一種可用于低灌注和低血氧測量的脈搏血氧儀的設計

譚雙平，艾志光，楊玉星，謝慶國

華中科技大學生命科學與技術學院，武漢市，430074

0 引言

血氧飽和度（SpO2）表征了血液的氧含量，是判斷人體呼吸系統、循環系統功能的重要參數[1]。在臨床上，監測人體SpO2的變化對肺和心臟疾病的預防和治療具有重要作用；同時，在手術、麻醉和重癥監護等方面，也需要監測SpO2，以指導其手術或治療過程[2]。SpO2的測量方法分為有創和無創兩種。有創測量方法即采集人的血液樣本，利用血氣分析儀分析計算其血氧飽和度。有創測量不僅耗時，易使患者產生痛苦和感染，而且不能提供連續、實時的監測數據。無創測量主要是利用光電容積描記(Photoplethysmography)技術，獲得紅光和紅外光通過人體組織后透射或反射的光電容積圖信號(PPG)，利用氧合血紅蛋白(HbO2)和脫氧血紅蛋白(Hb)對紅光和紅外光的吸收度不一樣這一特性，通過Beer-Lambert定律計算得到SpO2。由于無創SpO2測量方法檢測方便安全，目前已成為檢測人體各種組織中SpO2較成熟的方法，在臨床上得到廣泛應用[3]。

但是，無創測量方法測量SpO2，當被測者處于低血流灌注（如肌肉緊張、低溫環境等因素使血流減少導致低灌注）時，輸出的PPG信號幅度很小，被各種噪聲淹沒；當被測者運動時，輸出的PPG信號被運動噪聲污染。這些因素都使得輸出信號的信噪比大幅下降，影響SpO2計算的準確度，嚴重影響了血氧儀的性能[4]。同時，現在使用的無創SpO2測量儀對SpO2的有效測量范圍也僅為70%～100%。因此我們開發了一套能在低灌注和運動條件下準確測量SpO2和脈率(PR)，且將SpO2的測量范圍擴展至35%～100%的高性能無創脈搏血氧儀。在硬件上，使用數字可控的可變增益放大器，自適應調節增益對不同灌注水平下不同幅度的PPG信號進行不同程度的放大，以獲得可供ADC采集的最佳PPG信號；在軟件算法上，開發了自相關建模法的低灌注SpO2測量算法，大大提升了血氧儀的性能，擴展了其適用范圍，具有很高的臨床和商業價值。

1 脈搏血氧飽和度測量基本原理[3,5-6]

無創SpO2測量使用紅光(λ1)和紅外光(λ2)雙光束交替照射人體組織（一般為指尖），測量經組織透射或反射后的光強來進行分析計算。無血組織（皮膚，骨骼，靜脈血，其他組織等）對光的吸收是恒定的，不隨脈動過程變化；當動脈脈動時，動脈體積變化引起光程改變，對光的吸收量也在脈動的變化，因此透射光的強度可分為不隨脈動變化的直流分量DC和隨脈動變化的交流分量AC。定義PI=AC/DC*100%，稱為血流灌注指數，它反映了人體的血流灌注能力。由于氧合血紅蛋白(HbO2)和脫氧血紅蛋白(Hb)各自對紅光和紅外光的吸收譜不同，兩束光交替照射組織，獲得兩路PPG信號和兩個不同的PI，定義R=PI1/PI2，根據Beer-Lambert定律推導，可獲R的計算公式：

式(2)中吸光系數均為常數，而R值可由采集的脈搏波數據計算得到，因此，理論上確定了兩束入射光的波長，就能計算SpO2的值。但一般在實際計算中，考慮到光散射影響和人體組織的差異及吸光系數測量的不準確等因素，一般將（2）展開成二階泰勒級數的形式，即

式(3)中系數A，B，C的確定由血氧儀測得的R值和標準的SpO2值利用最小二乘法二次曲線擬合定標得到。本文設計的血氧飽和度測量系統的定標曲線通過國際通用的Fluke Index 2XL SpO2模擬儀來確定。

