目的:研究基于MAX30101芯片實現(xiàn)對脈搏血氧的監(jiān)測,為脈搏血氧儀傳感器的選擇提供科學(xué)依據(jù),以滿足穿戴式脈搏血氧儀的設(shè)計需求。方法:基于血氧監(jiān)測原理以及光電容積描記技術(shù),將MAX30101芯片緊貼手腕,采集脈搏波光電容積（PPG）信號,并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出,針對獲取的PPG信號夾雜的噪聲干擾利用MATLAB軟件進(jìn)行濾波去噪,通過滑動濾波消除基線漂移對計算結(jié)果的干擾,經(jīng)閾值法找出信號峰值,由公式計算出血氧飽和度。根據(jù)算法得出的血氧值與Fluke-index2血氧飽和度模擬儀進(jìn)行比較,驗證芯片傳感器以及算法輸出的可靠性。結(jié)果:基于MAX30101芯片測得的血氧值與血氧模擬儀的標(biāo)準(zhǔn)值之間存在較好的一致性,兩組數(shù)據(jù)之間的誤差<1%。根據(jù)算法測出的血氧值波動范圍不大,在上下0.1%波動,有較好的輸出穩(wěn)定性。結(jié)論:MAX30101芯片結(jié)構(gòu)和算法可實現(xiàn)設(shè)備的微型化,確保其可穿戴性,可為用戶進(jìn)一步提供血氧算法的開發(fā),能夠滿足穿戴式脈搏血氧儀的設(shè)計需求,實現(xiàn)血氧飽和度的實時監(jiān)測。 

【文章來源】：中國醫(yī)學(xué)裝備. 2020,17(10)

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

穿戴式血氧監(jiān)測傳感器系統(tǒng)框圖1.2MAX30101芯片內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

糯篤鶻?獾縑講餛韃??姆聰?電流轉(zhuǎn)換為電壓，該電壓水平由內(nèi)部模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換(analog-to-digitalconverter，ADC)測量，血氧飽和度及心率使用算法計算�；贛AX30101芯片設(shè)計的穿戴式血氧監(jiān)測傳感器系統(tǒng)見圖1。圖1穿戴式血氧監(jiān)測傳感器系統(tǒng)框圖1.2MAX30101芯片內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)MAX30101芯片內(nèi)部電路包括環(huán)境光消除(ambientlightcancellation，ALC)、連續(xù)時間的sigma-deltaADC和專有的離散時間濾波器。ALC內(nèi)部有一個軌道和(或)保持電路來抵消環(huán)境光并增加有效的動態(tài)范圍[3]。MAX30101芯片內(nèi)部電路功能見圖2。圖2MAX30101芯片內(nèi)部電路功能圖動脈血氧飽和度ADC具有可編程的全面范圍從2～16μa。內(nèi)部ADC是具有18位分辨率的連續(xù)時間過采樣的sigma-delta轉(zhuǎn)換器，ADC采樣率為10.24MHz。ADC輸出數(shù)據(jù)速率可編程為50sps(每秒采樣數(shù))到3200sps。MAX30101芯片上的溫度傳感器用于校準(zhǔn)系統(tǒng)的溫度依賴性。設(shè)備輸出數(shù)據(jù)對紅外LED的波長相對不敏感，其中紅色LED的波長對正確解釋數(shù)據(jù)至

饒Ｄ庖墻?屑觳夥治�。�??釁饔?黑膠布纏繞在模擬儀的光學(xué)實驗指，確定MAX30101芯片位置準(zhǔn)確，將血氧飽和度模擬儀血氧值設(shè)置為70，間隔為5依次遞增到100。測試結(jié)果見表1。表1測試結(jié)果測試項目測試結(jié)果血氧模擬值707580859095100測試值69.875.079.684.390.594.699.8誤差值-0.20-0.4-0.7+0.5-0.4-0.2健康測試者靜息狀態(tài)下發(fā)出紅光與紅外光電檢測裝置檢測到處理后的信號，時間長度為45s，經(jīng)算法計算得出瞬時SpO2，由脈搏跳動次數(shù)可以估算心率(heartrate，HR)：HR=(n/t)×60。健康測試者血氧信號見圖5。圖5健康測試者血氧信號據(jù)之間的誤差在1%之內(nèi)。圖5顯示，根據(jù)算法測出的血氧值波動范圍不大，在上下0.1%波動，有較好的輸出穩(wěn)定性。5結(jié)論MAX30101芯片是超低功耗，完全集成的光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在發(fā)射器端具有3種波長的大電流LED驅(qū)動器，具有業(yè)界領(lǐng)先的環(huán)境光消除電路。由于MAX30101芯片低功耗，緊湊的尺寸，易于使用，可為用戶進(jìn)一步提供血氧算法的開發(fā)。本研究根據(jù)血氧的生理學(xué)原理以及光電容積描記法的光學(xué)原理，基于MAX30101芯片對脈搏血氧的連續(xù)監(jiān)測，能夠?qū)崟r測量出SpO2，該方法采用反射式無創(chuàng)檢測，滿足穿戴式脈搏血氧儀的設(shè)計需求，更適合于體外檢測。目前，光電容積描記技術(shù)十分成熟，同時PPG信號反映出不同層面組織結(jié)構(gòu)生理信息，如何利用PPG信號去提取全面的生理信息是下一步的研究方向。參考文獻(xiàn)HanningCD,Alexander-wiliamsJM.Pulseoximetry:apracticalreview[J].BMJ,1995,311(7001):367-370.楊智,朱海鋒,黃以華.PID控制器設(shè)計與參數(shù)整定方法綜述[J].化工自動化及儀表,2005,32(5):1-7.白鵬飛,劉強,段飛波,等.基于MAX30102的穿戴式血氧飽和度檢測系統(tǒng)[J].激光與紅外,2017,47(10):1

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于MAX30102的穿戴式血氧飽和度檢測系統(tǒng)[J]. 白鵬飛,劉強,段飛波,安琪,Nicolaas Frans de Rooij,李楠,周國富.  激光與紅外. 2017(10)
[2]面向可穿戴設(shè)備的脈搏波基線漂移去除算法[J]. 許金林,李曉風(fēng),李皙茹,元沐南.  計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展. 2017(11)
[3]人體血氧飽和度監(jiān)測方法的研究[J]. 嚴(yán)新忠,楊靜,郭略.  醫(yī)療裝備. 2005(12)
[4]PID控制器設(shè)計與參數(shù)整定方法綜述[J]. 楊智,朱海鋒,黃以華.  化工自動化及儀表. 2005(05)
[5]血氧飽和度的紅外光譜光電法測量[J]. 王強,王躍華,徐圣普,林淑娟,羅致誠.  國外醫(yī)學(xué).生物醫(yī)學(xué)工程分冊. 1998(06)

碩士論文
[1]基于光電容積脈搏波的抗運動心率及血氧提取算法研究[D]. 李敏.北京理工大學(xué) 2016
[2]血氧飽和度監(jiān)測儀的設(shè)計與應(yīng)用研究[D]. 韓帥.天津工業(yè)大學(xué) 2016
[3]基于MSP430的血氧檢測系統(tǒng)的研究[D]. 安亮.山東大學(xué) 2009



本文編號：3407298