基于MAX30102的血氧饱和度监测.pdf

基于MAX30102的血氧饱和度监测Blood Oxygen Saturation Monitoring Based on MAX30102 阚子杨 姜绍君 白煜民 刘萧鸣 张悦（大连理工大学城市学院，辽宁大连 116600）摘 要 对于人体血氧饱和度的测量，提出了一种基于 MAX30102 的无创伤检测方法。MAX30102模块的发光二极管将红光和红外光发射到手指，手指血液里的正常血红蛋白吸收一部分光，MAX30102 的光电传感器接收反射光，并转换为数字量输出给 STM32 微处理器。STM32微处理器对信号进行滤波，测量周期、直流分量和交流分量，算出血氧饱和度，将结果发送给手机APP显示、存储数据。通过实验，并与医用测量仪比较，实验数据的相对误差小于5%，能够满足初步测量要求。关键词 MAX30102；血氧饱和度；光电传感器；STM32微处理器中图分类号 R197.39 文献标识码 B基于MAX30102的血氧饱和度监测阚子杨，等基金项目：2022年度辽宁省大学生创新创业项目（S202213198002）0 引言在临床医学上，血氧饱和度反应人体缺氧的程度，是体现人体呼吸是否正常的重要生理参数。血氧饱和度正常值的范围为 95%100%。如果低于 94%，就要及时到医院检查原因。血氧饱和度的测量方法分为有创测量和无创测量两种方法1。有创测量方法（验血法）精度较高，但不能连续测量，并且价格昂贵。无创测量比较方便，可以连续测量。本文采用无创测量方法，将手指插入指夹式光电传感器中，根据还原血红蛋白（Hb）和氧合血红蛋白（HbO2）的含量来测量人体血氧饱和度。首 先，利 用 血 氧 仪 和 心 率 监 测 模 块MAX30102 的光电传感器采集两种血红蛋白的反射信号。然后，主控制器 STM32F103 C8T6 对反射信号进行滤波处理，计算出血氧饱和度数值。最后，通过WiFi模块发送给手机显示并存储测量的数据。1 测量原理人体的血红蛋白分为正常血红蛋白和异常血红蛋白，正常血红蛋白能结合氧气，异常血红蛋白不能结合氧气。正常血红蛋白包括还原血红蛋白（Hb）和氧合血红蛋白（HbO2）。血氧饱和度表示血液中被氧结合的氧合血红蛋白容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比。在正常情况下，如果只考虑能携带氧气的血红蛋白，那么血氧饱和度SpO2的表达式为：SpO2=HbO2HbO2+Hb 100%（1）其中：Hb和HbO2表示两种血红蛋白的含量。-1仪器仪表与分析监测 2024年第1期通常，无创测量方法采用光电容积脉搏波扫描法（Photoplethysmogram,PPG）2,3，这种方法利用光电技术采集血液中的还原血红蛋白（Hb）和氧合血红蛋白（HbO2）的含量。还原血红蛋白（Hb）和 氧 合 血 红 蛋 白（HbO2）对 波 长 6001000nm 的光吸收特性不同，在波长 600800nm之间还原血红蛋白（Hb）的吸收系数更高；在波长 8001000nm 之间氧合血红蛋白（HbO2）的吸收系数更高。因此，根据红光（660nm）和红外光（940nm）的吸收量可以检测还原血红蛋白（Hb）和氧合血红蛋白（HbO2）的含量。如图1所示，红光和红外光照射到人的手指，光电二极管拾取反射的光信号。反射光信号由两部分构成：一部分是被皮肤、肌肉和组织内的静脉血吸收后的反射信号；另一部分是被血液中的还原血红蛋白（Hb）和氧合血红蛋白（HbO2）吸收后的反射信号。图1 血液反射光示意图如图 2 所示，由于心脏不停地收缩和舒张，引起血管里的血液量发生变化，反射光强也随之发生变化4,5。当心脏处于收缩状态时，血管里的血液量最多，吸收的光最多，反射的光强度最弱；反之，当心脏处于舒张状态时，反射的光强度最强。