基于交直流分离的反射式血氧饱和度测量系统的设计*

秦 颖,张 晶*,蔡 靖,戴 强

(1.长春理工大学光电信息学院,长春 130012;2.吉林大学仪器科学与电气工程学院,长春 130026)



基于交直流分离的反射式血氧饱和度测量系统的设计*

秦 颖1,张 晶1*,蔡 靖2,戴 强2

(1.长春理工大学光电信息学院,长春 130012;2.吉林大学仪器科学与电气工程学院,长春 130026)

肝储备功能是评价肝脏正常生理活动的重要依据,动脉血氧饱和度是肝储备功能测量的重要中间变量,针对长时间连续无创血氧饱和度测量的要求,提出基于交直流分离的反射式血氧测量系统的设计方案。通过测量手指、耳尖等皮肤薄弱部位的反射式光电容积脉搏波,利用交直流信号分离处理技术,基于动脉血氧饱和度经验测量公式,实现长时间无创动脉血氧饱和度测量。交直流分离技术的使用能够有效的降低系统干扰和噪声的影响,优化血氧饱和度测量结果;经临床医疗对比实验检测,证明系统误差符合实际测量要求。

光电技术;血氧饱和度;交直流分离;光电容积脉搏波;无创检测

肝储备功能是评价肝脏维持正常生理活动的重要依据,在肝病诊断、肝移植、肝切除手术中,肝储备功能的临床监测能有效辅助肝脏疾病术前、术后临床给药和病人的身体康复。动脉血氧饱和度SpO2是无创肝储备功能测量中重要的中间测量参数,长时间连续测量血氧饱和度对临床肝储备功能测量、分析具有重要意义[1-3,5]。

当前市场上血氧饱和度检测系统主要采用透射式光电容积脉搏波理论实现血氧测量,虽然能够简单方便检测血氧饱和度,但是不易于日常生活中长期测量,无法有效反映测量者24 h的血氧饱和度波动情况,对肝储备功能测量不能提供可靠的测量评估。

本文提出基于交直流分离的反射式血氧饱和度测量方法,通过反射式测量,光电容积脉搏波交流信号和直流信号分离,避免了日常活动中产生的运动伪差的干扰,保证了血氧饱和度长时间测量的稳定性和准确性,为临床无创肝储备功能测量提供可靠的分析依据。

1 反射式血氧饱和度测量方法

动脉血氧饱和度定义为血液中氧合血红蛋白O2Hb占整体血红蛋白(包括氧合血红蛋白O2Hb和还原血红蛋白RHb)的比例,如式(1)所示:

(1)

血红蛋白在不同氧合状态下对红光、近红外光具有的不同吸收作用。利用这一光谱吸收特性,可以对人体组织中氧合血红蛋白O2Hb,还原血红蛋白RHb浓度进行定量检测。图1为氧合血红蛋白O2Hb和还原血红蛋白RHb的吸收光谱。

图1 O2Hb和RHb吸收光谱

综合对比660 nm、805 nm、940 nm吸光特性,从中可以看出在660 nm位置,还原血红蛋白和氧合血红蛋白二者吸收差异性最大,在805 nm处氧合血红蛋白O2Hb和还原血红蛋白RHb具有相同的吸收系数。选择660 nm红光和805 nm红外光作为入射光源,测量部位选择手指[1],耳尖等皮肤较薄的位置,光照射到手指部位,接收到的反射光包括不变的直流成分IDC和脉动的交流成分IAC,直流成分IDC体现为人体的表皮、真皮皮下的脂肪、结缔组织和骨骼部分对入射光的吸收,接收信号的幅度是不发生改变的,交流成分IAC,反映了血液中的吸光物质氧合血红蛋白O2Hb和还原血红蛋白RHb对入射光的吸收效果[2]。根据光电容积脉搏波描记法[3-5],通过测量反射光电容积脉搏波的交直流成分,实现测量动脉血氧饱和度。由朗伯-比尔定律可知:

lg(I0/I)=ECL

E为吸光系数,C为溶液的饱和度,L为光路厚度,I0为入射光光强,I为透射光光强

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

EO2Hb氧合血红蛋白吸光系数,CO2Hb氧合血红蛋白饱和度,ERHb还原血红蛋白吸光系数,CRHb还原血红蛋白饱和度。

当第1路光入射,手指脉动,导致入射光路发生变化,有

ΔW=WL+ΔL-WL=lg[(I-ΔI)/I]

