]，置信区间为-1.84～2.06;血氧饱和度的[d=-0.429]，置信区间为-1.88～1.03。图7中显示了两种测量方法的心率和血氧饱和度的数据大部分均位于置信区间内，表明兩种测量结果具有很好的一致性。此外，为量化评估测量结果，本文进一步使用相对精确度（Accuracy）和均方根误差（RMSE）对测量结果进行计算。上述各参数的计算结果如表1所示。统计分析结果表明，本文设计系统与标准血氧仪CMS60有很好的一致性。证明了本文设计系统准确性高，且稳定性较好。6 ?结 ?语本文提出一种基于AFE4404的三波长脉搏血氧检测系统。对该系统从工作原理，硬件电路的实现，软件界面等方面进行了介绍。最后将本文系统与标准血氧仪CMS60进行对比试验，通过对实验结果的统计分析，得出通过采用三波长测量原理设计出的血氧饱和度检测系统，结合AFE4404设计的脉搏信号获取电路，可得到噪声小的脉搏信号，并在确保精确性的前提下提高了血氧检测系统的稳定性，这有利于减少将来仪器在临床使用时对病人的限制因素。由于条件限制，本文测量数据样本有限，后期还需进一步做临床实验，获取更多不同类型的样本对该系统进行验证分析。
注：本文通讯作者为李凯扬。
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