2 系統設計

本系統可分為三部分：①指夾式探頭內部發光二極管的LED驅動電路和指夾式探頭光電接收管后部的低灌注測量電路；②STM32F103數據采集主控單元，實現LED驅動電路的時序控制，低灌注測量電路的自適應增益控制，以及數據采集并通過USB傳輸到上位機；③PC機數據處理單元，實現數據分析處理、低灌注算法實現、實時波形顯示、實時參數計算、數據保存、報警等功能。整個系統框圖如圖1所示。

圖1 血氧飽和度測量系統框圖Fig.1 Schematic diagram of SpO2measurement system

2.1 硬件設計

為保持PPG信號的原始特征，本系統采用全數字方式對原始PPG信號進行采集，然后傳輸到上位機進行數字信號處理，計算得到需要的結果。系統硬件部分包括LED驅動電路、IV轉換電路、放大電路、主控單元、以及PC機。整個系統的硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖Fig.2 Schematic diagram of the hardware system

2.1.1 LED驅動電路

由于本系統采用雙波長測量法，我們設計探頭上的紅光和紅外光的LED交替發光，同時設置一個暗光以提高系統準確度和抗干擾能力，該暗光信號可用于校正環境光對系統的影響。最終該三路光的發光時序通過STM32F103的I/O口產生控制信號IN1和IN2，IN1和IN2控制模擬開關接通和斷開，從而控制紅光和紅外光的LED的切換，當紅光和紅外光的LED都沒點亮時即為暗光狀態。

2.1.2 I/V轉換電路

LED被點亮后，傳感器另一端光電接收管將接收的透射光信號轉變為電流信號，隨后I/V轉換電路將該電流信號轉換成與透射光強成正比的電壓信號以方便采樣處理。本系統I/V轉換采用了集成芯片OPA381，轉換電路及參數配置如圖3。LED+和LED-分別連接光電接收管的+/-極，OUT1為輸出電壓。由于被檢測的電流很小，反饋電阻取1 M以提高輸出電壓的幅值和信噪比。同時并聯一個電容以進一步減小輸入電流噪聲。

2.1.3 一級差分放大電路

圖3 I/V轉換電路Fig.3 Schematic of I/V conversion

上述電流信號轉換成電壓信號后，由于PPG信號的交流分量與直流分量相比非常小，因此需要對交流分量做進一步的放大。由于差分放大器具有高共模抑制比、高輸入阻抗、能有效抑制溫度漂移和隨機噪聲等特點，因此本文采用儀表差分放大器MAX4194，在I/V轉換后將原始信號減去一個直流偏置后再進行放大，以提高信號的信噪比。

2.1.4 可變增益放大電路

不同人群的手指透光性不同，同時可能出現低灌注、低信噪比等情況，也可能出現個別的高灌注導致信號飽和的情況。為了適應這些不同情況，將信號盡可能地放大以提高ADC對信號的分辨率但又不至于使信號飽和超出ADC采樣的幅值范圍，整個模塊的模擬部分不能采用固定的放大倍數，而采用自適應增益控制以使最終的模擬信號有一個合適的幅度。為達到此目的，本設計采用低輸入噪聲數字可編程增益放大器LTC6910-1，它有0、1、2、5、10、20、50、100 V/V，8個增益可選。如圖4電路所示，它具有三個數字輸入口G2，G1，G0，STM32F103通過該三個邏輯控制口的邏輯組合即可控制增益的切換。實際系統中，STM32F103采集經過放大后的PPG信號，實時計算其幅度信息并反饋控制LTC6910-1的增益，實現實時的自適應增益調節。

圖4 可變增益放大電路Fig.4 Schematic of VGA

2.2 軟件設計

2.2.1 ARM軟件設計

STM32F 103 處理器的所有軟件都采用C 語言在RealView MDK平臺下開發。該系統中，STM32F103主要完成LED驅動時序的控制、PPG信號的采集、PPG信號幅度的判斷以自適應地反饋調節增益和將數據打包通過USB傳輸到上位機，軟件流程圖如圖5所示。