=-(EO2HbCO2Hb+ERHbCRHb)ΔL

ΔI为光路改变导致的光强损耗

同理,第2路光入射有

将以上两式代入式(1)有

即

设

则有

由于交流信号远远小于直流信号,所以有

SpO2=Ax2+Bx+C

(2)

因此只需要测量得到660nm和805nm反射光信号的交直流分量,即可获得动脉血氧饱和度[6-7]。实际测量中增加二次项,采用SpO2=Ax2+Bx+C经验模型测量血氧饱和度。

图2 光电容积脉搏波交直流混合信号

2 交直流分离技术

系统接收部分接收到的光电脉搏信号为交直流混合信号,如图2所示,其中交流成分幅值占混合信号的很小部分,为有效的测量接收信号的交流成分和直流成分,需要将交流信号和直流信号分离。

正常人体脉搏信号有效成分主要集中在1Hz附近,为了保证测量的通用性,选取0.5Hz～10Hz为测量区间,系统采样率设定为125Hz,满足奈奎施特采样定理,以避免信号失真。交直流信号分离,通过设计0.5Hz～10Hz的带通滤波器,利用减法器实现交流信号和直流信号的分离处理[8-9]。框图如图3所示。

图3 交直流信号分离电路框图

带通滤波器由双二阶高通滤波器和双二阶低通滤波器组成,选取低噪声,宽增益运算放大器OP37器件构成压控电压源VCVS有源高通滤波器,设置滤波参数:R=1.2 M,C=0.33 μF,fc=0.4 Hz,如图4所示。

图4 VCVS压控电压源二阶高通滤波器

二阶高通滤波器传递函数为:

高通滤波器幅频特性响应如图5所示,其通带特性满足设计要求。

图5 高通滤波器幅频特性曲线

二阶低通压控电压源VCVS滤波器,设置滤波器参数:R=51k,C=0.33μF,fc=9.5Hz,如图6所示。

图6 VCVS压控电压源二阶低通滤波器

二阶低通滤波器传递函数为:

令R1=R2=R,C1=C2=C,则截止频率为(xk,yk),k=1,2…,m。

低通滤波器幅频特性曲线如图7所示,其衰减特性满足设计要求。

图7 低通滤波器幅频特性曲线

利用有源运算放大器构建减法器,从交直流混合信号中去除交流信号,实现交直流分离。

图8 系统整体框图

3 系统实现

系统总体框图如图8所示,由光电指夹,数据采集处理模块组成,光电指夹包括660nm,805nm发光二极管,光电接收管;数据采集处理部分包括光源驱动,光源转换、信号处理、AD转换、本地存储、蓝牙通信和微处理器单元。信号处理单元实现光电脉搏波交直流分离,滤波、放大等处理[7,10-11]。

4 系统测试与分析

4.1 测量方法

人体正常的日常活动大多为静坐、卧、慢步行走3种情况;选取一名年龄25岁的健康男性,室温25 ℃,考虑血氧信息在肝储备功能测量中的支撑作用,血氧信息在日常生活中的抗运动扰动,便携式测量是必须解决的问题。实验设计:在静坐、卧、慢步行走3种情况下系统连续检测,多次重复血氧饱和度测量实验,验证血氧饱和度测量的稳定性和准确性。实验过程中,测试者多次重复静坐、静卧、慢步行走3种运动状态,测量系统连续测量在3种状态下的测试者光电脉搏波信号,由式(2)进行血氧饱和度计算。

