一種改進可穿戴設(shè)備的血氧測量精度的傳感器設(shè)計與驗證

董 琴,郭 清,袁貞明*

(1.杭州師范大學(xué)醫(yī)學(xué)院健康管理分院,杭州 310036;2.浙江中醫(yī)大學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)辦公室,杭州 310006)

血氧飽和度SaO2(Oxygen Saturation)是臨床醫(yī)療上重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一[1]。人體所消耗的氧主要來源于血紅蛋白(在正常的血液中存在4種血紅蛋白:氧合血紅蛋白(HbO2)、還原血紅蛋白(Hb)、碳氧血紅蛋白(CoHb)、高鐵血紅蛋白(MetHb)。其中與氧氣做可逆性結(jié)合的是還原血紅蛋白,與氧氣不相結(jié)合的是碳氧血紅蛋白和高鐵血紅蛋白。)所攜帶的氧。通常稱血液中氧含量即指血液中氧合血紅蛋白的多少,用血氧飽和度這個物理量來描述血液中氧含量的變化[2]。

血氧飽和度是指在全部血容量中被結(jié)合O2容量占全部可結(jié)合的O2容量的百分比。正常人體動脈血的血氧飽和度為98%,靜脈血為75%。它是反映機體內(nèi)血氧狀況的重要指標(biāo),一般認(rèn)為血氧飽度正常值應(yīng)不低于94%,在94%以下被視為供氧不足[3]。功能飽和度(Functional Saturation):SO2=氧合血紅蛋白/(氧合血紅蛋白+還原血紅蛋白)。自然飽和度(fractional saturation):SO2=氧合血紅蛋白/(氧合血紅蛋白+還原血紅蛋白+碳氧血紅蛋白+高鐵血紅蛋白)。

在醫(yī)學(xué)臨床上多通過功能飽和度來反映血氧中氧含量的變化,該變化可表示血液中血液的供氧情況,從而判定人體的健康狀態(tài)和疾病類型[4]。一般血氧飽和度偏低主要因為呼吸、循環(huán)系統(tǒng)的疾病,麻醉引起的機體自動調(diào)節(jié)功能失常,或者大手術(shù)創(chuàng)傷,其他治療、檢查引起的損傷。如果血氧飽度正常值低于94%,就會出現(xiàn)癥狀:頭暈、無力、嘔吐,呼吸困難,嚴(yán)重者則會危及生命。

血氧對人體生命參數(shù)具有重要意義,但是國際上只有一個歐洲標(biāo)準(zhǔn)“EN865”中1997版有美國材料實驗室協(xié)會(ATSM)制定的血氧飽和度的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn),我國尚無血氧飽和度的國家標(biāo)準(zhǔn)[1]。另外各廠家的產(chǎn)品多采用大批量的臨床數(shù)據(jù)上設(shè)計的經(jīng)驗算法轉(zhuǎn)換測試曲線。因此國內(nèi)血樣檢測的方法上存在不足,而且受到采樣人群的年齡、膚色、人種、運動狀態(tài)等的影響。

當(dāng)前市場上使用的主要有指夾式血氧儀、脈搏血氧儀、掌式脈搏儀3種,使用時多有不便。因此我們針對市場上血氧監(jiān)測方式的問題和不足,針對性的改進了硬件設(shè)計和軟件算法,提升血氧監(jiān)測的便攜性和準(zhǔn)確度。

本文設(shè)計的血氧監(jiān)測儀在傳統(tǒng)血氧儀的基礎(chǔ)上進行了采用光電式傳感和壓力傳感結(jié)合的設(shè)計改進[5];另外在指尖和手腕采集數(shù)據(jù),在體外貼近皮膚測量,不進行任何人體損傷實驗,被測試人員有知情同意確認(rèn),設(shè)計產(chǎn)品為消費電子類而非醫(yī)療器械類,倫理委員會確認(rèn)無需審批。

