基于FFT、光電傳感器的多功能健身監(jiān)測(cè)儀的研究

1、基于FFT、光電傳感器的多功能健身監(jiān)測(cè)儀的研究田鶴，朱歡燕，張鈺，張珣*（杭州電子科技大學(xué) 電工電子國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 浙江 杭州 310018）摘 要：本文提出一種基于FFT和光電傳感器的多功能健身監(jiān)測(cè)儀，采用脈搏式無(wú)創(chuàng)血氧飽和度檢測(cè)方法來(lái)完成對(duì)人體血氧飽和度及心率的分析。探頭內(nèi)置光電傳感器，系統(tǒng)通過(guò)采集指尖對(duì)紅光及紅外光的吸收量，經(jīng)可控增益放大器放大，并由快速傅里葉分析（FFT）得到交流電信號(hào)的幅度、頻率等。使用PIC24FJ128GA010完成信號(hào)的采集、自動(dòng)增益判斷、信號(hào)處理等功能，最后采用脈搏血氧仿真器來(lái)進(jìn)行結(jié)果標(biāo)定。此外，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了基于加速度傳感器MMA7260的計(jì)步器功能，

2、增強(qiáng)健身監(jiān)測(cè)儀的實(shí)用性，并且能在健身過(guò)程中同時(shí)獲取動(dòng)態(tài)生理體征。關(guān)鍵詞：FFT；光電傳感器；脈搏式無(wú)創(chuàng)血氧飽和度檢測(cè)；可控增益放大；加速度傳感器中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.3Research on Multifunctional Fitness Monitor based on FFT and Photoelectric SensorTian He, Zhu Huanyan, Zhang Yu, Zhang Xu(Electrical and Electronic National Experimental Teaching Center, Hangzhou Dianzi University,

3、Zhejiang 310018, China)Abstract: This paper proposes a multifunctional fitness monitor based on FFT and photoelectric sensor, which uses pulse-type and non-invasive detection method to complete the analysis of the human blood oxygen saturation and heart rate. Through photoelectric sensor in probes,

4、the system collects the absorption of red and infrared light absorbed by fingertip, then by programmable gain amplifier and the Fast Fourier analysis, it extracts the amplitude, frequency of the AC signal. PIC24FJ128GA010 is used to complete the collection, automatic gain judgment and process of the

5、 signal. Finally, the result is calibrate by pulse blood oxygen simulation. Furthermore, it realizes the pedometer function based on three axles acceleration sensors MMA7260, which allows people to obtain dynamic physiological signs when exercising and enhances usability.Key Words: photoelectric sen

6、sor; pulse-type and non-invasive detection; acceleration sensors; programmable gain amplifier; fft0引言：隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們?cè)絹?lái)越重視體育運(yùn)動(dòng)，而如何根據(jù)自身?xiàng)l件科學(xué)的選擇運(yùn)動(dòng)，是人們面臨的一大問(wèn)題。當(dāng)前市場(chǎng)上的健身產(chǎn)品大多只是檢測(cè)身體的特定生理參數(shù)，或只是完成了對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的檢測(cè)，并未將二者結(jié)合起來(lái)，因此不能達(dá)到合理健身的效果。針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種多功能健身監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)計(jì)算用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)量，并以運(yùn)動(dòng)中人體的血氧飽和度、心率等參數(shù)作為健身的參考指標(biāo)，科學(xué)地指導(dǎo)用戶(hù)健身。其硬件是由光電傳感器1及

7、相應(yīng)的調(diào)理電路與單片機(jī)PIC24FJ128GA010組成的血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)，采用透射型的脈搏式方法獲得生理信號(hào)，通過(guò)濾波、可控增益放大，由PIC24FJ128GA010單片機(jī)內(nèi)置的高速A/D進(jìn)行信號(hào)采樣，并采用FFT算法分析數(shù)據(jù)，得到人體血氧飽和度及心率的生理信息。此外，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了計(jì)步器功能，其測(cè)步電路由三軸加速度傳感器2MMA726采集運(yùn)動(dòng)中的加速度特征，通過(guò)軟件計(jì)算，得到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的步數(shù)、時(shí)間、距離等健身信息。本文將重點(diǎn)介紹人體血氧飽和度及心率的檢測(cè)方案。*為通訊作者；本文得到浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃（新苗人才計(jì)劃）立項(xiàng)資助，項(xiàng)目編號(hào)為2011R 407005。1 血氧飽和度檢測(cè)模

