无创心血管功能参数检测仪的研制(2) - 心血管外科杂志(电子版)杂志社投稿

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无创心血管功能参数检测仪的研制(2)

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2.4 PPG 信号检测电路

为了降低研发难度，增加电路可靠性，PPG 信号检测采用了TI 公司AFE4400系列芯片。该芯片集成了LED 驱动电路和信号调理电路，可实现PPG 信号采集、处理等功能，提高了系统性能，有利于信号波形标准化，且降低了功耗及设计复杂度；此外，为防止输入输出端出现静电损坏芯片，增加了保护电路BAV99W，见图5。

图5 PPG 信号检测电路

2.5 电源管理模块

充电模块采用内部PMOSFET 架构，具有防倒充功能的LY4057D。充电电压固定于4.35 V，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电流达到最终浮充电压后降至设定值的1/10时，LY4057D 将自动终止充电循环，见图6（a）。为保障整个系统和硬件的稳定供电，将电池的电压分别经过LN1121P332MR 输出3.3 V 为主控电路供电，经过输出5 V 为心电采集电路供电，经过输出2.8 V 和输出1.8 V 为LCD供电，见图6（b）。

图6 电源管理模块电路

3 算法软件设计

3.1 噪声滤波算法

运动伪迹扭曲PPG 信号波形及幅值等信息，由于PPG信号具有拟周期性且频谱能量主要分布于其谐波成分上，故采用梳状滤波器。算法过程为[8]：（1）6层小波去噪抑制较强烈的运动伪迹；（2）快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）将信号时域变换成频域；（3）通过基频峰索引位置获取PPG 周期信息；（4）基于周期信息设计梳状滤波器。由于人体呼吸或肌肉抖动易引起PPG 信号波形基线漂移，我们采用三次样条插值拟合基线法，即给定（n+1）个数据点，则数据集可分为n 段，用n 段三次多项式在每2 个连续给定数据点之间构建一个三次样条，见下式：

式中， mi为函数S（x）在给定点xi（i=0,1,...,n）的微商值。

3.2 二阶两点差分阈值算法

自动寻找脉搏波波形起始点和终点并准确分离出脉搏波周期，即自动判波。由于PPG 信号噪声干扰及人工判波经验差异大，本研究提出二阶两点差分阈值算法。算法过程为：（1）先将采集到的脉搏波数据进行前向差分（后项减前项），由一阶导数的概念可知，该差分的过零点即脉搏波的起始点；（2）某些非正常波形中这个拐点不明显，需要对一阶差分数据再进行一次差分，通过二阶差分中的过零点即可准确地将脉搏波起始点分离出来；（3）具体实现为在脉搏波一阶差分数据中寻找上升支过阈值的点，然后在其前8个点内寻找过零点，如遇过零点则将其存储起来，否则，对差分数据再进行一次差分运算，按上述过程寻找二阶差分的过零点，该点即为脉搏波的起始点。

3.3 软件设计

软件开发使用C 语言编程实现，并采用模块化程序设计，架构上分为nRF主控模块、主控制器与AFE4400间SPI 通信模块、信号滤波模块、信号处理结果模块及显示模块。软件工作流程为：（1）系统上电初始化，包括SPI 初始化、AFE4400初始化等；（2）脚趾端PPG 信号采集、滤波处理；（3）波形绘制、心血管功能参数计算；（4）计算结果IPS 液晶屏显示。

4 结果

无创心血管功能参数检测仪可检测人体的PPG，并能实现PPG 信号滤波及自动判波，见图7。通过输入测试者个人信息，如身高、体质量等，通过心血管功能参数检测算法可计算出其心血管功能参数，结果见图8。

图7 二阶两点差分阈值算法在MCU 的运行结果

图8 心血管功能参数评价结果

5 小结

自动判波技术是血流动力学光电容积脉搏波无创检测技术的难点，常用的五点差分阈值法至少需要5个数据点，计算存在2T 时间延迟，其滤波功能将差分数据变得“圆滑”，增加了后续查找拐点的难度；相比于五点差分阈值法，二阶两点差分阈值法自动判波准确度更高，可将心律不齐、早搏、漏搏等病态波形起点及波形幅值较小的脉搏波波形起始点分离出来。

本研究基于PPG 原理实现了无创心血管功能参数检测仪的研制，该检测仪体积小巧、操作简单、功能可靠，且具有可穿戴方便、低功耗及成本低等特点，可用于家庭、医院、社区医疗心血管功能健康状况诊断及实时监测。

［1］ Shabaan M, Arshad K, Yaqub M, et al. Survey: smartphone-based assessment of cardiovascular diseases using ECG and PPG analysis [J].BMC Med Inform Decision Mak, 2020, 20(1): 177.

［2］吴萍. 基于脉搏波理论的心血管功能参数无创检测算法及实验验证 [D]. 北京：北京工业大学, 2014.

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