基于MAX30101芯片的脉搏血氧监测研究
发布时间：2021-09-24 06:48
目的:研究基于MAX30101芯片实现对脉搏血氧的监测,为脉搏血氧仪传感器的选择提供科学依据,以满足穿戴式脉搏血氧仪的设计需求。方法:基于血氧监测原理以及光电容积描记技术,将MAX30101芯片紧贴手腕,采集脉搏波光电容积（PPG）信号,并将数据导出,针对获取的PPG信号夹杂的噪声干扰利用MATLAB软件进行滤波去噪,通过滑动滤波消除基线漂移对计算结果的干扰,经阈值法找出信号峰值,由公式计算出血氧饱和度。根据算法得出的血氧值与Fluke-index2血氧饱和度模拟仪进行比较,验证芯片传感器以及算法输出的可靠性。结果:基于MAX30101芯片测得的血氧值与血氧模拟仪的标准值之间存在较好的一致性,两组数据之间的误差<1%。根据算法测出的血氧值波动范围不大,在上下0.1%波动,有较好的输出稳定性。结论:MAX30101芯片结构和算法可实现设备的微型化,确保其可穿戴性,可为用户进一步提供血氧算法的开发,能够满足穿戴式脉搏血氧仪的设计需求,实现血氧饱和度的实时监测。
【文章来源】：中国医学装备. 2020,17(10)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
穿戴式血氧监测传感器系统框图1.2MAX30101芯片内部电路结构
糯笃鹘?獾缣讲馄鞑??姆聪?电流转换为电压，该电压水平由内部模拟-数字转换(analog-to-digitalconverter，ADC)测量，血氧饱和度及心率使用算法计算。基于MAX30101芯片设计的穿戴式血氧监测传感器系统见图1。图1穿戴式血氧监测传感器系统框图1.2MAX30101芯片内部电路结构MAX30101芯片内部电路包括环境光消除(ambientlightcancellation，ALC)、连续时间的sigma-deltaADC和专有的离散时间滤波器。ALC内部有一个轨道和(或)保持电路来抵消环境光并增加有效的动态范围[3]。MAX30101芯片内部电路功能见图2。图2MAX30101芯片内部电路功能图动脉血氧饱和度ADC具有可编程的全面范围从2～16μa。内部ADC是具有18位分辨率的连续时间过采样的sigma-delta转换器，ADC采样率为10.24MHz。ADC输出数据速率可编程为50sps(每秒采样数)到3200sps。MAX30101芯片上的温度传感器用于校准系统的温度依赖性。设备输出数据对红外LED的波长相对不敏感，其中红色LED的波长对正确解释数据至
饶Ｄ庖墙?屑觳夥治觥＝??衅饔?黑胶布缠绕在模拟仪的光学实验指，确定MAX30101芯片位置准确，将血氧饱和度模拟仪血氧值设置为70，间隔为5依次递增到100。测试结果见表1。表1测试结果测试项目测试结果血氧模拟值707580859095100测试值69.875.079.684.390.594.699.8误差值-0.20-0.4-0.7+0.5-0.4-0.2健康测试者静息状态下发出红光与红外光电检测装置检测到处理后的信号，时间长度为45s，经算法计算得出瞬时SpO2，由脉搏跳动次数可以估算心率(heartrate，HR)：HR=(n/t)×60。健康测试者血氧信号见图5。图5健康测试者血氧信号据之间的误差在1%之内。图5显示，根据算法测出的血氧值波动范围不大，在上下0.1%波动，有较好的输出稳定性。5结论MAX30101芯片是超低功耗，完全集成的光学数据采集系统，在发射器端具有3种波长的大电流LED驱动器，具有业界领先的环境光消除电路。由于MAX30101芯片低功耗，紧凑的尺寸，易于使用，可为用户进一步提供血氧算法的开发。本研究根据血氧的生理学原理以及光电容积描记法的光学原理，基于MAX30101芯片对脉搏血氧的连续监测，能够实时测量出SpO2，该方法采用反射式无创检测，满足穿戴式脉搏血氧仪的设计需求，更适合于体外检测。目前，光电容积描记技术十分成熟，同时PPG信号反映出不同层面组织结构生理信息，如何利用PPG信号去提取全面的生理信息是下一步的研究方向。参考文献HanningCD,Alexander-wiliamsJM.Pulseoximetry:apracticalreview[J].BMJ,1995,311(7001):367-370.杨智,朱海锋,黄以华.PID控制器设计与参数整定方法综述[J].化工自动化及仪表,2005,32(5):1-7.白鹏飞,刘强,段飞波,等.基于MAX30102的穿戴式血氧饱和度检测系统[J].激光与红外,2017,47(10):1
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于MAX30102的穿戴式血氧饱和度检测系统[J]. 白鹏飞,刘强,段飞波,安琪,Nicolaas Frans de Rooij,李楠,周国富. 激光与红外. 2017(10)
[2]面向可穿戴设备的脉搏波基线漂移去除算法[J]. 许金林,李晓风,李皙茹,元沐南. 计算机技术与发展. 2017(11)
[3]人体血氧饱和度监测方法的研究[J]. 严新忠,杨静,郭略. 医疗装备. 2005(12)
[4]PID控制器设计与参数整定方法综述[J]. 杨智,朱海锋,黄以华. 化工自动化及仪表. 2005(05)
