基于PPG信号的人体生理参数测量的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.96MB 70 页 15积分

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摘要

基于朗伯—比耳定律的光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmoGraphy，PPG)

所记录的信号是光通过透射或反射的方式，反映动脉血管搏动引起的血容量变化，

经光电探测器获得的电压变化信号；该信号最成熟的应用是血氧饱和度测量。近

些年，伴随着人们对 PPG 信号的分析和研究，发现 PPG 信号与多种生理参数有

着密切的联系。

本文基于反射式光电测量法，利用 ATmega16 单片机进行血氧饱和度、心率、

呼吸频率这三项生理参数的测量：首先，对获取到的人体桡动脉 PPG 信号进行

A/D 转换存储在单片机内部存储器；其次，通过对 PPG 信号极值的判断实现血氧

饱和度和心率的测量；再次，利用时间抽取基 2快速傅里叶变换对获取的桡动脉

信号进行傅里叶变换，实现呼吸频率的测量；最后，利用高集成芯片温度传感器

DS18b20 进行人体体温的测量。

对10 名志愿者进行生理参数的测量，并对利用本文设计的系统的测量结果和

实时记录的结果进行数据的相关性分析：血氧饱和度的相关系数

0.985r

，心率

的相关系数

0.982r

，呼吸频率相关系数

0.933r

，体温的相关系数

0.937r

。

通过相关性分析可以看出，利用本系统测量的生理参数值和实时记录的生理参数

值之间有着良好的相关性，可以利用本系统进行无创、长时间和多参数的测量。

本文完成了基于光电容积脉搏波的多生理参数测量原理的设计和系统的搭

建，测得的数据能较为准确的描述生理参数的变化，为下一步进行小型化的设计

奠定了基础。

在本文的最后，对如何进一步提高系统的性能和完善系统的功能做简要的说

明，对后续的工作的开展做了相关的展望。

关键字：光电容积脉搏波血氧饱和度心率呼吸频率快速傅里叶变

换

基于 PPG 信号的人体生理参数测量的研究

ABSTRACT

The PhotoPlethysmoGraphy(PPG) reflected the change of blood volume based on

Lamber-Beer Law is the signal of voltage change obtained by the photoelectric detect

with the way of transmission or reflection. The most mature application of the PPG is

the measurement of the oxygen saturation. In recently years, the people paid more

attention to the analysis and research of the PPG, and found that the high relationship

between the PPG and some of physiological parameters.

This paper was based on the reflecting photoelectric measuring method, utilized

the ATmega16 microcontroller to perform the measurement of four physiological

parameters which are oxygen saturation, heart rate, respiration rate and body

temperature: Firstly, performing the A/D converting and then saving the data in the

internal storage of microcontroller. Secondly, realizing the blood oxygen saturation and

heart rate measurement through the judgment of the maximum value of the PPG signal,

therefore, process the PPG with radical 2 time extraction FFT to realize the respiration

rate. The body temperature was measured by highly integrated chip temperature sensor.

10 volunteers were recruited to perform physiological parameters measurement.

We analyzed the correlation between the results measured by the designed system and

dates recorded real time. The correlation coefficient of the blood oxygen saturation,

heart rate, respiration rate and the body temperature r is 0.985, 0.982, 0.933 and 0.937

respectively.

According to the correlation analysis, it can be found that the value of

physiological parameters measured by designed system and the recorded date real time

have a good agree and we will realize multi-physiological parameters measurement by

this system noninvasive, long time. This paper constructed the measurement system

of multi physiological parameters based on the PPG. The measured parameters can

describe the change of physiological parameters more accurately. This established a

solid base for next step miniaturization design.

At the end of this paper, a briefly description was concentrated on how to improve

the system performance for the continuous work.

Key words: PPG, Oxygen Saturation, Heart Rate, Respiration Rate,

FFT

III

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 多生理参数测量的意义 ......................................... 1