1 光電血氧儀的設(shè)計

1.1 設(shè)計方法

本款新設(shè)計的可穿戴腕式血氧儀,改進傳統(tǒng)的投射式脈搏波血氧飽和度檢測的算法模型到反射式脈搏波血氧飽和度的檢測方式。硬件的設(shè)計主要由一個微處理器、存儲器(EPROM與RAM)、兩個控制LED的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、對光電二極管接收的信號進行濾波與放大的器件、將接收信號數(shù)字化以提供給微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成,為方便測試數(shù)據(jù)的實時顯示,滿足可穿戴式設(shè)備的設(shè)計要求,可穿戴腕式血氧監(jiān)測儀同時加入一個小型OLED的顯示屏,用來顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2 血氧儀的改進設(shè)計原理

1.2.1 血氧儀的傳感器選擇

本款血氧儀基于紅光和紅外光譜的脈搏血氧飽和度檢測技術(shù),使用PPG(Photoplethysmography)方法:光電體積描記法,在儀器中設(shè)計有兩個發(fā)射紅外線的發(fā)光二極管,利用光電式傳感器監(jiān)測動脈中攜帶氧的血紅蛋白與不攜帶氧的血紅蛋白的比例,發(fā)出的紅外線進入皮下組織后,被手腕或手指皮下的毛細血管中移動的血細胞吸收,反射回到探頭內(nèi)的另一光敏晶體管,其信號經(jīng)過放大處理后顯示為動脈波形,波形的大小與 局部微血管中紅細胞數(shù)成正比。波形越高表示該處組織血運越正常,這兩個發(fā)光二極面向病人的手腕部位,釋放不同的波長[6]。

其中一只二極管釋放波長為660 nm的光束,另一只釋放的波長在880 nm～990 nm之間,根據(jù)不同佩戴個體動態(tài)調(diào)整。由于含氧的血紅蛋白對這兩種波長的吸收率與不含氧的差別很大。利用這個性質(zhì),可以計算出兩種血紅蛋白的比例。按照Beer-Lambert定律,比值R/IR與動脈血氧飽和度(SaO2)的函數(shù)關(guān)系應(yīng)為線性關(guān)系,但由于生物組織是一種強散射、弱吸收、各向異性的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng),不完全符合經(jīng)典的Beer-Lambert定律,因而導(dǎo)致了表達紅光和紅外光吸光度相對變化測量值(R/IR值),與動脈血氧飽和度(SaO2)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型建立困難。只能通過實驗的方法來確定R/IR與SaO2的對應(yīng)關(guān)系,即定標(biāo)曲線[7]。該脈搏血氧儀主要以實驗方法獲取經(jīng)驗定標(biāo)曲線以完成產(chǎn)品的預(yù)定標(biāo)。

1.2.2 光波選擇

通過依次驅(qū)動一個紅光LED(660 nm)和一個紅外光LED(880 nm～990 nm),藍色線條表示血紅蛋白不帶氧分子的時候接收管對還原血紅蛋白感應(yīng)曲線,從曲線圖中可以看下還原血紅蛋白對660 nm紅光的吸收比較強,而對880 nm～990 nm nm紅外光的吸收長度比較弱[8]。紅色線條表示血紅蛋白并帶有氧分子的血紅細胞時接收管對氧合血紅蛋白感應(yīng)曲線,從圖中可以看出對660 nm紅光的吸收比較弱,對880 nm～990 nm紅外光的吸收比較強[9]。在血氧測量時,還原血紅蛋白和有氧合血紅蛋白,通過檢測兩種對不同波長的光吸收的區(qū)別,所測出來的數(shù)據(jù)差就是測量血氧飽和度最基本的數(shù)據(jù)。在血氧測試中660 nm和880 nm～990 nm最常見的兩個波長,實際上要做到更高的精度,除了兩個波長以外還要增加其他波長,甚至高達8個波長,最主要的原因是人體血紅蛋白除了還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白之外,還有其他的血紅蛋白,我們經(jīng)常見的是碳氧血紅蛋白,更多的波長有利于運算后精度更好,但基于投入效用考慮,再多加一個波長810 nm,根據(jù)血紅蛋白光譜吸收曲線,其吸收特性不算血氧飽和度的變化而變化。

