脉搏血氧饱和度检测系统设计中干扰信号的处理方法

国外医学生物医学工程分册 2000年第 23卷第 2期 [15] [1 6 [17] 【ogiea，1 997．41(4)：1058 1084． Jenny J，Isenegger I．Boon ME．et at Consist ency of a double PapNet scan of cer~ical sm ears 一 ． Acta Cyto]ogica，1 997，41(【)：82 87 M ichelow I M ，H[ongwane NF，Leiman G ．et aI-SimulatIon of primary cervica【 cBnccF screening by the PapNet system in an lln— screened，High Risk communityFJ]．Acta Cy— to[ogica，1997，41(1)：88 92． Ashfaq R．Bo tares B，Saboorian MH．Detecti on of endocervical component by PapNet ” system on negative cervical smeaes=J]Diag [1S] [19] [2o] nostic Cyt0path。】oygt1 996t15(2)：121 123． Husia OA．Koejan G，Butler EB，et at．PapN et．The human and other dimensions [j-．Ac ta Cyto[ogiea，1 997，41(5)：1439 1444． Radensky PW ，Mango U ．Imera烈1 e neural network—assisted screening，An economic as sessment[J]．Acta Cytologica，1 998，42(1)： 246 252． Schechter CB．Cost—effectiveness of rescreen ing c0nventi。na_]v prepared cervical smears by (PapNet)testing[J] Acta Cytologica， 1996．40(6)：1272 1282． 甲f iJf l ， 脉搏血氧饱和度检测 系统设计 中干扰信号的处理方法 捷 一 t ‘ ’、 一 ●’ ‘· 。 ～ ’ 、 ’ 一 (西安医科大学生物医学工程系，陕西 西安 710061) 摘要：脉搏血氧饱和度检测系统是一种将血氧浓度 的光电检测技术与容积脉搏描记技术结合起来 实现无刨伤 、连续 血氧滩度测量 的新型医疗监护仪器。消除襁j量系统中各种干扰的影响 ．设法正确 地检出光电容积脉搏波信号是关系到测量系统准确性及其精度的关键问题之一 。本文着重介绍了 脉搏血氧饱和度检测系统中干扰的主要来源、处理方法及其应用现状，从而为脉搏血氧饱和度检 测系统设计提供 了依据。 羌键词 ：血氧饱和度；光电容积脉搏波 中国分类号 ：R318．6 文献标识码 ： 里 A 文章编号 ：1 001—1110(2000)02 0090—06 M ethods of noises elimination in the design of the pulse ox|m etry system ZHANG Hong．SUN Wei xin．JIN Jie (Department of Biomedical Engineering，Xi an M edical University，Xi an 710061，Chian) Abstract：The pulse oxlmetry measurement system is a kind of new and being developed monitoring instrument which can measure patient's oxygen saturation noninvasivety and continuously with the combination of the photoelectric technique and the plethysm0graphy description technique．