数字式脉搏血氧饱和度检测系统的研制

·基础研究· 数字式脉搏血氧饱和度检测系统的研制 张 虹，金 捷，孙卫新 摘 要：目的 研制脉搏血氧饱和度检测模块，可实时地对动脉血氧饱和度及心率进行连续无创地监测。方法 改 变传统的以模拟技术为主要手段的处理方法，主要利用数字信号处理技术来完成一系列工作，使系统结构数字化。 结果 经实验测试证明脉搏血氧饱和度检测模块结构简单，性能稳定，抗干扰性好，具有较高的准确性和重复性等特 点。结论 该设计可行，它为脉搏血氧仪系统的数字化设计提供了一条新思路。 关键词：血氧饱和度；数字信号处理；光电容积脉搏波；运动伪差 中图分类号：!""#；$%&’’(’ 文献标识码：) 文章编号：’**+ , -*+*（.**.）*& , *’./ , *" !"# $#%#&’()#*+ ’, - $./.+-& 01&2# 34.)#+56 762+#) 01)23 1456，782 79:，;<2 =:9 , >95 !"#$%&’"(& )* +,)’"-,.$/ 0(1,(""%,(1，2,’$( 3%$**,. 4(,5"%6,&7，2,’$( 89::;9 892+5-:+：39;#:+.%# $4 ?:@:A4B C D95? 4E ?969F9G:? BHAI: 4>9J:FKL ILIF:J，J:CIHK:? 4>L6:5 ICFHKCF945 C5? BHAI: KCF: 95 K:CA F9J: M45F95H4HIAL C5? 545 , 95@CI9@:ALN <#+"’=2 $O: ?:I965 CAF:K:? FO: M45@:5F945CA CBBK4CMO FOCF BK4M:II:? PL FO: C5CA46L F:MO59QH:I CI FO: JC95 J:CIHK:，C5? C?4BF:? FO: ?969FCA I965CA BK4M:II956 J:FO4?I F4 M4JBA:F: FO: ILIF:J B:KE4KJ956 I4 CI F4 JCD: FO: ILIF:J ?969F9G:?N >#21&+2 8F ?:J45IFKCF:? FOCF FO9I ILIF:J RCI MOCKCMF:K9G:? PL I9JBA: M45IFKHMF945，IFCPA:，C5F9 , 95F:KE:K:5M: C5? K:S B:CFCP9A9FL N ?’*:&12.’*2 $O: ?:I965 9I E:CI9PA: C5? K:A9CPA:N 8F BK4@9?:I C 54@:A FK:5? 4E ?969FCA ?:I965 E4K BHAI: 4>9J:F:KIN @#6 A’5=2：4>L6:5 ICFHKCF945；?969FCA I965CA BK4M:II956；BO4F4BA:FOLIJ46KCBOL；J4F945 CKF9ECMFI B 引言 脉搏血氧仪具有连续、无创、快速、准确监测人 体动脉血氧饱和度和心率的功能，现已在临床上发 挥重要作用〔’〕。但作为一种发展中的技术，其在测 量的精度、重复性、稳定性、抗干扰能力等方面还存 在许多需要进一步探讨和完善的地方〔.，&〕。目前的 脉搏血氧饱和度检测系统多是通过模拟技术来完成 的如增益调节、双光束分离、交直流分离、滤波放大、 脉搏波特征检出等一系列工作〔" T #〕。为了简化系统 设计，改善系统性能，我们以数字化为指导思想，研 制了数字式脉搏血氧饱和度检测系统。 C 脉搏血氧饱和度测量基本原理〔D，E〕 血氧饱和度是指在全部血容量中， 被结合氧容 作者单位：西安交通大学医学院生物医学工程系，陕西 西安 -’**#’ 收稿日期：.**. , *’ , ’"；修回日期：.**. , *& , ’& 基金资助项目：陕西省科委自然科学基金资助，编号：++;U"" 作者简介：张虹，硕士，讲师，主要从事脉搏血氧饱和度检测技术 及生物医学信号处理方面的研究工作。 量占全部可结合氧容量的百分比。临床上多用功能 氧饱和度来反映血液中氧含量的变化，即： ;V. W 1PV. 1PV. X 1P Y ’**! 式中：1P为还原血红蛋白，1PV.为氧合血红蛋白。 脉搏血氧仪的测量是将血氧浓度的光电检测技 术与容积脉搏描记技术结合在一起来实现无创伤连 续血氧浓度监测的。透射式脉搏血氧仪多以手指、 耳垂等作为检测部位。当光透过手指时，由皮肤、肌 肉、骨骼、静脉血和心舒期动脉血产生的吸光度 < 是 恒定的。由心脏搏动，动脉血充盈引起血管容积变 化从而形成脉动量产生的吸光度是与此相应变化的 吸光度!<。当用两种特定波长的恒定光!’、!. 照 射手指时，运用 ZCJP:KF , [::K定律并根据吸光度变 化的比（!<’ \!<.）及功能氧饱和度的定义，可推导出 动脉血氧饱和度： ;CV. W "’ ,". !<’ !<. （"’ ,#’）X（#. ,".） !<’ !<. 式中：#’、"’ 是对应于!’ 波长的 1PV.、1P的吸光系 —/.’—生物医学工程与临床 .**.年 +月 第 #卷 第 &期 [U] ^ _A95 U:?