无创心血管功能参数检测仪的研制

心血管疾病包括内膜增生、动脉粥样硬化、高血压、高脂血症和冠心病等，已成为危害人类健康的重大公共卫生难题[1]。研究表明，心血管疾病是病理特征长期积累的结果，并伴随着血流动力学和血液流变指标的改变[2]。心搏出量、心输出量等心血管功能参数对于探究心血管疾病的形成机制、临床诊断及预防具有显著的生理和病理意义[3-5]。近年来，光电容积脉搏波描记术（photoplethysmographic，PPG）由于其不易受干扰、廉价易得、实时快速等特点，在新型血流动力学监测装置研制中发挥了重要作用[6]。本研究采用PPG 设计了一种无创心血管功能参数检测仪，可无创检测人体心搏出量、心输出量、外周阻力、心搏指数、心脏指数，现报道如下。

1 整体框架方案

1.1 心血管功能参数检测算法

1.1.1 PPG 信号测量原理算法

当强度为I0单色光入射到均匀物质时，对应光电检测器接收的出射光强度I 为：

式中， ε（λ）为物质对波长λ 的摩尔消光系数，c 为吸光物质浓度，d 为光程长。

1.1.2 心血管功能参数检测算法

PPG 信号波形参数（K）值定义为[7]：

式中，Pm、 Ps、Pd分别为平均动脉压、收缩压、舒张压。

体表面积（body surface area，BSA）定义为[7]：

式中，T、W 分别为人体身高（cm）和体质量（kg）。

心输出量（cardiac output，CO）计算公式如下：

心搏出量（stroke volume，SV）计算公式如下：

心脏指数（cardiacindex，CI）计算公式如下：

心搏指数（stroke index，SI）计算公式如下：

外周阻力（total peripheral resistance，TPR）计算公式如下：

1.2 总体框架结构

该检测仪采用反射模式采集PPG 信号并选用脚趾作为测量部位，其总体框架结构包括光电传感器、PPG 模拟前端、nRF微控制器模块、液晶显示模块、电池充电及电源管理模块、心电监测模块等，见图1。该检测仪的主要工作流程为，由光电传感器等组成的模拟终端模块通过透射模式采集脚趾PPG 信号及心电采集模块采集的心电信号，并通过蓝牙协议将所测得数据传输至上位机。

图1 系统架构框图

2 硬件设计

2.1 NELLCOR 血氧探头

NELLCOR 血氧探头传感器由双发射管和光敏二极管组成，通过转接电缆连接至主机。本研究为采集脚趾的脉搏波波形，将NELLCOR 血氧探头改为反射式，脚趾轻踩血氧探头即可采集人体脚趾的血流波形，见图2。

图2 NELLCOR 血氧探头

2.2 主控制器和蓝牙模块

控制电路采用Nordic 公司型号为nRF的主控芯片，该芯片是一款功能强大、高度灵活的超低功耗多协议系统蓝牙单芯片，可作为嵌入式2.4 GHz 无线传输收发器，非常适用于集成低功耗蓝牙、高级网络协议（advanced network tools，ANT）和2.4 GHz 超低功耗需求的无线应用；nRF芯片可在1.7 ～3.6 V 的电源电压下工作；当任务操作不需要时，所有独立的外设和时钟均可提供完全的断电灵活性，从而将功耗降至最低；此外，nRF芯片资源广泛，同时可以内置低功耗蓝牙协议栈，方便基于低功耗蓝牙的开发，TI 公司心电检测电路芯片ADS1291、PPG 信号检测电路芯片AFE4400与微控制器通过串行外设接口（serial peripheral interface， SPI）协议进行数据通信，高清液晶屏（liquid crystal display， LCD）通过集成电路（inter-integrated circuit，I2C）协议进行通信，同时微控制器通过通用输入/输出接口（general-purpose input/output，GPIO）控制稳压芯片的使能引脚，进而控制电源开关进行电源管理，见图3。

图3 主控制器电路

2.3 心电检测电路

由于心电信号微弱且存在工频干扰、电极噪声等，因此，本研究选取两路高集成度、采样率高达8 KSPS 的24位高分辨率ADC，可实现同步采样，模数转换器内置可编程增益，支持1、2、3、4、6、8、12倍放大，高达-105 dB的共模抑制比，内部具有右腿驱动放大和导联脱落检测电路及可持续断电检测芯片ADS1291，见图4。信号输入经过保护电路、低通RC 滤波器进入ADS1291的1通道，经过ADS1291内部处理及ADC 采样得到心电数据，并通过SPI接口传输至控制器，相比于构建模拟电路，不仅减小了电路规模，而且提高了电路的可靠性。

图4 心电检测电路

文章来源：《心血管外科杂志(电子版)》 网址: http://www.xxgwkzz.cn/qikandaodu/2021/0616/727.html