§1.2 多生理参数测量的研究进展 ..................................... 2

§1.3 基于 PPG 信号测量呼吸频率的可行性 ............................. 3

§1.4 本文主要内容 ................................................. 4

第二章生理参数测量原理 .............................................. 5

§2.1 光子在组织中漫反射理论简介 ................................... 5

§2.2 血氧饱和度测量原理 ........................................... 6

§2.3 呼吸频率测量原理 ............................................. 8

§2.3.1 呼吸频率测量方法 ......................................... 8

§2.3.2 快速傅里叶变换介绍 ........................................ 9

§2.3.3 基于 PPG 信号的呼吸频率测量 .............................. 10

§2.4 心率和体温的测量 ............................................ 10

§2.5 本文总体设计流程 ............................................ 11

§2.6 本章小结 .................................................... 12

第三章系统硬件电路设计 ............................................. 13

§3.1 硬件系统总体设计 ............................................ 13

§3.2 电源模块设计 ................................................ 14

§3.3 桡动脉光电检测探头设计 ...................................... 14

§3.4 功率可调电路设计 ............................................ 15

§3.5 光电探测电路设计 ............................................ 16

§3.6 主放大电路设计 .............................................. 17

§3.6.1 前置放大电路 ............................................ 17

§3.6.2 三运放放大电路 .......................................... 18

§3.7 滤波电路设计 ................................................ 19

§3.7.1 高通滤波电路设计 ........................................ 19

§3.7.2 低通滤波电路设计 ........................................ 20

§3.7.3 Q 值可调的 50Hz 滤波电路 .................................. 20

§3.8 信号调节电路设计 ............................................ 21

§3.9 ATmega16 单片机系统设计 ......................................22

基于 PPG 信号的人体生理参数测量的研究

§3.9.1 ATmega16 单片机简介 ...................................... 22

§3.9.2 单片机引脚分配 ........................................... 22

§3.9.3 1602 液晶简介 ............................................ 23

§3.9.4 DS18b20 简介 ............................................. 24

§3.9.5 JTAG 接口设计 ............................................ 26

§3.10 本章小节 ................................................... 26

第四章系统软件程序设计 ............................................. 28

§4.1 程序设计流程 ................................................ 28

§4.2 LED 发光频率 .................................................29

§4.3 A/D 转换程序设计 .............................................31

§4.4 血氧饱和度计算程序设计 ...................................... 35

§4.5 心率计算程序设计 ............................................ 36

§4.6 呼吸频率程序设计 ............................................ 37

§4.7 体温测量程序设计 ............................................ 38

§4.8 1602 液晶显示程序设计 ........................................40

§4.9 系统总体流程图 .............................................. 43

§4.10 本章小节 ................................................... 44

第五章实验标定 ..................................................... 45

§5.1 血氧饱和度标定 .............................................. 45

§5.2 体温标定 .................................................... 46

§5.3 本章小节 .................................................... 46

第六章数据分析 ..................................................... 47

§6.1 实验数据 .................................................... 47

§6.2 实验讨论 .................................................... 47

§6.3 本章小节 .................................................... 48

第七章总结与展望 ................................................... 49

附录 ................................................................ 50

参考文献 ............................................................ 63

