一種高效實(shí)時(shí)脈搏血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

張根選，石 波，劉勝洋，陳建方，TSAU Young

（1.蚌埠醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)系，安徽蚌埠233030；2.深圳迪美泰數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)有限公司，廣東深圳518067）

一種高效實(shí)時(shí)脈搏血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

張根選1，石 波1，劉勝洋1，陳建方1，TSAU Young2

（1.蚌埠醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)系，安徽蚌埠233030；2.深圳迪美泰數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)有限公司，廣東深圳518067）

針對(duì)傳統(tǒng)的脈搏血氧監(jiān)測(cè)存在光電檢測(cè)電路復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，本文提出了一種高效實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)方法。以光電容積脈搏波描記法（PPG）為基本原理，構(gòu)建了以光頻轉(zhuǎn)換技術(shù)為核心的全數(shù)字硬件系統(tǒng)，采用零相移數(shù)字濾波和小波分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)脈搏血氧信號(hào)的預(yù)處理，運(yùn)用線性回歸分析完成血氧飽和度的計(jì)算。采用Fluke的Index 2血氧模擬儀產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，在70%～100%范圍，誤差小于2%。結(jié)果表明，該方法切實(shí)有效，具有電路簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)利用率高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)血氧值的秒級(jí)更新。

脈搏血氧飽和度；光電容積脈搏波描記法；光頻轉(zhuǎn)換；線性回歸分析

1 引 言

脈搏血氧計(jì)是一種無(wú)創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測(cè)血氧飽和度（SpO2）的設(shè)備，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于手術(shù)室、恢復(fù)室、急救病房、危重病房等。現(xiàn)有的脈搏血氧計(jì)大多是以光電容積脈搏波描記法（Photoplethysmography，PPG）為基本原理［1－3］。在測(cè)量中，SpO2的計(jì)算是以特征值R的準(zhǔn)確提取為基礎(chǔ)的。傳統(tǒng)的R值提取方法大多采用脈搏波的峰谷值法［4－5］，不能算是一種嚴(yán)格意義上的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，在這些設(shè)備中，脈搏血氧信號(hào)的硬件采集系統(tǒng)大多都是采用模擬電路［6－7］，主要由光電探測(cè)器、電流—電壓轉(zhuǎn)換電路、模擬放大器、模擬濾波器等部分組成。這種設(shè)計(jì)存在電路復(fù)雜、抗干擾能力差、內(nèi)部噪聲大、體積大、功耗高等各項(xiàng)不足。由此可見(jiàn)，脈搏血氧飽和度監(jiān)測(cè)作為發(fā)展中的一項(xiàng)技術(shù)，在數(shù)據(jù)采集和血氧信號(hào)處理等方面還需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。本文以PPG為基本原理，構(gòu)建了以光頻轉(zhuǎn)換技術(shù)為核心的全數(shù)字硬件系統(tǒng)，采用光頻轉(zhuǎn)換技術(shù)、零相位數(shù)字濾波和小波分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)脈搏血氧信號(hào)的預(yù)處理以及線性回歸算法的使用實(shí)現(xiàn)了血氧的高效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 方 法

2.1 測(cè)量原理

PPG是血氧飽和度的一種無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法，它是基于Lambert-Beer定律，利用氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）在紅光和紅外光區(qū)的光吸收系數(shù)差異來(lái)進(jìn)行的。基于PPG原理所測(cè)得的血氧飽和度一般用SpO2表示，計(jì)算公式可表示為：

其中，CHbO2和CHb分別表示動(dòng)脈血液中HbO2和Hb的濃度。

假設(shè)波長(zhǎng)為λ，光強(qiáng)為Io的單色光垂直入射指端時(shí)，透射光強(qiáng)可分為兩部分：一部分是直流成分，主要反映指端組織中各種非脈動(dòng)成分，如肌肉、骨骼、色素、脂肪、水和靜脈血等對(duì)光的吸收；另一部分為交流成分，是由血管隨心臟搏動(dòng)而產(chǎn)生的收縮和舒張引起，主要反映動(dòng)脈血中HbO2和Hb對(duì)光的吸收。如果忽略散射、反射等因素造成的衰減，根據(jù)Lambert-Beer定律，透光強(qiáng)度I可以表示為：

其中，εo，Co和L為組織內(nèi)各種非脈動(dòng)成分的總吸光系數(shù)、光吸收物質(zhì)的濃度和光路徑長(zhǎng)度；εHbO2，εHb分別為動(dòng)脈血液中HbO2和Hb的吸光系數(shù)。