选取迈瑞公司生产的IMEC10病人监护仪对比测量、定标。测量获得的660nm和805nm光电容积脉搏波信号(PPG信号)经交直流分离后,由信号处理单元进行信号放大调理,选取30s时间范围内的660nm和805nm光电容积脉搏波信号(PPG信号),其滤波前后的信号波形如图9和图10所示。

图9 660 nm信号滤波前后波形

图10 805 nm信号滤波前后波形

4.2 最小二乘拟合多项式计算

由最小二乘法可知[12],设给定血氧饱和度测量实验数据(xk,yk),k=1,2,…,m,求n次函数关系式

考虑低血氧存在的因素,由经验测量模型可知,设动脉血氧饱和度测量方程为

SpO2=Ax2+Bx+C

拟合曲线如图11所示。

图11 拟合曲线

拟合参数A=-14.635 1,B=36.704 1,C=74.538 8,由拟合结果可以看出直线拟合平均均方误差(err1)为0.506 12,二次多项式拟合平均均方误差(err2)为0.459 79,拟合效果优于直线拟合。

使用IMEC10病人监护仪同时检测动脉血氧饱和度,进行对比定标,系统测量获得的动脉血氧饱和度曲线如图12所示。

图12 血氧饱和度曲线

4.3 误差分析

为了验证系统血氧浓度测量的敏感性,进行呼吸抑制实验。选取实验测试者一名,年龄25周岁,男性,身体健康,连续两次屏住呼吸30 s,间隔3 min,观察动脉血氧饱和度变化趋势,实验结果如图13所示。

图13 屏息实验血氧饱和度变化曲线

实验选取10名测试者,身体健康,年龄(25～35)周岁之间,体重62 kg～75 kg,在室温25 ℃环境下,重复连续测量坐、卧、慢步行走3种运动情况下的测试者光电容积脉搏波信号,由血氧饱和度计算公式计算得到血氧测量值,经最小二乘拟合多项式多次修正计算,获得测试者血氧饱和度数据。测量结果与迈瑞公司生产的IMEC10病人监护仪同步测量的血氧饱和度数据进行比较,测量对比结果如图14所示。

图14 血氧饱和度误差比较

误差分析如表1所示。

表1 动脉血氧饱和度测量值与实际值误差分析

4.4 实验结果分析

根据静坐、卧、慢步行走3种情况下光电容积脉搏波信号实验测量,系统具有较好的抗运动扰动,适合长时间连续便携式测量使用;经呼吸抑制实验和测量误差对比实验可以看出,血氧饱和度测量反映灵敏,测量误差满足系统要求,其稳定性、准确性符合实际使用。

5 结语

基于交直流分离的反射式血氧饱和度测量系统,采用反射式光电容积脉搏波,交直流分离方式测量动脉血氧饱和度,与医院病人监护仪测量结果对比,其误差满足医疗仪器要求。反射式工作方式与传统血氧仪相比,更适合便携式长时间测量,对无创肝储备功能临床测量提供了有益的血氧参数参考。

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秦 颖(1978-),女,讲师,本科,主要研究方向:电子信息、无线通信。任教10年,讲授《微机原理与接口技术》、《单片机原理与接口技术》和《电子技术基础》等三门课程。主编普通高等教育“十二五”规划教材《微机原理与接口技术》,参编《电子技术基础》。参与完成吉林省教育厅科研项目2项,公开发表相关论文4篇,1270736494@qq.com;

张 晶(1973-),女,副教授,通讯作者,硕士,主要研究方向为光电仪器、数字图像处理。任教14年,讲授《微机原理与接口技术》、《AVR单片机及应用》和《光电技术》等三门课程。主编普通高等教育“十二五”规划教材《微机原理与接口技术》,参编《光电变换与检测技术》。主持及参与完成吉林省教育厅科研项目3项,公开发表相关论文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

项目来源:2012年博士点基金课题项目-博导类(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