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 67

致谢 ................................................................ 68

第一章绪论

§1.1 多生理参数测量的意义

随着科学技术的发展，仪器仪表获得了较大的发展，各种各样的电子产品也

逐渐进入到我们的日常生活，伴随着人们对自我健康的重视，便携式医疗电子产

品进入家庭。

常用的多生理参数检测仪由于其测量参数多、测量准确，广泛应用在医院、

家庭和体能测试单位。多生理参数检测仪可以显示生理参数，便于使用者对当前

的身体状态做出正确判断，从而做出正确地处理。多生理参数测试仪不但可以提

高疾病的正确诊断率，也可以让被检测者知道当时的身体状况。因此多生理参数

测试仪已经成为医院、家庭和体能测试中的重要医疗设备。

目前医疗电子仪器的发展在稳定、准确测量的前提下，向小型化、多功能化、

家庭化的发展趋势已经越来越明显[1]，而在医院和体能测试中使用的多参数测量

仪体积大，成本高，不易于家庭使用。同时伴随着微处理芯片的飞速发展，微处

理芯片的信号处理能力和驱动能力有了相当大的提高，这使得便携式医疗生理参

数测量设备成为医疗电子产品发展的新方向。

便携式医疗生理参数测量设备是建立在嵌入式系统之上，采用的微处理芯片

有低端单片机，也有高端单片机如 ARM、DSP 等，而不是建立在普通计算机上。

尽管这些生理参数测量设备测量的生理参数较少，有的甚至只有一种生理参数，

但是已经使便携式生理参数测量设备成为现实，并由其广泛的适应性、坚实的可

靠性和使用的灵活性使其在生理参数测量设备中占据了重要的地位。

便携式生理参数测量设备，既能体现医疗仪器的理念，又具备明确的用户实

用性和灵活性，同时医疗生理参数测量设备的生产易于集成化、规模化，售后和

升级也比较简便，往往只需进行软件的升级和修复就可以完成。

在社会竞争日趋激烈的今天，人们的生活节奏逐渐加快，特备是广大的工薪

阶层，由于其工作和生活压力增大，使得亚健康状态广泛存在于广大的工薪阶层

人员[2]，这使得他们越来越关注自身的健康情况，关注自身的身体情况；同时，

伴随着老龄化社会的到来[3]，老年人的健康情况也备受关注，这使便携式家庭生

理参数测量仪器具有更广阔的前景。

人体生理参数密切的反映着人体的健康情况，通过分析相应的生理参数就能

显示出该人的健康状况。通过这些生理参数，一方面可以使工薪阶层人员和康复

人员在熟悉的环境中的测量，避免了“白衣效应”，使测得生理参数数据更加可靠，

基于 PPG 信号的人体生理参数测量的研究

另一方面也可以用在体育运动中测量运动员的身体指标，实现快速的检测生理参

数。

便携式生理参数测量设备可以实现无创、实时、连续的测量生理参数，并且

具有使用方便、检测结果数据可靠等优点，使多生理参数测量设备的应用范围得

到扩大，由此使生理参数检测仪的研究具有重要的研究意义。

§1.2 多生理参数测量的研究进展

基于光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmoGraphy，PPG)测量人体多种生理

参数的方法具有操作简单、性能稳定和适应性强等优点。在过去的十几年中，在

PPG 信号进行测量人体生理参数方面也进行了大量的研究，并取得了一系列的进

展[4]。

基于 Lambert-Beer 定律利用 PPG 信号进行血氧饱和度测量的技术是一项比较

成熟的技术。常用的血氧饱和度测量方式有透射式和反射式：透射式的血氧饱和

度的测量仪有指端血氧饱和度测量仪和耳垂血氧饱和度测量仪等；反射式的血氧

饱和度测量仪有胎儿血氧监护仪、脑血氧仪和肌血氧仪等。

Keisuke Matsushita 在反射式测量血氧方面进行了一系列的研究，在理论上证

明了反射式测量 PPG 信号的可实现性[5]。Debra J. Lynn-McHale 在血氧饱和度的

探头安放位置做了相关的研究，介绍了几种安放位置：鼻骨处，指端和耳垂部位，

并做了相应的说明[6]。廖国杰等的研究表明通过改变光强法来可以实现检测组织

不同层次的血氧饱和度[7]。李景龙设计的反射式血氧饱和度测量仪在不同氧浓度

下的兔子和心外科大动脉瘤患者上进行实验，其结果与血气及临床一般的血氧饱

和度仪监测的结果有良好的一致性(P>0.05) [8]。周洪建等利用三波长进行无创血氧

饱和度测量进行了研究，研究结果显示用三波长有良好的抗干扰能力，但是在低

信噪比的情况下存在最小均方误差算法收敛速度慢的问题[9]。

呼吸频率是急性呼吸功能障碍的敏感指标，也是衡量一个人心脏功能好坏和

气体交换是否正常的重要指标。呼吸频率受到很多因素的影响，这些影响因素中

有很多与人的心脏功能和气体交换有关，因此，能快速准确的测量出人体的呼吸

频率对评估一个人的心脏功能和气体交换功能的意义十分重大。临床上主要测量

呼吸频率的方法有阻抗法，直接测量呼吸气流法和气道压力法等[10]。国内外在利

用PPG 信号中解调出呼吸频率方面进行了相应的研究，采用的方法有数字滤波

法、小波变换法和功率谱法。Nilsson 等人采用通带为 0.1Hz-0.3Hz(6 次/分-18 次/

分)的三阶巴特沃斯滤波器实现从 PPG 信号中解调出呼吸频率，获得的结果和用

第一章绪论

常规方法得到的结果相比相差 0.5 次/分[11,12]。Addison 等人在利用小波变换从 PPG

信号中解调出呼吸频率进行了大量的研究：用 Morlet 小波对 PPG 信号进行小波

变换分析，从而实现呼吸频率的测量。用小波变换计算出来的呼吸频率和常规方

法测得的呼吸频率相比较存在 1次/分的误差，这种误差可能与选择的基波有关

[13]。Yue-Der Lin 等人通过计算 PPG 信号的功率谱实现呼吸频率的测量，计算的

结果与常规方法测量的呼吸频率相差 1.2 次/分[14]。Fleming 等人利用自回归模型

计算 PPG 信号的功率谱，从功率谱中计算的呼吸频率与常规方法测量的呼吸频率

相差 0.04 次/分[15]。

§1.3 基于 PPG 信号测量呼吸频率的可行性

当一定波长的光照射到皮肤表面时，通过透射或反射的方式，利用光电接收

器可将接收到的透射或反射光信号转变为电压信号。在此过程中由于动脉血管中

的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化，使光电接收器接收到的透射或者反射光

的强度也随之呈脉动性变化，使对应的电压信号也随之发生变化。

Hertzman于1938年提出PPG信号，是人体动脉的容积在光电检测技术下的表

现，PPG检测技术是用来作为检测活体组织中血液容积变化的一种无创检测方法

[16]。通过研究发现，各个年龄阶段和各个检测位置的PPG波形如图1-1和图1-2所示

[17]。PPG信号波形特征会随着人体心血管机能状态、年龄、呼吸频率、体位变化、

运动负荷等因素的变化而变化，因此对PPG信号所携带的生理信息的提取和分析是

目前PPG技术应用研究的热点，也是基于PPG技术进行心血管适能性能评定的一项

基础研究[18]。

图1-1 耳垂 PPG 信号

图 1-2 指端 PPG 信号

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I摘要基于朗伯—比耳定律的光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmoGraphy，PPG)所记录的信号是光通过透射或反射的方式，反映动脉血管搏动引起的血容量变化，经光电探测器获得的电压变化信号；该信号最成熟的应用是血氧饱和度测量。近些年，伴随着人们对PPG信号的分析和研究，发现PPG信号与多种生理参数有着密切的联系。本文基于反射式光电测量法，利用ATmega16单片机进行血氧饱和度、心率、呼吸频率这三项生理参数的测量：首先，对获取到的人体桡动脉PPG信号进行A/D转换存储在单片机内部存储器；其次，通过对PPG信号极值的判断实现血氧饱和度和心率的测量；再次，利用时间抽取基2快速傅里叶变换...

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