當(dāng)動(dòng)脈搏動(dòng)時(shí)，入射光穿過(guò)指端的光路徑長(zhǎng)度會(huì)隨之發(fā)生變化，假設(shè)變化為L(zhǎng)＋ΔL，對(duì)應(yīng)的透射光強(qiáng)度變化為I＋ΔI，這時(shí)式（1）可以寫成：

由于透射光中交流成分占直流成分的百分比很小，即ΔI／I＜＜1，這時(shí)，將式（2）和式（1）相除，并對(duì)兩邊取對(duì)數(shù)，可寫成：

如果采用660 nm的紅光和940 nm紅外光作為光源，則用這兩種特定波長(zhǎng)的光照射手指時(shí)，可以得到：

將（5）和（6）兩式相除可得：

式中，A和B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)定標(biāo)得到；特征值R本文采用線性回歸算法來(lái)提取。

2.2 光頻全數(shù)字硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)采用光頻轉(zhuǎn)換技術(shù)［8－9］，結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由電源模塊、微處理器模塊、電光模塊、光頻轉(zhuǎn)換模塊（TSL230RD）以及通信接口模塊等組成。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Hardware system block diagram

為了保證運(yùn)算速度，微處理器選擇微芯公司的PIC32MX4XXL。微處理器的I／O接口輸出脈沖控制光源驅(qū)動(dòng)電路，其中光源為660 nm和940 nm的雙波長(zhǎng)發(fā)光二極管。光頻轉(zhuǎn)換器選擇德州儀器的TSL230RD，將穿過(guò)人體組織吸收衰減后的透射光轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)。微處理器將脈沖頻率捕捉并進(jìn)行數(shù)字濾波預(yù)處理，然后完成血氧信號(hào)的計(jì)算。

理論上，紅光和紅外光強(qiáng)度信號(hào)必須是相同時(shí)刻采集才能準(zhǔn)確計(jì)算出血氧飽和度的值，但是技術(shù)上由于兩種光同時(shí)照射相互干擾而難以實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上對(duì)兩種光強(qiáng)度信號(hào)的采樣為交替式而不是完全同步，即使發(fā)光二極管按照一定的時(shí)序交替發(fā)光。對(duì)這兩種波長(zhǎng)的光強(qiáng)度信號(hào)采樣通常采用恒定采樣間隔，其時(shí)間差應(yīng)當(dāng)越小越好。

2.3 信號(hào)預(yù)處理

在血氧信號(hào)采集過(guò)程中，光頻轉(zhuǎn)換器接收到的光信號(hào)除了包含脈搏信息里的投射光信號(hào)，還包含測(cè)量環(huán)境下的背景光信號(hào)、運(yùn)動(dòng)偽差、工頻和其他儀器如高頻電刀等產(chǎn)生的干擾等。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是采用模擬濾波或者是模擬濾波和數(shù)字濾波并用的方法。本文采用零相位數(shù)字濾波和小波分析去除噪聲信號(hào)。

2.3.1 零相位濾波去除血氧信號(hào)中的基線漂移

以紅光為例信號(hào)進(jìn)行分析（紅外光分析方法相同），紅光信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為M＝3000，紅光原始信號(hào)如圖2和圖3所示，信號(hào)中除了有嚴(yán)重的基線漂移以外，還嚴(yán)重存在各種頻率的干擾信號(hào)。經(jīng)過(guò)零相位數(shù)字濾波去除基線漂移后信號(hào)描如圖4和圖5所示。

圖2 原始信號(hào)的整體波形Fig.2 overall signal waveform of the original signal

圖3 原始信號(hào)的局部波形Fig.3 local signal waveform of the original signal

圖4 去除基線漂移后的整體信號(hào)波形Fig.4 the whole waveform after remove baseline drift

圖5 去除基線漂移后的局部整體信號(hào)波形Fig.5 the localwaveform after remove baseline drift

2.3.2 小波分析去噪

根據(jù)小波變換的理論可知，由于小波變換具有多分辨率的特性，因此可先將其分解，然后重構(gòu)有用信號(hào)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，將a5與d5兩層信號(hào)重構(gòu)得到的信號(hào)效果最好。圖6和圖7為采用小波去噪方法對(duì)去除基線漂移后的血氧信號(hào)處理后的結(jié)果。通過(guò)比較小波消噪前后的波形圖，可見(jiàn)噪聲得到了明顯的去除，尤其是高頻噪聲。