根据红光和红外光的反射光信号的直流分量和交流分量，可以计算与血氧饱和度直接相关的系数，血氧饱和度系数表达式为：R=ACredDCredACIRDCIR（2）其中：ACred和DCred，分别表示红光RED的交流分量和直流分量；ACIR和 DCIR表示红外光 IR的交流分量和直流分量。图2 血液反射信号波形图在计算过程中，考虑到光散射的干扰因素和不同人的手指组织的差异，需要对血氧饱和度系数进行修正处理，实际的血氧饱和度计算公式为：SpO2=A1R2+B1R+C1（3）其中：A1、B1和 C1为常数，利用血氧饱和度标准测量仪器对血氧饱和度系数 R进行相关修正，通过最小二乘法拟合曲线确定了A1、B1和C1的值。2 测量电路2.1 系统硬件设计如图3所示，整个系统由主控制器STM32F103C8T6、血氧和心率监测模块MAX30102、WiFi模块ESP8266、电源模块、手机APP构成。首先，手指接触MAX30102的光电传感器，采集手指血液的反射信号，对发射信号进行放大、模数转换等处理，通过I2C总线将数据输出给主控制器；然后，主控制器对数据进行滤波，得到直流分量和交流分量，并计算出脉搏周期和血氧饱和度；最后，通过WiFi模块发送到手机APP显示存储测量的数据。图3 硬件系统框图2.2 MAX30102模块MAX30102 是一个集成脉搏血氧饱和度和心率监测的模块。MAX30102 有一个红光 RED 和红外光IR发光二极管，按照一定的先后顺序使两个发光二极管发光，经过手指反射，光电传感器将发射光强转换为电压；然后通过一个18位的高分辨率ADC将采集的模拟电压转换为数字量；最后-2经过MAX30102内置的I2C通信端口，将数字量送给主控制器。3 软件设计对原始脉搏信号进行处理，计算血氧饱和度的流程如图 4 所示。当手指接触 MAX30102 的光电传感器时，输出的原始脉搏信号含有许多高频干扰噪声。如图 5所示，主控制器采用低通滤波器（实际采用滑动均值滤波器）滤除高频干扰噪声，得到相对平滑信号。从连续多个周期的角度看，前一个周期和后一个周期的脉搏信号上下缓慢变化。为了确定每个周期的脉搏信号，利用自适应的阈值找到脉搏信号的周期，并在每个脉搏周期内找到最大值和最小值。根据公式（2）和（3），计算出血氧饱和度的数据。图4 计算血氧饱和度流程图5 脉搏信号示意图4 实验结果为了验证本方案的有效性，将本方案与指夹式血氧饱和度测量仪（欧姆龙血氧仪 HPO-100）进行对比，经过多次测量得到的平均值如表 1所示。从实验数据可以看出：在10个样本中，绝对误差小于等于5，相对误差小于5%，绝对误差大于等于 3 的样本占样全部样本数的 30%，检查人体血氧饱和度比较准确。表1 血氧饱和度检测结果样本12345678910实体值/%9998100999710099100100100测量值/%9698951009910098989699绝对误差/%30512012415 结束语本文利用MAX30102的光电传感器采集还原血红蛋白（Hb）和氧合血红蛋白（HbO2）的含量，实际测量结果的绝对误差还比较大。今后将从两方面继续研究：一方面，深入分析在光电传感器的数据采集过程中受到的各种干扰，包括外界光的干扰和手指血液波动变化的干扰；另一方面，改进数据处理算法，提高测量精度，尤其对于采集的脉搏数据的周期计算，红光和红外光的反射光信号的直流分量和交流分量的计算等。参考文献：1牛帅,段世梅,孙轶康 脉搏血氧饱和度监测技术的临 床应用现状及进展J 中国医刊,2020,55(06):585-586.2徐盼盼,徐冰俏,徐文龙 基于AFE4400 的脉搏血氧饱和度检测系统J.激光与红外,2015,45(3):320-324.3刘光达,郭维,朱平,等 基于容积波分析的血氧饱和度测量系统J.激光与红外,2009,39(02):169-172.4秦颖,张晶,蔡靖 基于交直流分离的反射式血氧饱和度测量系统的设计J 传感技术学报,2015,28(6):933-9375范丛山.基于FPGA的数字式血氧饱和度测量仪设计J.电子器件,2018,41(5):1341-1345基于MAX30102的血氧饱和度监测阚子杨，等-3