，;:BF:JP:K .**.，‘4A N#，24N& 万方数据 数；!!!是对应于!! 的吸光度变化量；""、#" 是对应 于!"波长的 #$%"、#$的吸光系数；!!"是对应于!" 的吸光度变化量。 对一定波长的光和一定的透射物而言，吸光系 数是个确定的量，即"!、""、#!、#"是个常量。适当选 择入射光波长（#$%"、#$在此处具有等吸收特性）可 使得上式中的 &’%" 和!!! (!!" 之间呈近似线性关 系，表示为： &’%" ) " * # !!! !!" ) " * #$ 式中：$ 为两种波长（#$%"、#$）的吸光度变化之比； "、# 为仪器常数，与传感器结构、测量条件有关。但 在实际测量中，由于生物组织是一个强散射、弱吸 收、各向异性的复杂光学介质，因此无法用一个严格 的公式来描述，所以一般是通过测量双光束吸光度 变化之比，然后通过经验定标曲线最终获取氧饱和 度。我们研制的数字式脉搏血氧饱和度检测系统就 是据此原理所设计。 ! 实验方法 !"# 系统结构设计 根据数字化的设计思想，我们首先研制了系统 硬件电路，结构如图 !所示。 光敏管 发光管 模数转换 单片机 ! 双脉冲驱动 直流增益调节 "" # # 图 ! 数字式脉搏血氧饱和度检测系统框图 光源采用两种不同波长的发光二极管，发光管 的峰值分别为!! ) ++, -.（红光），!" ) /0, -.（红外 光）。单片机按照采样频率为 !,, #1的控制时序通 过双脉冲驱动电路依次点亮红光和红外光发光二极 管。由光敏管检测到的信号经直流增益调节后直接 送 2 ( 3采样，然后进入单片机处理。双光束分离、滤 波、脉搏波检出、运动伪差剔除、氧饱和度计算等任 务均通过微处理器由软件程序完成。从而使系统结 构大大简化，减少了许多不稳定和不可靠因素。由 于脉搏波动态范围大，一般脉动量是直流分量的 , 45! 6 0,!。而此时的双脉冲是脉动量叠加直流 量，因此要分辨出如此大范围变化的脉动信号，必须 采用高分辨率 2 ( 3。由于 2 ( 3转换器不可能用到满 度，为避免饱和及基线漂移，应留有余量。假如氧饱 和度的精度为 !!，对比值（ !%789 ( &%789）(（ !% :7 ( &% :7），若考虑极限情况，即假设 &%789、!% :7、&% :7不 变，则需要 !,,个数才能达到精度。设直流为 ; 45 <， 则对 , 45!的脉动量，脉动部分仅为 != 4 5 .<。对 !0 位 2 ( 3，参考电压为 5 <，其分辨率约 , 4; .<，只有 +, 个数。对 !+位 2 ( 3，分辨率约 , 4 ,= .<，则有 "5,个 数。因此，我们选择 !+位 2 ( 3转换器进行采样。 !"$ 系统软件设计 软件主要包括主程序和定时中断服务程序两部 分。主程序主要完成增益调节、探头脱落检测、脉搏 波检出、脉率和血氧饱和度计算、数据发送等任务。 流程图见图 "。>,定时中断服务程序主要完成定时、 脉冲发放、采样、滤波、差分计算等任务。流程图见 图 ;。 ;?"?! 主程序 （!）探头脱落检测的方法是：给 3 ( 2送初始值 & 后，检测红外光脉冲采样值高 @ 位，若该值达到满 度，即为 AA#，则说明有可能是探头脱落所致，也有 可能是增益过高而被测部位组织太薄造成脉冲幅度 饱和；于是，增大 & 值，检测红外光脉冲高 @ 位是否 仍为饱和；若探头未脱落，则只要当 & 小于某一阈 值，脉冲幅度必然会脱离饱和状态；若探头脱落，即 使 & 大于阈值，脉冲仍会处于饱和；为确定 & 的阈 值大小，我们在探头中夹一张纸，能使其脱离饱和的 最小 & 值，作为探头脱落检测的阈值。 （"）考虑到实时性的要求，对运动伪差干扰的处 理我们采用阈值判别法。通过对容积脉搏波信号的 特征分析，我们发现脉搏波相邻两波间的幅度、上升 支时间一般不会发生突变，经测试相邻两波幅度最 大变化率一般不超过 0,!，收缩期最大变化率不超 过 ;,!。于是，我们设置光电容积脉搏波。 幅度变化范围为：,?+ B前 ;个波幅度均值，!?0 B前 ;个波幅度均值。 上升支时间变化范围为：,?= B前 ;个波的上升 支时间均值，!?; B前 ;个波的上升支时间均值。 若检出的脉搏波幅度、上升支时间在变化范围 以内，则认为是正常信号，予以保留。否则认为是干 扰信号，予以剔除。 （;）容积脉搏波检出采用 5点差分来识别脉搏波 上升支。检出方法是：首先进行自学。以心率 ;,次 ( .:-计算，要学习到一个完整的脉搏波大约需要 " C。 因此，我们采集 = 4 5 C脉搏波，共 =5,个点。分 ;段， 每段 "5,个点，这样可保证每段中至少有一个脉搏 波。求出这 ; 段的幅度平均值和差分最大值平均 值，设定幅度范围和差分阈值。 然后根据阈值判断 —+"!— 生物医学工程与临床 ",,"年 /月 第 +卷 第 ;期 DEF G HI:- E89，&8JK8.$87 ",,"，

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