圖6 去噪后的整體信號(hào)波形Fig.6 The overall signal after rejecting noise

2.4 血氧飽和度的實(shí)時(shí)計(jì)算

圖7 小波去噪后的局部信號(hào)波形Fig.7 The local signal after rejecting noise

線性回歸是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的回歸分析，來(lái)確定兩種或者兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，應(yīng)用十分廣泛。對(duì)于生物組織這種強(qiáng)散射性、各向異性的復(fù)雜介質(zhì)，不完全符合Lambert-Beer定律，散射效應(yīng)一方面會(huì)改變一部分光的出射方向，另一方面使得光在介質(zhì)中的傳播路徑變長(zhǎng)，被吸收的幾率增加。這些都會(huì)導(dǎo)致生物組織對(duì)入射光衰減的改變。如果兩束透射光強(qiáng)度之間的具有相關(guān)性，就可以使用連續(xù)采樣過(guò)程產(chǎn)生的大量樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸提取R值，從而大幅度提高精度［10］。

假設(shè)紅光和紅外光的透射光強(qiáng)信號(hào)序列分別為x＝｛x1，x2，x3，……，xN｝和y＝｛y1，y2，y3，……，yN｝。如果證明兩個(gè)信號(hào)序列之間存在相關(guān)性，則可以建立一元線性回歸模型，即：

其中，a，b為回歸系數(shù)，利用最小二乘法可以求出：

其中，N為參與運(yùn)算的樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)。經(jīng)過(guò)推倒可以得到R的表達(dá)式為：

由此可見(jiàn)，R值的提取僅取決于參與運(yùn)算的采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)而不依賴于峰谷值，只需要少量的普通采樣點(diǎn)就可以完成血氧值的計(jì)算，大大提高了數(shù)據(jù)使用效率，降低了硬件系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，可以實(shí)現(xiàn)了真正意義上的血氧飽和度實(shí)時(shí)測(cè)量。

3 結(jié) 果

對(duì)公式（9）中的兩個(gè)常數(shù)進(jìn)行定標(biāo)后，用線性回歸算法計(jì)算的R值計(jì)算出血氧飽和度。實(shí)驗(yàn)采用Fluke的Index 2血氧模擬儀產(chǎn)生不同血氧飽和度結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)間的誤差如表1所示。

表1 血氧飽和度測(cè)試結(jié)果Tab.1 oxygen saturation of blood test results

在70%～100%范圍，誤差小于2%。

4 結(jié) 論

本文提出并驗(yàn)證了一種高效實(shí)時(shí)的脈搏血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是運(yùn)用線性回歸算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)利用率的高效性和血氧值更新的實(shí)時(shí)性；同時(shí)光頻轉(zhuǎn)換技術(shù)和數(shù)字濾波技術(shù)的應(yīng)用具有模擬濾波技術(shù)無(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)可用于心電監(jiān)護(hù)儀中的血氧監(jiān)測(cè)模塊以及穿戴式血氧設(shè)備。

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Efficient real-time pulse oximetry monitoring system

ZHANG Gen-xuan1，SHIBo1，LIU Sheng-yang1，CHEN Jian-fang1，TSAU Young2
（1.Department of Medical Imaging，Bengbu Medical College，Bengbu 233030，China；2.Dimetek Digital Medical Technologies Ltd，Shenzhen 518067，China）

To solve the problems of the circuit complexity and poor real-time performance existed in traditional pulse oximetrymonitoring system，an efficient real-time method is proposed.Based on the photoplethysmograph（PPG），a digital hardware system is constructed with the light to frequency conversion technology.This system adopts zero phase digital filter and wavelet analysis technology to realize pulse oximetry preprocessing，and employs linear regression algorithm to complete the pulse oxygen saturation（SpO2）calculation.By using thismethod，the standard signals in the range of70%～100%derived from Fluke Index 2 XL oxygen simulator have acquired error rate less than 2%.The results indicate that，this efficientmethod has the advantages of low complexity of circuit and high utilization rate of data，and can refresh the SpO2value at the level of second.

pulse oxygen；saturation（SpO2）；PPG；optical frequency conversion；linear regression analysis

TN29

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0187-05

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練資助項(xiàng)目（No.201210367013）資助。

張根選（1976－），男，碩士，講師，主要從事生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)儀器研究。E-mail：cyzgx123＠163.com

2013-07-04；

2013-09-12