1.2.3 濾波算法選擇

通過研究發(fā)現(xiàn),最佳線性濾波理論起源于40年代美國科學(xué)家Wiener和前蘇聯(lián)科學(xué)家Kолмогоров等人的研究工作,后人統(tǒng)稱為維納濾波理論[6]。從理論上說,維納濾波的最大缺點是必須用到無限過去的數(shù)據(jù),不適用于實時處理。為了克服這一缺點,60年代Kalman把狀態(tài)空間模型引入濾波理論,并導(dǎo)出了一套遞推估計算法,后人稱之為卡爾曼濾波理論[10]。卡爾曼濾波是以最小均方誤差為估計的最佳準(zhǔn)則,經(jīng)過多次模擬運算實驗及他人的經(jīng)驗分析,卡爾曼濾波比較適合少數(shù)據(jù)量的遞推估計的計算,可利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程,通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù),對系統(tǒng)狀態(tài)進行最優(yōu),由于觀測包含系統(tǒng)的噪聲和干擾的影響,所以最優(yōu)估計也可看做是濾波過程[11]。因此卡爾曼濾波比較適合于實時數(shù)據(jù)處理和小數(shù)據(jù)量的計算機運算,以最小均方誤差為最佳估計準(zhǔn)則,用于生理信號檢測中以抑制噪聲,主要采用信號與噪聲的狀態(tài)空間模型,利用前一時刻的估計值和當(dāng)前時刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計,求出當(dāng)前時刻的估計值,再根據(jù)建立的系統(tǒng)方程和觀測方程對需要處理的信號做出滿足最小均方誤差的估計[12]。

首先對腕式血氧儀算法模型做如下假設(shè):

假設(shè)1所有波長通過肢體組織的路徑相同;

假設(shè)2肢體的動作干擾成分與血氧成分在統(tǒng)計上相互獨立;

假設(shè)3探頭耦合的運動信號在不同波長的光中幅度不同,但假設(shè)他們在同一時間有一定的比例關(guān)系[13]。

先設(shè)線性時變系統(tǒng)的離散狀態(tài)防城和觀測方程為:

X(k)=F(k,k-1)X(k-1)+T(k,k-1)U(k-1)

Y(k)=H(k)X(k)+N(k)

式中:X(k)和Y(k)分別是k時刻的狀態(tài)矢量和觀測矢量;F(k,k-1)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣;U(k)為k時刻動態(tài)噪聲;T(k,k-1)為系統(tǒng)控制矩陣;H(k)為k時刻觀測矩陣;N(k)為k時刻觀測噪聲。

從而可以得到卡爾曼濾波的算法流程為:

預(yù)估計:

計算預(yù)估計協(xié)方差矩陣:

T(k,k-1)×Q(k)×T(k,k-1)′

接著計算卡爾曼增益矩陣:

H(k)′+R(k)]-1

調(diào)整更新估計:

計算更新后估計協(xié)防差矩陣:

H(k)]′+K(k)×R(k)×K(k)′

反射光信號在在一段時間內(nèi)是非平穩(wěn)的,但在較短的時間內(nèi)的一階統(tǒng)計量和二階統(tǒng)計量近似為常量,因此反射光信號在相對較短的時間內(nèi)可以看成白噪聲激勵以線性時不變系統(tǒng)得到的穩(wěn)態(tài)輸出。假定反射光信號信號可看成由一AR模型產(chǎn)生,具體算法模型如下[14]:

根據(jù)時間更新方程:

測量后調(diào)整方程如下:

P(t|t)=P(t|t-1)-k(t)gTP(t|t-1)

K(t)為卡爾曼增益,其計算公式為:

式中:

X(n)=[x(n-p+1)x(n-p+2) …x(n)]

g=[0 0 … 0 1]

