綠光光電容積脈搏波測量生理參數的校準技術

/上海市計量測試技術研究院

0 引言

應用于生理參數測量的光電容積描記法（Photoplethysmography,以下簡稱PPG）是借助光電手段檢測血液容積變化的一種無創檢測方法。PPG信號包含了豐富的人體生理信息，是研究身體健康狀況的重要信息來源。其測量方式大致為通過向人體表皮如手腕、指尖、耳廓等發射光，并用傳感器接收經人體反射或透射的光。由于皮下血管中血流的作用，反射或透射的光會包含隨血液循環變化的周期性的信號。理論上，該信號可實時反映人體的心率、血壓、血氧、腦氧、肌氧、血糖和呼吸率等與人體健康相關的重要生理信息[1]。

隨著傳感、光電、算法、集成等信息技術的發展，使用PPG技術，特別是綠光PPG技術的產品，如智能手環、手表、腕帶等在市場上越來越多[2][3]。這促使很多研究者開始研究其測量準確性和可靠性的評價技術[4]。

針對上述問題，對人體脈搏波進行仿真重建，旨在為針對綠光光電容積脈搏波測量心率的校準技術提供信號源。

1 準備工作

1.1 綠光PPG技術和紅光紅外光PPG技術在計量校準中的區別

目前，市場上紅光紅外光PPG技術的主要應用設備為指夾式脈搏血氧儀。針對該類測量設備，相關部門曾出臺JJG 1163-2019《多參數監護儀》檢定規程、JJF（滬） 5-2015《脈搏血氧計校準規范》等技術依據，對其血氧飽和度和脈率的測量技術進行規范。

針對紅光紅外光PPG技術的校準裝置，一般由血氧飽和度模擬儀構成。其核心部件由信號源和紅光紅外光發光設備構成[5]。與之不同的是，針對綠光PPG技術的校準裝置的發光應采用523 nm的綠光發光設備[6][7]。因此，針對綠光PPG技術的校準裝置，應嵌入新的仿真信號，作為校準信號源來完成校準工作。

1.2 仿真脈搏波信號的原則

一般認為，健康人的手腕處和手指的壓力脈搏波一般由主波、重搏波和重搏前波構成[8]。而光電容積脈搏波和壓力脈搏波的波動信號來源于同一處，可以參考壓力脈搏波的波形信號進行重建和仿真，從而形成可供計量測試應用的標準信號波形。

而在脈搏波的重建仿真研究方面，有學者應用高斯重建方法，取得了良好效果。高斯重建方法的優勢在于可以通過更改高斯函數的參數，來改變仿真脈搏波的波形[9]。這種優勢，使得高斯重建方法經常用于脈搏波的病理研究。但是針對光電容積脈搏波監測產品的計量測試技術，更加側重于脈搏波的時間頻率、相鄰波峰的距離等因素，從而能對其反映的心率參數做出評價。因此，其所需的仿真脈搏波信號需要具有以下兩個特點：

1）穩定的波形且高斯函數的參數固定。

2）能夠有效輸出主波波峰較為明顯的波形。

綜上所述，本文將采用多項式曲線擬合重建，對脈搏波進行仿真。

2 實驗與方法

采用的數據來自于MIMIC數據庫，該數據庫是國際開放人體生理監護數據庫之一。該數據庫的數據來自長期的人體生理監護數據的采集，被世界范圍內的研究者廣泛采用，具有很強的代表性[10]。本文主要使用了該數據庫下 MIMIC II Waveform Database的PPG信號數據。基于MATLAB環境，利用其工具箱中的plotATM工具，得到靜息狀態下的PPG信號，提取波形如圖1所示。

圖1 國際數據庫的PPG信號

根據圖1數據，選取一個較為顯著的周期，提取數據后進行重新采樣，實驗結果如圖2所示。

圖2 原始數據和重新采樣后波形

本文對重新采樣的波形進行了多項式曲線擬合，為得到最佳的擬合效果，分別進行5項、9項和13項多項式曲線擬合，得到圖3圖形。為避免過擬合和欠擬合現象，舍去更高階和更低階的多項式擬合。通過觀察可以得到9項多項式曲線擬合的效果最為逼真。

圖3所示為多項式曲線擬合效果，其中圖3（a）為5項多項式曲線擬合，圖3（b）為9項多項式曲線擬合，圖3（c）為13項多項式曲線擬合。

圖3 多項式曲線擬合效果

另外，在9項多項式曲線擬合的方法下，根據圖1的其他波形，對模擬脈搏波的波形的重搏和重搏前波進行了適當調整，使其更加符合人體脈搏波的起伏規律。經過調整重建，波形如圖4所示。

圖4 經調整重建的波形

將上述波形所代表的信號作為標準的單周期仿真PPG信號。作為校準裝置的信號源，上述波形信號被進一步制作為周期性穩定輸出的信號，如圖5所示。其周期和幅值都可根據實際需要進行調整。

圖5 穩定輸出的仿真信號波形

3 結語

觀察圖1中的原始數據和圖5的仿真信號，本文所制作的仿真信號基本模擬了真實PPG信號的波形特征，具有良好的效果。

通過對綠光光電容積脈搏波測量生理參數的校準技術進行研究，分析綠光PPG技術和紅光紅外光PPG技術在計量測試工作中的差異，得出了針對綠光PPG的某些校準技術特性，從而確定了所需信號源的特點和制作原則。本文選取合適的算法，仿真了綠光PPG脈搏波并取得良好效果，為校準裝置的研制提供了信號源。