How to eliminate the effects of the noises white correet[y extract the photoplethysmography is one of the key tasks tO improve the accuracy and re[iability of the instrunlegt．In the paper the primary noises in pulse oximetry systems are introduced and the present methods to suppress them Rre also de scribed．They can provide the basis for the design of pulse oximetry systems in the future． Key words：oxygen saturation~photoplethysmography；signal process 收稿 日期 ：1 999 12 21 · 90 · 维普资讯 http://www.cqvip.com 国外医学生物医学工程分册 2000年第 拈 卷第 2期 1 前言 脉搏 血氧饱 和度 检测 系统是 一种 简单 、 无 创、町连 续 监 测 人体 动脉 血 氧 饱 和 度 (SaO )的新型医疗监护仪器。它可快速、准 确地测定 SaO。、脉率 ，反映血流及血液充盈 肢体的状况 ．帮助医生了解病人血液携带氧 的能力 随着其性能的 日益完善和价格的 日 趋便宜 ．现正广泛地使用在肺科、麻醉科、手 术室、急救室、危重病人监护病房等多种科室 及救护车、直升 机等场合 目前，国内外生产和临床应用的脉搏血 氧饱和度检测系统主要包括脉搏血氧仪和脉 搏血氧监护模块两种形式 ．系统设计多采用 双光束透射方式。首先根据氧台血红蛋 白 (HbO )和还原 血红 蛋 白(Hb)在红光 和近 红 外光 区域 的吸收谱 特性 ，取红 光和近红 外 光 分别照射所要测量的部位(例如手指尖部、脚 趾 、耳 垂)，然后 用光敏元 件探测 透过组 织 的 光 ．计算出红光透射光强与近红外光透射光 强交直流分量之 比，根据 IJambert—Beer法 则 以 及 通 过 经 验 定 标 曲线 最 终 求 出氧 饱 和 度 在实际临床使用中，仪器处于不同的工 作环境 ，往往受到各种干扰的影响．从而给光 电容积脉搏波信号的提 取带来困难，导致血 氧饱和度测量不够准确甚至发生错误 ，影响 了仪器的正常使用 。这些干扰主要包括环境 光、暗电流、工频 、周围仪器产生的电磁场、高 频 电刀以及病人的运动等诸多方面 。除此 之外，病人弱充盈时脉搏波易受干扰 ．波形较 差，也会影响仪器的正常使用 J 因此，消 除干扰 ，提高信号质量是脉搏血氧饱和度检 测 系统设计 中需 要重点解 决的问题 之一 2 干扰信 号的来源及其处理 方法 2．1 环境光、暗电流 脉搏血氧饱和度检测以光电检测技术为 基础，因此 ．周围杂散光、暗电流对系统影响 比较大．尤其是在手术室中使用 用荧光灯照 射血氧仪．结果发现显 的血氧饱和度值急 剧下降．血氧仪无法正常工作 为了克服这一 问题．目前人们主要采取了两种，一方面 改进血氧仪探头的结构、形状和制作材料(用 不透明的材料制作)；另一方面在系统设计中 采用光 的调制技术 。 调制就是使光的强度、振幅、频率或相位 等某一个(或几个 )参数按一定规律变化 调 制的任务就是蕞把所传输的信息以信号变化 的形式载到光波上去。从信息携带与检出要 求看，调制光在传输和探测过程中 比非 调制 光具有更高的探测能力和更优 良的品质 采 用调制光携带信息可使光信号自身具有与背 景辐射不同的特征．有利于和背景辐射区分 开。除了抑制背景光干扰外．调制对抑制系统 中各环 节的固有 噪声 和外部电磁场干扰也有 一 定作用 脉搏血氧仪的光调制一般是在单片机的 控 制下 ．按照一 定时 序分别 发放两个 发 光二 极管的驱动脉冲序列信号．依照一定频率依 次产生红光、红外光和暗光三种状态．将光电 容积脉搏波信号调制成脉冲调幅渡 。。” 调 制时信号被按时 间取样，取样的数据与脉冲 参数一一对应 。只要 取样 频率大于信号最高 次斜波频率的 2倍，最后经解调等处理环节 就能将已调制的数字信号恢复成模拟信号 2．2 工频和其它电磁干扰 工频干扰通常采用低通滤波器或陷波器 消除。目前 ．对周围其它仪器产生的电磁干扰 则主 要采 用高 阶模拟 低通滤 波 器处理 。。 另外．由于光电容积脉搏波信号较弱．弱充盈 时信号幅度可达到直流吸收分量的 0．