式中:K為約簡廣義模型中級數(shù)項的數(shù)目;Pi,i=1,2,…,K為相應(yīng)的級數(shù)項。

2 效果評價和測試數(shù)據(jù)驗證

利用卡爾曼算法濾波,對于不同波長的濾波結(jié)果處理分析,采集原始波形如圖1所示。

圖1 不同波長對血氧的變化圖

原始的紅光和紅外波形圖如圖2所示。

圖2 原始紅光和紅外的波形圖

使用帶通處理后的紅外和紅光波形如圖3所示。

圖3 紅光紅外帶通處理后波形圖

經(jīng)算法處理后驗證憋氣后的血氧變化如圖4所示。

圖4 驗證憋氣計算后比較圖

利用卡爾曼算法濾波,降低了波形的噪音,極大提升了傳感器采集到的數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 卡爾曼算法濾波比較圖

3 檢測結(jié)果評定和適用人群測試

從現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的角度,如果血液中含氧量大于等于95,一般顯示為正常指標(biāo);限定每分鐘脈搏在60次～100次,屬于正常指標(biāo)[15]。我們使用本論文算法的光電式血氧儀與醫(yī)用美國MASIMO RAD-8脈搏血氧儀[14]在不同時間點分別檢測2次～3次,保持2 d～3 d的動態(tài)連續(xù)檢測。

針對以下的人群進行測試比較。

3.1 有血管疾病的人群

該類血管疾病包括:冠心病、高血壓、高血脂、腦血栓等,該人群血管腔有脂質(zhì)沉積,血液不暢,供氧困難心腦血管病人,血液粘稠,加上冠狀動脈硬化,血管腔狹窄,從而供血不暢,供氧困難。

表1 有血管疾病人群比較表

長期輕度缺氧,心臟.大腦等耗氧特大的器官功能會漸漸衰退。重度缺氧,便會發(fā)生“心?！?“腦?！?不及時供氧急救,會遭致猝死。此組數(shù)據(jù)比較后平均接近率達到98.8%,可以有效監(jiān)測血氧變化,因此心腦血管病人長期用新算法血氧檢測血氧含量,能有效預(yù)防危險發(fā)生,如果出現(xiàn)缺氧狀況,第一時間補氧,大大減少疾病發(fā)作機會。

3.2 有呼吸系統(tǒng)疾病的人群

該類血管疾病包括:哮喘、氣管炎、慢性支氣管炎、肺心病、慢阻肺等。呼吸困難導(dǎo)致吸入氧氣量有限,呼吸系統(tǒng)病人的血氧檢測的確很重要,一方面呼吸困難會導(dǎo)致攝氧不足,另一方面,哮喘的持續(xù),也會使細小的支器官被堵塞,使氣體交換發(fā)生困難,導(dǎo)致缺氧發(fā)生,造成心肺、大腦甚至腎臟不同程度的損傷。

表2 有呼吸系統(tǒng)疾病人群比較表

此組數(shù)據(jù)比較后平均接近率達到99%,可以有效監(jiān)測血氧變化,因此用新算法血氧儀檢測血氧含量,大大降低呼吸道發(fā)病率。

3.3 60歲以上的老年人群

老年人心肺器官生理老化,攝氧不足.供氧不力。人體依賴血液傳輸氧氣,血少了,氧氣自然就少了。

表3 60歲以上老人比較表

此組數(shù)據(jù)比較后平均接近率達到98%,可以有效監(jiān)測血氧變化,因此老年人使用新算法血氧儀檢測血氧含量,一旦血氧低于警戒水平,需盡快補氧,有助于老年人晚年健康。

3.4 每天工作12 h以上的人群

腦力勞動過大的人,大腦耗氧量增大,氧氣供應(yīng)不能滿足消耗。大腦耗氧量占全身攝氧量的20%,腦力勞動過渡,大腦耗氧量必然上升。而人體能夠攝入的氧有限,消耗多,攝入少。除了造成頭暈、乏力、記憶差、反映遲鈍等問題之外,同樣會對大腦心肌造成嚴(yán)重傷害,甚至是過勞死亡。

表4 每天工作12 h以上的人群比較表

此組數(shù)據(jù)比較后平均接近率達到98.5%,可以有效監(jiān)測血氧變化,所以每天學(xué)習(xí)或工作12 h的人群使用新算法血氧檢測血氧含量,監(jiān)控血氧健康,可以確保健康安穩(wěn)的工作。

