基于交直流分離的反射式血氧飽和度測量系統的設計*

秦 穎,張 晶*,蔡 靖,戴 強

(1.長春理工大學光電信息學院,長春 130012;2.吉林大學儀器科學與電氣工程學院,長春 130026)

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基于交直流分離的反射式血氧飽和度測量系統的設計*

秦 穎1,張 晶1*,蔡 靖2,戴 強2

(1.長春理工大學光電信息學院,長春 130012;2.吉林大學儀器科學與電氣工程學院,長春 130026)

肝儲備功能是評價肝臟正常生理活動的重要依據,動脈血氧飽和度是肝儲備功能測量的重要中間變量,針對長時間連續無創血氧飽和度測量的要求,提出基于交直流分離的反射式血氧測量系統的設計方案。通過測量手指、耳尖等皮膚薄弱部位的反射式光電容積脈搏波,利用交直流信號分離處理技術,基于動脈血氧飽和度經驗測量公式,實現長時間無創動脈血氧飽和度測量。交直流分離技術的使用能夠有效的降低系統干擾和噪聲的影響,優化血氧飽和度測量結果;經臨床醫療對比實驗檢測,證明系統誤差符合實際測量要求。

光電技術;血氧飽和度;交直流分離;光電容積脈搏波;無創檢測

肝儲備功能是評價肝臟維持正常生理活動的重要依據,在肝病診斷、肝移植、肝切除手術中,肝儲備功能的臨床監測能有效輔助肝臟疾病術前、術后臨床給藥和病人的身體康復。動脈血氧飽和度SpO2是無創肝儲備功能測量中重要的中間測量參數,長時間連續測量血氧飽和度對臨床肝儲備功能測量、分析具有重要意義[1-3,5]。

當前市場上血氧飽和度檢測系統主要采用透射式光電容積脈搏波理論實現血氧測量,雖然能夠簡單方便檢測血氧飽和度,但是不易于日常生活中長期測量,無法有效反映測量者24 h的血氧飽和度波動情況,對肝儲備功能測量不能提供可靠的測量評估。

本文提出基于交直流分離的反射式血氧飽和度測量方法,通過反射式測量,光電容積脈搏波交流信號和直流信號分離,避免了日常活動中產生的運動偽差的干擾,保證了血氧飽和度長時間測量的穩定性和準確性,為臨床無創肝儲備功能測量提供可靠的分析依據。

1 反射式血氧飽和度測量方法

動脈血氧飽和度定義為血液中氧合血紅蛋白O2Hb占整體血紅蛋白(包括氧合血紅蛋白O2Hb和還原血紅蛋白RHb)的比例,如式(1)所示:

(1)

血紅蛋白在不同氧合狀態下對紅光、近紅外光具有的不同吸收作用。利用這一光譜吸收特性,可以對人體組織中氧合血紅蛋白O2Hb,還原血紅蛋白RHb濃度進行定量檢測。圖1為氧合血紅蛋白O2Hb和還原血紅蛋白RHb的吸收光譜。

圖1 O2Hb和RHb吸收光譜

綜合對比660 nm、805 nm、940 nm吸光特性,從中可以看出在660 nm位置,還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白二者吸收差異性最大,在805 nm處氧合血紅蛋白O2Hb和還原血紅蛋白RHb具有相同的吸收系數。選擇660 nm紅光和805 nm紅外光作為入射光源,測量部位選擇手指[1],耳尖等皮膚較薄的位置,光照射到手指部位,接收到的反射光包括不變的直流成分IDC和脈動的交流成分IAC,直流成分IDC體現為人體的表皮、真皮皮下的脂肪、結締組織和骨骼部分對入射光的吸收,接收信號的幅度是不發生改變的,交流成分IAC,反映了血液中的吸光物質氧合血紅蛋白O2Hb和還原血紅蛋白RHb對入射光的吸收效果[2]。根據光電容積脈搏波描記法[3-5],通過測量反射光電容積脈搏波的交直流成分,實現測量動脈血氧飽和度。由朗伯-比爾定律可知:

lg(I0/I)=ECL

E為吸光系數,C為溶液的飽和度,L為光路厚度,I0為入射光光強,I為透射光光強

lg(I0/I)=(EO2HbCO2Hb+ERHbCRHb)L

EO2Hb氧合血紅蛋白吸光系數,CO2Hb氧合血紅蛋白飽和度,ERHb還原血紅蛋白吸光系數,CRHb還原血紅蛋白飽和度。

當第1路光入射,手指脈動,導致入射光路發生變化,有

ΔW=WL+ΔL-WL=lg[(I-ΔI)/I]