5 ， 因此 ，为 了尽量 避免周 围其 它 电磁 干扰 的影 响，往往在光敏管检测电路的信号输人放大 级端加屏蔽罩。但长期以来对高频电刀干扰 的去除一直都是一个较为棘手的问题 高频 电刀借助于高频 电弧放电，在生物体表面产 生极强电流密度，使生物体组织被爆发性地 蒸发飞散 ，达到切 割组 织的 目的 高频 电刀 的 + · 91 · 维普资讯 http://www.cqvip.com 国外医学生物医学 I： 分册 2000年第 23卷第 2期 频率可达 300k~200kHz 在使用高频手术电 刀时，身体界面是一整流器，它检出高频载渡 中的低频包络成分，该成分进入血氧仪 ．形成 干扰 ，使血氧仪丧失监护功能。因此，高频电 刀产生的干扰不仅存在于高频段，而且在低 频部分也存在 ．恰与脉搏波频谱有部分重叠， 故用传统 的低 通滤 波器 无法 完全消除这种干 扰 目前常见的措施是在信号输入级加人一 个双线并绕的线圈来抑制高频电刀的影响， 如 BCI血氧检测模块设计，但其效果仍较为 有限．而且据医生反映，目前所使用的脉搏血 氧仪大多在抗高频电 刀干扰方 面的能力能 比 较差 。有 些产生 测量 错误 ．有些 出现死 机现 象，无法正常工作，因此．提高脉搏血氧仪抗 高频电刀干扰的能力是一 个急待解决的问 题 。 2．3 运动伪差 病 人身体 的运动 会造成 血 液充盈状 况 光路径长度等因素发生变化，从而使测量结 果无法正确地反映病人实际血氧饱和度的情 况，我们把这种干扰称为运动伪差(MA)。由 于运动伪差的形成机理使它无法用传统的滤 波器来处理．因此对运动伪差的剔除长期 来也是脉搏血氧仪设计 中的一个重点 和难 点 ，尤其随着脉搏血氧仪应用的 El趋广泛，在 对婴幼儿 、胎 儿的监护 中 ．这一同题显得尤 为 突出 而当今国内外一些知名厂家生产的脉 搏血氧仪在对运动伪差的抑制方面效果并不 理想 。Barker sJ等 测试了三种常用的脉搏 血氧仪剔除运动伪差的能力 结果表明，在运 动存在的情况下，Nellcor的 N一200的正确检 测率 (正确报警数／总报警数)在 70 左右， N一3000在 80 左右 ，Masimo的正确检测率 在 9O 左右 。尽管新型脉搏血氧仪比老式仪 器抗干扰能力强，但精度仍不够高，还需进一 步完善和提高。而据我们所知，国内生产的脉 搏血氧仪在抗干扰尤其是抗运动伪差方面的 能力更 为有 限。因此 ，探索一种切实 可行 的去 除运动伪差干扰的方法已成为当前加强脉搏 · 9t · 血氧仪制造和使用中的质量控制和更好推广 应用这一新技术的关键问题之一 目前．人们 在这方面已做了大量研究工作 ，其中有 代表性的方法主要分为三类。 2．3．1 简单判别剔除法 这类方法在 目前生产的脉搏血氧仪中较 为多见 主要有移动平均和限幅取值 移 动平均是用最近的 SaO 值代替最老的 SaO。 值 ．然后将 个 SaO。作算术平均．用平均值 代替瞬时值作为现在的SaO：。移动平均能减 小由于病人无意识地手指弯曲、身体运动等 产生 的一过性 干扰 的影 响 但对 氧饱 和度的 变化无法积极响应 限幅取值是把两次相邻 的脉搏波算出的吸光度变化值相减，求其增 量的绝对值，然后与允许的最大差值相比，如 果小 于或 等于 ，则取本次值 ，如果大于则取上 次值作为本次值 。限幅取值在一定程度上能 够 剔 除一过性 干扰 ．对氧 饱和度 变化 能够作 出积极响应 ，但显示的数据不够稳定。 近年来 ，Snacker等 通过实验证明，不 论对婴幼儿、成人还是儿童，脉搏波的收缩时 间一般都是在一个恒定的、相对较小的范围 内变化 。当受 到运 动干扰时 ，收缩期会 发生较 明显的变化。因此 ，他们通过测量收缩期时间 作为判定波形受干扰与否的标准，取得较好 的实验效果 2．3．2 计算法 这类方法的特点是用高等数学、概率统 计等手段 分别确定出理想信号和干扰信号 的大小，从而推导计算出 SaO ll～“ 。其中较 为典型的有以下两种方法。 2．3 2．1 运动补偿 ll 运动补偿不以设法减小噪声信号 为．目 的，而是从噪声的特点出发，计算出理想信号 和噪声信号 首先，虽然运动信号在不同波长 的光中幅度不同，但在同一时间．可以假定它 们是成一定 比例的。根据 Lambert—Beer法 则 ，有 “ ，r)一 (A)exp(一 ( 口。t^ )+ 维普资讯 http://www.cqvip.com 国外医学生物医学工程分册 2000年第 23卷第 2期 (，--s)口r(^ ))f(f) (1) 其中． 