8、型的建立人體中氧合血紅蛋白（）占整個(gè)血容量中血紅蛋白的百分比稱(chēng)為“血氧飽和度”，其公式為3： （1）式中為血液氧合血紅蛋白含量，為還原血紅蛋白含量，為血氧飽和度。本文選擇的血氧飽和度檢測(cè)模型以比爾-朗伯定律4為依據(jù)，即當(dāng)一束單色光通過(guò)溶液介質(zhì)時(shí)，吸光度與吸光溶液的濃度和溶液層的厚度的乘積成正比。其關(guān)系式為： （2）式中，表示溶液的吸光度，表示入射光強(qiáng)度，表示透射光強(qiáng)度，表示溶液層的厚度，為吸光溶液的濃度，為吸收系數(shù)，與溶液性質(zhì)、入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。圖1顯示了血液中不同成分的光吸收程度，其中氧合血紅蛋白對(duì)660nm波長(zhǎng)的紅光吸收量較少，而對(duì)940nm波長(zhǎng)的紅外光吸收量較多；還原血紅蛋白則反之5

9、。因此通過(guò)測(cè)定血液中紅外光吸收量與紅光吸收量之比值，可確定血紅蛋白的氧合程度。圖1 血紅蛋白吸光程度曲線Figure 1. Hemoglobin Light-absorption Curve基于上述原理，本文采用脈搏式無(wú)創(chuàng)血氧飽和度檢測(cè)方案。該方案把手指看成盛有血紅蛋白的透明容器，來(lái)測(cè)量紅光和紅外光透過(guò)手指的衰減程度，其測(cè)量模型如圖2所示。由于光路上的其他組織如皮膚、脂肪和骨骼等對(duì)這兩種光的吸收系數(shù)恒定，只有動(dòng)脈血流中的血紅蛋白濃度隨著血液的脈動(dòng)周期性的變化，因此通過(guò)測(cè)量光衰減程度的變化，就可獲得對(duì)應(yīng)的血氧飽和度及脈搏心率信息6。圖2 脈搏式血氧飽和度采集模型Figure 2. Pulse O

10、xyhemoglobin Saturation Acquisition Model2 血氧飽和度硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本文采用的血氧飽和度檢測(cè)電路主要由三個(gè)模塊組成：傳感器模塊、控制模塊和信號(hào)處理模塊，如圖3所示。圖3血氧飽和度采集硬件電路結(jié)構(gòu)框圖Figure3. Oxygen saturation acquisition hardware circuit block diagram控制模塊通過(guò)控制H橋電路驅(qū)動(dòng)傳感器模塊，其內(nèi)部還集成了10位高速A/D轉(zhuǎn)換器。傳感器模塊采用光電法7測(cè)量人體的血氧飽和度及心率等生物信號(hào)，使用時(shí)探頭夾在手指上。其上壁固定兩個(gè)并列放置的發(fā)光二極管(LED)，分別發(fā)出波長(zhǎng)為66

11、0 nm的紅光和940 nm的紅外光。下壁置有光電檢測(cè)器，可將光透過(guò)手指的衰減量轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。信號(hào)處理模塊由I-V轉(zhuǎn)換、帶通濾波、可編程增益放大（PGA）、交流信號(hào)采樣和直流信號(hào)采樣等電路構(gòu)成，如圖4所示。由傳感器模塊產(chǎn)生的電流信號(hào)，首先經(jīng)I-V電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，對(duì)此信號(hào)采樣，經(jīng)軟件濾波可得到紅光（紅外光）對(duì)應(yīng)的直流值。再通過(guò)帶通濾波器（0.2-15Hz）提取含有脈搏信息的交流量，并經(jīng)由PGA放大為適合采集的信號(hào)。被放大的交流量由單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器采樣后經(jīng)算法處理，可得到相應(yīng)的血氧飽和度和心率信息。圖4信號(hào)處理模塊結(jié)構(gòu)框圖Figure4. Signal processing module