3.5 極限運動員的人群

極限運動及高山缺氧環(huán)境下的血氧監(jiān)測,有助于了解運動員在大運動量后的血液循環(huán)情況,以指導(dǎo)對運動員運動量的制定。

跑馬拉松運動的運動員及其需要進行血氧的檢測,此組數(shù)據(jù)比較后平均接近率達到99%,可以有效監(jiān)測血氧變化,提前發(fā)現(xiàn)血液攜氧或供氧的問題,避免由運動過度對身體造成危害。

因此該款光電式血氧儀的設(shè)計和算法的應(yīng)用可以精確的測定人體血氧飽和度,對于以上各類人群身體狀況動態(tài)血氧進行監(jiān)測,具有“治未病和健康管理”的實踐應(yīng)用價值。

表5 極限運動員人群比較表

4 結(jié)語

采用本論文種提到的新款ECG傳感器設(shè)計的血氧儀,使用卡爾曼擴展算法測量的成果,意味著光電式血氧儀的可行性,另外不僅可在指夾式的產(chǎn)品設(shè)計,更重要在腕帶式產(chǎn)品上應(yīng)用,其可穿戴特性和便攜性有很好的提升。

參考文獻:

[1] 于巍,古慶恩,黃世安. 脈搏血氧飽和度監(jiān)測技術(shù)的研究進展[D]. 中國醫(yī)學(xué)裝備,2008,5(4):56-58.

[2] 方啟越. 血氧飽和度檢測技術(shù)研究—無創(chuàng)脈博血氧飽和度檢測儀的設(shè)計[D]. 南京:南京理工大學(xué),2013.

[3] Relente A R,Sison L G. Characterization and Adaptive Filtering of Motion Artifacts in Pulse Oximetry Using Accelerometers Engineering in Medicine and Biology[R]. Conference and the Fall Meeting. 2002,2:1769-1770.

[4] 程玉寶,王炳健,劉上乾. 一種提高激光波長測量精度的改進算法[J]. 光子學(xué)報,2003,32(9):1041-1044.

[5] 羅曉鳳,王仙園. 血氧監(jiān)測技術(shù)與研究進展[J]. 國際護理學(xué)雜志,2003,22(1):9-11.

[6] Pflugradt M,Rose M,Orglmeister R. A Novel Method for Motion Artifact Removal in Wearable PPG Sensors Based on Blind Source Separation[J]. Biomedical Engineering,2013,58(15):3234-3234.

[7] 王江濤,葛強,錢煒. 一種新型傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位法[J]. 計算機工程與應(yīng)用,2012,48(2):76-79.

[8] 于德潤,褚雷陽,張松. 新型傳感器技術(shù)在武器系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 傳感器與微系統(tǒng),2013,32(8):1-5.

[9] 謝鵬,張紅梅. 基于紅外波長的新型傳感器設(shè)計與計算分析[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2016(7):26-28.

[10] 肖進輝,王志剛. 基于改進的反演方法評估軋制界面接觸應(yīng)力的新型傳感器理論研究[J]. 機械設(shè)計與制造,2016(7):24-28.

[11] One Kind of Oxygen Saturation Detection Method and System[R]. CN Report. 101940476 B[P]. 2016.

[12] Sun Z,Yu J,Su J,et al. Physiological Parameter Parameter Processing Method and System,and Monitoring Device[R]. WO/2015/035764[P]. 2015.

[13] 黃亞武. 基于智能終端的生命體征測量技術(shù)研究與實現(xiàn)[D]. 湘潭大學(xué),2016.

[14] 鄭貴林,陶志浩. 基于低功耗藍牙技術(shù)的胃動力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 傳感器學(xué)報,2017,30(2):169-173.

[15] 龔渝順,郭寶明,高丹丹. 一種抗干擾穿戴式血氧飽和度監(jiān)測儀的研制[J]. 傳感器學(xué)報,2012,25(1):6-10.