圖5 ARM軟件流程圖Fig.5 Program flow chart of ARM

整個系統的時序由定時器中斷1 保證，即STM32F103每667 μs觸發一次定時器中斷，在定時器中斷服務程序中完成LED燈的切換，同時開啟ADC采樣。ADC采樣完成后，觸發DMA中斷，在DMA的中斷里，將紅光、紅外光和暗光的PPG信號經過處理后計算其信號幅度，并判斷是否需要切換增益以自適應的調節可變增益放大器的增益值，隨后將PPG信號數據通過USB傳輸到上位機。

2.2.2 PC機軟件設計

PC機軟件在Windows操作系統下運行，開發環境為Visual Studio 2008。該上位機軟件與下位機通過USB接口連接，接收下位機傳輸來的數據，并進行相應的處理。為了實時處理下位機傳輸的數據，本設計采用多線程技術來完成數據讀取和處理，分別為數據讀取線程和數據處理線程，并開辟一塊共享內存區域作為兩個線程數據交互的緩沖區。數據讀取線程將USB緩沖區內的數據讀出并存放進數據緩沖區，當數據讀取線程的時間片用完后便切換到數據處理線程，數據處理線程從數據緩沖區取出數據進行分析處理，其數據流圖如圖6所示。

圖6 上位機軟件數據流圖Fig.6 Data flow diagram of software in PC

數據處理線程主要完成如下功能：將紅光、紅外光和暗光數據按照自定義的數據幀格式進行分離、濾波、進行算法選擇、參數計算、數據存儲、波形界面繪制及參數顯示。其流程圖如圖7所示。

圖7 上位機數據處理線程流程圖Fig.7 Program flow chart of data processing thread of software in PC

其中上位機軟件將原始數據和經過處理后的數據存放在以軟件啟動時刻命名的文件夾中（如果輸入了被測者的個人信息，則以被測者姓名和軟件啟動時刻命名），便于對采集到的數據進行離線分析處理。本系統最終開發的上位機軟件運行界面如圖8。如圖中標注，左區由上而下分別顯示紅光、紅外光、暗光的波形，右區由上而下分別顯示當前時間、PR、SpO2、PI及其他一些參考值。最下方為功能按鈕，分別為開始/暫停、退出、低灌注、平均、個人信息。點擊“開始”按鈕軟件開始運行，期間點擊“暫停”按鈕即可暫停運行；若PI值很低，顯示參數頻繁跳動出現很大誤差，表明被測者處于弱灌注水平，則可點擊“低灌注”按鈕選擇自相關建模法的低灌注算法來計算各參數；普通算法測試正常人時，使用者也可點擊“平均”按鈕來使參數顯示更加穩定；“個人信息”按鈕點擊后跳出對話框，可輸入被測者的ID號、姓名和年齡等個人信息；點擊“退出”按鈕即可退出軟件運行。其中，點擊“低灌注”按鈕時，對低灌注信號加入本系統開發的自相關建模法的低灌注算法來計算各參數，其大致流程框圖如圖9所示。

圖8 上位機軟件運行界面Fig.8 Software interface in PC

圖9 自相關建模法的數據處理流程框圖Fig.9 Data processing flow diagram of auto-correlation modeling method

在低灌注時，由于血流灌注能力下降，脈動血流量減少導致PPG信號的交流分量大幅降低，在噪聲干擾下脈搏波失去其明顯的周期性特點，有效信號幾乎被噪聲信號淹沒，信噪比極低。由于噪聲主要是白噪聲，而信號和噪聲、噪聲和噪聲不相關，因此我們首先對信號進行自相關處理達到抑制噪聲以提高信噪比的目的[7-8]。由自相關原理可知自相關后信號的頻率與原始信號完全相同，由此我們可通過自相關后的信號準確計算脈率，而自相關后信號的幅值發生改變，但是它們存在相應的對應關系，我們通過建模確定其幅值關系從而計算信號的交流分量，進而計算PI和計算SpO2所需的比值R。通過該建模，我們便可通過自相關信號準確計算PR、PI和SpO2等參數。