=-(EO2HbCO2Hb+ERHbCRHb)ΔL

ΔI為光路改變導致的光強損耗

同理,第2路光入射有

將以上兩式代入式(1)有

即

設

則有

由于交流信號遠遠小于直流信號,所以有

SpO2=Ax2+Bx+C

(2)

因此只需要測量得到660nm和805nm反射光信號的交直流分量,即可獲得動脈血氧飽和度[6-7]。實際測量中增加二次項,采用SpO2=Ax2+Bx+C經驗模型測量血氧飽和度。

圖2 光電容積脈搏波交直流混合信號

2 交直流分離技術

系統接收部分接收到的光電脈搏信號為交直流混合信號,如圖2所示,其中交流成分幅值占混合信號的很小部分,為有效的測量接收信號的交流成分和直流成分,需要將交流信號和直流信號分離。

正常人體脈搏信號有效成分主要集中在1Hz附近,為了保證測量的通用性,選取0.5Hz～10Hz為測量區間,系統采樣率設定為125Hz,滿足奈奎施特采樣定理,以避免信號失真。交直流信號分離,通過設計0.5Hz～10Hz的帶通濾波器,利用減法器實現交流信號和直流信號的分離處理[8-9]。框圖如圖3所示。

圖3 交直流信號分離電路框圖

帶通濾波器由雙二階高通濾波器和雙二階低通濾波器組成,選取低噪聲,寬增益運算放大器OP37器件構成壓控電壓源VCVS有源高通濾波器,設置濾波參數:R=1.2 M,C=0.33 μF,fc=0.4 Hz,如圖4所示。

圖4 VCVS壓控電壓源二階高通濾波器

二階高通濾波器傳遞函數為:

高通濾波器幅頻特性響應如圖5所示,其通帶特性滿足設計要求。

圖5 高通濾波器幅頻特性曲線

二階低通壓控電壓源VCVS濾波器,設置濾波器參數:R=51k,C=0.33μF,fc=9.5Hz,如圖6所示。

圖6 VCVS壓控電壓源二階低通濾波器

二階低通濾波器傳遞函數為:

令R1=R2=R,C1=C2=C,則截止頻率為(xk,yk),k=1,2…,m。

低通濾波器幅頻特性曲線如圖7所示,其衰減特性滿足設計要求。

圖7 低通濾波器幅頻特性曲線

利用有源運算放大器構建減法器,從交直流混合信號中去除交流信號,實現交直流分離。

圖8 系統整體框圖

3 系統實現

系統總體框圖如圖8所示,由光電指夾,數據采集處理模塊組成,光電指夾包括660nm,805nm發光二極管,光電接收管;數據采集處理部分包括光源驅動,光源轉換、信號處理、AD轉換、本地存儲、藍牙通信和微處理器單元。信號處理單元實現光電脈搏波交直流分離,濾波、放大等處理[7,10-11]。

4 系統測試與分析

4.1 測量方法

人體正常的日常活動大多為靜坐、臥、慢步行走3種情況;選取一名年齡25歲的健康男性,室溫25 ℃,考慮血氧信息在肝儲備功能測量中的支撐作用,血氧信息在日常生活中的抗運動擾動,便攜式測量是必須解決的問題。實驗設計:在靜坐、臥、慢步行走3種情況下系統連續檢測,多次重復血氧飽和度測量實驗,驗證血氧飽和度測量的穩定性和準確性。實驗過程中,測試者多次重復靜坐、靜臥、慢步行走3種運動狀態,測量系統連續測量在3種狀態下的測試者光電脈搏波信號,由式(2)進行血氧飽和度計算。

選取邁瑞公司生產的IMEC10病人監護儀對比測量、定標。測量獲得的660nm和805nm光電容積脈搏波信號(PPG信號)經交直流分離后,由信號處理單元進行信號放大調理,選取30s時間范圍內的660nm和805nm光電容積脈搏波信號(PPG信號),其濾波前后的信號波形如圖9和圖10所示。