12、block diagram3 基于FFT的血氧飽和度算法實(shí)現(xiàn)本文提出的血氧飽和度算法主要由信號(hào)采集、自動(dòng)增益判斷、基于FFT的信號(hào)分析、結(jié)果標(biāo)定四個(gè)部分構(gòu)成。1信號(hào)采集：信號(hào)采集部分主要負(fù)責(zé)LED管的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換，其中信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換使用單片機(jī)PIC24FJ128GA010內(nèi)部的10位高速A/D轉(zhuǎn)換器。通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換可得到含有血氧飽和度及心率信息的交、直流信號(hào)。2自動(dòng)增益判斷：由于特定光穿過(guò)指尖的衰減程度因人而異，為增強(qiáng)通用性，系統(tǒng)采用可控增益放大器來(lái)進(jìn)行交流信號(hào)的放大。系統(tǒng)通過(guò)判斷交流信號(hào)最大值（Max）與A/D轉(zhuǎn)換器參考正電平（Vcc）的差值，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)可控增益放大器的增益，進(jìn)而使

13、最終所得的數(shù)據(jù)占Vcc的2/3以上，以此提高系統(tǒng)精度。3基于FFT的信號(hào)分析：在得到直流信號(hào)及自動(dòng)增益放大后的交流信號(hào)基礎(chǔ)上，本文采用快速傅里葉分析（FFT）計(jì)算交流信號(hào)的信息，其主要功能函數(shù)有：void Reverse()：變址運(yùn)算，該函數(shù)將一個(gè)長(zhǎng)度為2n的自然序列重新排序，轉(zhuǎn)換成倒位序。void FFT(Length, Log2len)：FFT運(yùn)算，其中Length為輸入數(shù)組的大小，Log2len為其對(duì)應(yīng)的蝶形運(yùn)算長(zhǎng)度。void Magnitude()：計(jì)算經(jīng)由FFT分析所得的各次諧波的幅值。其幅值最大的點(diǎn)對(duì)應(yīng)原始信號(hào)的基次諧波。int VectorMax()：尋找幅度的最值，并返回其在數(shù)

14、組中的相應(yīng)下標(biāo)。void Frequency()：計(jì)算交流信號(hào)頻率。通過(guò)FFT分析得到的信號(hào)頻率Freq= I*Sampling/Length。式中I表示幅度最大值的數(shù)組下標(biāo)，Sampling表示系統(tǒng)的采樣頻率，Length為數(shù)組長(zhǎng)度。血氧飽和度及心率檢測(cè)的軟件算法的整體流程圖如圖5所示。圖5 血氧飽和度及心率檢測(cè)的軟件算法流程圖Figure5. Oxygen saturation and heart rate detection algorithm flowchart4結(jié)果標(biāo)定：根據(jù)比爾-朗伯定律（BeerLambert law），當(dāng)認(rèn)為指尖對(duì)光的衰減量變化主要由血紅蛋白引起時(shí)，其透射光強(qiáng)可

15、由下式表示8： （3）其中光的衰減一部分由光路上的其他組織引起，這部分組織的吸光量不隨脈搏變化，其總的吸光系數(shù)、光吸收物質(zhì)濃度和光路徑長(zhǎng)度分別為、，其透射光強(qiáng)所反映的直流信號(hào)記為。光的另一部分衰減由血液中的氧合血紅蛋白（）與還原血紅蛋白（）引起，其光吸收量隨脈搏而變化，記變化量為。由于光路徑長(zhǎng)度及其變化未知，采用雙光束法（及波長(zhǎng)660nm的紅光和波長(zhǎng)940nm的紅外光），可得到下式9： （4）代入血氧飽和度公式，考慮到透射光中交流分量占直流分量的百分比遠(yuǎn)小于1，用/ 近似代替，可得下式： （5） 式中、均為常數(shù)，因此在實(shí)際應(yīng)用中，可采用二次曲線擬合計(jì)算公式，如下： （6） 其中本文采用脈搏血氧