3 實驗及結果

為了驗證本文所設計的血氧儀的性能，我們將其與國際通用的Fluke Index 2XL SpO2模擬儀進行了對比測試，分別評價了本系統對PR、PI和SpO2等參數檢測的準確性；同時，對低灌注0.125%和運動狀況的信號進行了算法處理驗證，并特別的在低灌注至0.125%時，單獨做了數據測試，以檢驗該系統對低灌注的檢測能力。

通過Fluke Index 2XL SpO2模擬儀，模擬PI為5%（普通正常人的灌注水平），脈率從30到250變化，本系統檢測的脈率全部正確。模擬脈率為70，SpO2為90%，PI從0.125%～20%變化的情形，Fluke Index 2XL SpO2模擬儀的PI值和本系統測量得到的PI值的擬合曲線如圖10，從圖中可以看出，本系統計算的PI值和Fluke Index 2XL SpO2模擬儀的PI值基本一致，其準確度和穩定性能滿足要求。

圖10 本系統與Fluke Index 2XL的PI值對比Fig.10 Comparison graph of PI between the system and Fluke simulator

采用模擬儀Fluke Index 2XL模擬灌注水平在5%，脈率為70，SpO2從35%～100%的情形，用本文設計的血氧儀的測量結果與Fluke Index 2XL SpO2模擬儀的值進行對比，其擬合曲線如圖11。二者相關系數為0.998，接近于1，說明二者的結果基本相同。同時，在SpO270%～100%的臨床測試要求范圍內，測量誤差不大于±2%，在SpO235%～70%的范圍內，測量誤差不大于±3%，具有很高的準確性和重復性。

圖11 本系統與Fluke Index 2XL的SpO2值對比Fig.11 Comparison graph of SpO2between the system and Fluke simulator

為檢驗本系統設計的自相關建模法的低灌注SpO2測量算法對信號的處理能力，我們采集了模擬儀PI為0.125%時的數據傳輸到上位機，在Matlab環境下加入算法進行了處理，其結果如圖12的(a)(b)所示。同時，為檢驗算法對運動干擾信號的處理能力，我們用手指的抖動和手臂擺動來產生運動干擾，其原始信號和經算法處理后的信號分別如圖12的(c)(d)所示，從圖中看出，本算法對這種手指抖動和手臂擺動的運動干擾具有很好的抑制作用。

圖12 原始波形和算法處理后的波形Fig.12 Orignal waveforms and algorithm processed waveforms

為進一步檢驗本系統硬件及算法設計對低灌注的檢測能力，我們在灌注為0.125%時進行了單獨的數據測試，并給出了脈率、PI和SpO2等參數檢測的結果。PI為0.125%時脈率從30至250變化時測試結果全部正確。表1給出了本系統對SpO2和PI值的檢測結果、與模擬儀的偏差及標準差。從表中可看出，SpO2為70%以上的檢測結果非常準確，偏差在±3%以內，標準差也很小說明其檢測結果非常穩定。需要說明的是，在灌注0.2%以上時，SpO2在35%～100%全范圍內檢測都非常準確，在灌注0.125%～0.2%時，SpO2在較低水平時出現較大偏差，因此這里在灌注0.125%時只給出了臨床要求范圍70%～100%的測量結果。

4 結論

系統對血氧飽和度的測量范圍擴展到了35%～100%；設計的自相關模型法的抗低灌注算法使得本系統在灌注水平低至0.125%時仍能準確測量。

表1 PI為0.125%時本系統檢測的PI和SpO2值Tab.1 The PI and SpO2detected by our system at PI 0.125%

將本文介紹的血氧儀與Fluke Index 2XL SpO2模擬儀進行同步對比測試，該儀器實現了脈率從30至250 BPM，灌注水平從0.125%至20%，SpO2從35%至100%范圍內脈率、PI和SpO2的準確測量。

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