圖9 660 nm信號濾波前后波形

圖10 805 nm信號濾波前后波形

4.2 最小二乘擬合多項式計算

由最小二乘法可知[12],設給定血氧飽和度測量實驗數據(xk,yk),k=1,2,…,m,求n次函數關系式

考慮低血氧存在的因素,由經驗測量模型可知,設動脈血氧飽和度測量方程為

SpO2=Ax2+Bx+C

擬合曲線如圖11所示。

圖11 擬合曲線

擬合參數A=-14.635 1,B=36.704 1,C=74.538 8,由擬合結果可以看出直線擬合平均均方誤差(err1)為0.506 12,二次多項式擬合平均均方誤差(err2)為0.459 79,擬合效果優于直線擬合。

使用IMEC10病人監護儀同時檢測動脈血氧飽和度,進行對比定標,系統測量獲得的動脈血氧飽和度曲線如圖12所示。

圖12 血氧飽和度曲線

4.3 誤差分析

為了驗證系統血氧濃度測量的敏感性,進行呼吸抑制實驗。選取實驗測試者一名,年齡25周歲,男性,身體健康,連續兩次屏住呼吸30 s,間隔3 min,觀察動脈血氧飽和度變化趨勢,實驗結果如圖13所示。

圖13 屏息實驗血氧飽和度變化曲線

實驗選取10名測試者,身體健康,年齡(25～35)周歲之間,體重62 kg～75 kg,在室溫25 ℃環境下,重復連續測量坐、臥、慢步行走3種運動情況下的測試者光電容積脈搏波信號,由血氧飽和度計算公式計算得到血氧測量值,經最小二乘擬合多項式多次修正計算,獲得測試者血氧飽和度數據。測量結果與邁瑞公司生產的IMEC10病人監護儀同步測量的血氧飽和度數據進行比較,測量對比結果如圖14所示。

圖14 血氧飽和度誤差比較

誤差分析如表1所示。

表1 動脈血氧飽和度測量值與實際值誤差分析

4.4 實驗結果分析

根據靜坐、臥、慢步行走3種情況下光電容積脈搏波信號實驗測量,系統具有較好的抗運動擾動,適合長時間連續便攜式測量使用;經呼吸抑制實驗和測量誤差對比實驗可以看出,血氧飽和度測量反映靈敏,測量誤差滿足系統要求,其穩定性、準確性符合實際使用。

5 結語

基于交直流分離的反射式血氧飽和度測量系統,采用反射式光電容積脈搏波,交直流分離方式測量動脈血氧飽和度,與醫院病人監護儀測量結果對比,其誤差滿足醫療儀器要求。反射式工作方式與傳統血氧儀相比,更適合便攜式長時間測量,對無創肝儲備功能臨床測量提供了有益的血氧參數參考。

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秦 穎(1978-),女,講師,本科,主要研究方向:電子信息、無線通信。任教10年,講授《微機原理與接口技術》、《單片機原理與接口技術》和《電子技術基礎》等三門課程。主編普通高等教育“十二五”規劃教材《微機原理與接口技術》,參編《電子技術基礎》。參與完成吉林省教育廳科研項目2項,公開發表相關論文4篇,1270736494@qq.com;

張 晶(1973-),女,副教授,通訊作者,碩士,主要研究方向為光電儀器、數字圖像處理。任教14年,講授《微機原理與接口技術》、《AVR單片機及應用》和《光電技術》等三門課程。主編普通高等教育“十二五”規劃教材《微機原理與接口技術》,參編《光電變換與檢測技術》。主持及參與完成吉林省教育廳科研項目3項,公開發表相關論文10篇,zj021202@163.com。

Design of Oxygen Saturation Detection System Based onReflectance and AC/DC Signal Separation*

QINYing1,ZHANGJing1*,CAIJing2,DAIQiang2

(1.College of Optical and Electronical Information,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130012,China;2.College of Instrumentation and Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130026,china)

Liver reserve function is an important parameter for evaluation of the normal physiological activities of liver,oxygen saturation is an important intermediate variable of the liver reserve function measurement. This paper process a design for measuring the oxygen saturation based on reflectance method and AC/DC separation for the purpose of continuous measurement of blood oxygen saturation in non-invasive detection method. By measuring the reflective photoplethysmography(PPG)of the finger tip or ear tip,separating AC/DC signal to reduce the system noise and motion interference,aiming to optimize oxygen saturation measurement results;In contrast with clinical test and calibration,system measurement error meet the requirement.

photoelectric technology;oxygen saturation(SpO2);AC/DC signal separation;photoplethysmography(PPG);non-invasive detection

項目來源:2012年博士點基金課題項目-博導類(20120061110092)

2014-12-24 修改日期:2015-03-12

C:4250

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.06.026

TP371.76

A

1004-1699(2015)06-0933-05