[5]血氧饱和度的红外光谱光电法测量[J]. 王强,王跃华,徐圣普,林淑娟,罗致诚. 国外医学.生物医学工程分册. 1998(06)
硕士论文
[1]基于光电容积脉搏波的抗运动心率及血氧提取算法研究[D]. 李敏.北京理工大学 2016
[2]血氧饱和度监测仪的设计与应用研究[D]. 韩帅.天津工业大学 2016
[3]基于MSP430的血氧检测系统的研究[D]. 安亮.山东大学 2009
本文编号：3407298
【文章来源】：中国医学装备. 2020,17(10)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
穿戴式血氧监测传感器系统框图1.2MAX30101芯片内部电路结构
糯笃鹘?獾缣讲馄鞑??姆聪?电流转换为电压，该电压水平由内部模拟-数字转换(analog-to-digitalconverter，ADC)测量，血氧饱和度及心率使用算法计算。基于MAX30101芯片设计的穿戴式血氧监测传感器系统见图1。图1穿戴式血氧监测传感器系统框图1.2MAX30101芯片内部电路结构MAX30101芯片内部电路包括环境光消除(ambientlightcancellation，ALC)、连续时间的sigma-deltaADC和专有的离散时间滤波器。ALC内部有一个轨道和(或)保持电路来抵消环境光并增加有效的动态范围[3]。MAX30101芯片内部电路功能见图2。图2MAX30101芯片内部电路功能图动脉血氧饱和度ADC具有可编程的全面范围从2～16μa。内部ADC是具有18位分辨率的连续时间过采样的sigma-delta转换器，ADC采样率为10.24MHz。ADC输出数据速率可编程为50sps(每秒采样数)到3200sps。MAX30101芯片上的温度传感器用于校准系统的温度依赖性。设备输出数据对红外LED的波长相对不敏感，其中红色LED的波长对正确解释数据至
饶Ｄ庖墙?屑觳夥治觥＝??衅饔?黑胶布缠绕在模拟仪的光学实验指，确定MAX30101芯片位置准确，将血氧饱和度模拟仪血氧值设置为70，间隔为5依次递增到100。测试结果见表1。表1测试结果测试项目测试结果血氧模拟值707580859095100测试值69.875.079.684.390.594.699.8误差值-0.20-0.4-0.7+0.5-0.4-0.2健康测试者静息状态下发出红光与红外光电检测装置检测到处理后的信号，时间长度为45s，经算法计算得出瞬时SpO2，由脉搏跳动次数可以估算心率(heartrate，HR)：HR=(n/t)×60。健康测试者血氧信号见图5。图5健康测试者血氧信号据之间的误差在1%之内。图5显示，根据算法测出的血氧值波动范围不大，在上下0.1%波动，有较好的输出稳定性。5结论MAX30101芯片是超低功耗，完全集成的光学数据采集系统，在发射器端具有3种波长的大电流LED驱动器，具有业界领先的环境光消除电路。由于MAX30101芯片低功耗，紧凑的尺寸，易于使用，可为用户进一步提供血氧算法的开发。本研究根据血氧的生理学原理以及光电容积描记法的光学原理，基于MAX30101芯片对脉搏血氧的连续监测，能够实时测量出SpO2，该方法采用反射式无创检测，满足穿戴式脉搏血氧仪的设计需求，更适合于体外检测。目前，光电容积描记技术十分成熟，同时PPG信号反映出不同层面组织结构生理信息，如何利用PPG信号去提取全面的生理信息是下一步的研究方向。参考文献HanningCD,Alexander-wiliamsJM.Pulseoximetry:apracticalreview[J].BMJ,1995,311(7001):367-370.杨智,朱海锋,黄以华.PID控制器设计与参数整定方法综述[J].化工自动化及仪表,2005,32(5):1-7.白鹏飞,刘强,段飞波,等.基于MAX30102的穿戴式血氧饱和度检测系统[J].激光与红外,2017,47(10):1
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于MAX30102的穿戴式血氧饱和度检测系统[J]. 白鹏飞,刘强,段飞波,安琪,Nicolaas Frans de Rooij,李楠,周国富. 激光与红外. 2017(10)
[2]面向可穿戴设备的脉搏波基线漂移去除算法[J]. 许金林,李晓风,李皙茹,元沐南. 计算机技术与发展. 2017(11)
[3]人体血氧饱和度监测方法的研究[J]. 严新忠,杨静,郭略. 医疗装备. 2005(12)
[4]PID控制器设计与参数整定方法综述[J]. 杨智,朱海锋,黄以华. 化工自动化及仪表. 2005(05)
[5]血氧饱和度的红外光谱光电法测量[J]. 王强,王跃华,徐圣普,林淑娟,罗致诚. 国外医学.生物医学工程分册. 1998(06)
硕士论文
[1]基于光电容积脉搏波的抗运动心率及血氧提取算法研究[D]. 李敏.北京理工大学 2016
[2]血氧饱和度监测仪的设计与应用研究[D]. 韩帅.天津工业大学 2016
[3]基于MSP430的血氧检测系统的研究[D]. 安亮.山东大学 2009
本文编号：3407298
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