16、仿真器來(lái)進(jìn)行結(jié)果標(biāo)定，把血氧飽和度探頭夾在仿真器的模擬組織上，通過(guò)選定不同的血氧飽和度含量參數(shù)，可得到系統(tǒng)檢測(cè)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，即可對(duì)系統(tǒng)的血氧飽和度進(jìn)行定標(biāo)。4 計(jì)步功能的實(shí)現(xiàn)本文在血氧飽和度及心率檢測(cè)的基礎(chǔ)上還增加了計(jì)步器功能，具體請(qǐng)參考文獻(xiàn)10。5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果本文采用脈搏式無(wú)創(chuàng)血氧飽和度檢測(cè)方法，通過(guò)光電傳感器采集指尖對(duì)紅光及紅外光的吸收量，經(jīng)硬件濾波、放大，以及軟件的傅里葉分析算法，得到有關(guān)血氧飽和度和心率的數(shù)字信息。由加速度傳感器組成的測(cè)步電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)步器功能。其中血氧飽和度及心率信息的檢測(cè)信號(hào)如圖8所示。 (a) (b) (c)圖8 (a)濾波后的疊加信號(hào); (b)分離后未放大的交流信

17、號(hào); (c)經(jīng)自動(dòng)增益放大后的血氧飽和度及心率檢測(cè)信號(hào)Figure 8 (a). The AC and DC signals after filtering; (b). The AC signal without amplifying(c). Detect signal of oxygen saturation and heart rate after amplified by PGA在上圖中，傳感器模塊產(chǎn)生帶有光衰減程度的電流信號(hào)，經(jīng)I-V電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，系統(tǒng)首先輸出如圖8(a)所示的交直流疊加信號(hào)。對(duì)此信號(hào)采樣，經(jīng)軟件濾波可得到紅光（紅外光）對(duì)應(yīng)的直流值。疊加信號(hào)經(jīng)帶通濾波器，輸出交

18、流量，此時(shí)波形如圖8(b)所示。交流信號(hào)經(jīng)過(guò)自動(dòng)增益判斷，被放大為適合采集和處理的信號(hào)，如圖8(c)所示。6 結(jié)語(yǔ)本文設(shè)計(jì)的多功能健身監(jiān)測(cè)儀主要由血氧飽和度、心率采集及處理模塊和基于加速度傳感器的計(jì)步控制分析模塊兩部分組成。采用光電傳感器、加速度傳感器MMA7260、以及16位微控制器PIC24FJ128GA010等實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)，并通過(guò)FFT分析、自適應(yīng)計(jì)步算法、數(shù)字濾波等分析人體信號(hào)，實(shí)物測(cè)試結(jié)果表明本文提出的血氧飽和度精度達(dá)到95%以上，心率準(zhǔn)確度達(dá)0.01HZ。本文設(shè)計(jì)的多功能健身監(jiān)測(cè)儀實(shí)現(xiàn)了生理指標(biāo)與運(yùn)動(dòng)信息的結(jié)合，為科學(xué)運(yùn)動(dòng)提供了指導(dǎo)依據(jù)。參 考 文 獻(xiàn)1 高新軍，劉新穎.

19、 脈搏血氧飽和度測(cè)量原理及常見(jiàn)血氧探頭J. HYPERLINK /Periodical-ylsbxx.aspx 中國(guó)醫(yī)療設(shè)備， HYPERLINK /periodical/ylsbxx/2010-6.aspx 2010，25(6)：58-59。2 MMA7260A.http：/files/sensors/doc/data_sheet/MMA7260QT.pdf?pspll=1 2012.7.20 2007 093 陳春曉，劉建業(yè)，衡彤，黃強(qiáng). 智能化無(wú)創(chuàng)血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)的研究， HYPERLINK /Periodical-njhkht.aspx 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)， HYPERLINK /periodical/njhkht/2002-4.aspx 2002,34(4)：373-376。4 劉中奇，王汝琳基于紅外原理的氣體檢測(cè)J煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，(2)：65-66。5 李尚穎. 基于動(dòng)態(tài)光譜的數(shù)字化脈搏血氧檢測(cè)系統(tǒng)D. 碩士論文，天津大