为氧饱和度 ； 为光波长 ；f为时间；Io 为入射光强；』为透射光强；风、 分别为氧 合血 红蛋 白和还原血 红蛋 白的吸收系数；， 为光路径 。 我们可 以用一个与波长无关而 与时 间有 关的函数 (f)表示运动或噪声项。于是，方程 (1)可改 写为 ： ，(^ ．f)= I (^ ) (t)exp(一 (s (^ )+ (1一 ) r( ))Z( ) (2) 取对数并对时间求导 ．得到波长 时： dlnI( )／dt=dln~0)dr+(卢r( )一 ( ))sdl( )／出 一 (^ )dt(f)／df (3) 式(3)中， ，dl／dt，dln~／dt为未知数。要想求 得 ，需建立三个方程 于是，只要引入三束 不同波长的光 ．通过方程联立求解．便可得到 氧饱 和度值 S。 2．3．2．2 分 维法 这一方法是利用数学上的分维理论对波 形进行 +然后通过数学推导确定 SaO!。 分维理论来 自于分形几何学。分形 (frac ta1)几何是数学家曼德布罗 特于 1975年创 立 的一个新概念 。它是 研究 和处 理 自然与工 程 中不规则 图形 的强 有力的理论 工具 分维 就是分维数，是对分形的描述和量度。受干扰 的脉搏信号被视为不规则图形，可用分维理 论加以分析 脉搏信号可分两个部分．理想信号和噪 声信号。于是．对红光和红外光，可得两个方 程 ： R ( )= R ( )+ N (f) (4) r(t)一 r‘(f)+ ( ) (5) 其中，R (f)．r (f)分别为理想红光和红外光 信号。N(f)， (f)分别为红光和红外光中的噪 声干扰部分 设 ：n—R。(f)／r ( ) (6) N (t)／n(f) (7) 根据生物信号的特点．氧饱和度在 100 ～ 0 之间 ，对应 a应在 0．3～3之 间。于是 ． 0．3< d< 口< 3 (8) 由于氧饱和度随时间变化很缓慢。于是，可认 为在计算过程中．氧饱和度为恒定 ，因而 n、 可视 为比例常 量。 由方程(4)～(7)可求得 ： ．R。(f)一(R(f)一0 r(f))／(＆一卢) (9) r。“)一(R(f)一卢r(f))／(n— ) (1。) N(t)一(口卢r(f)-pR( ))／(口一 ) (11) ( )一-(" (f) R(f))／(n一口) (12) 假定理想信号与噪声信号无关，r。( )与 (f) 正交 ，则 ： r l r ( )n(t)dt一0 (13) J 将(10)、(12)代人(13)得： 出 n一 ， 求解(14)得 由(15)、(16)可知 p是对称的．只要确定 出 n或 则可求得 SaO 。 波形可用分维的概念进行描述。越复杂 的渡形其分维数越大。若用FD表示分维．则 有 ： FD(r ( ))< FD(”(f)) (17) 根据式 (9)～ (12)和 (1 5)、(16)，可构 造 一 函 数： (f．0) (其中，O．3!( ( +1， )一 ( ， ))“ ) log(max(s ( ， )--$ (0． )) ) ⋯ 根据式(1 7)、(19)、(20)得 ： FDsf )一 FD( (f))一 max ( 一 ) (22) FDs( )一FD(r‘lt))=min ( 一 口)(23) 在 0．3<0<3．0范围内，找出波形 FDs( )的 最大值，它所对应 的 0即为 n，于是，便于求 得 SaO2。 2 3．3 提高信噪比 这类方法的目的在于通过一些特殊的滤 波或变换方式从噪声中提取理想信号成分， 同时抑制噪声 ．以提高信号噪声 比(SNR) 文献报 道中 自适 应滤 波处 理方 法较 为多 见 在 自适应处理过程中，问题主要集中在 如何获得噪声参考信号 一 上 t

要求

对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗

与理 想信号无关，而与噪声有关。目前主要有检测 和计算两种方法。检测法是通过专门的传感 器测试运动信号。例如，Swedlow 等 为获 得运动伪差的参考信号 一 ，使用了一块压电 薄膜放在接近血氧仪传感器的位置 ．每当近 测量端有运动时 ，压电薄膜便会感知这种运 动并将运动信号转换成电信号，以此作为 自 适应处理的噪声参考信号 。除了压电薄膜 外，还可用过载传感器和应变电阻片来测量 运动信号。这些方法在计算上较简单，但需要 增加额外的硬件设备。计算法是利用红光、红 外光以及噪声信号的特点，通过计算求 出噪 声参考信号 例如，Diab等 利用三束不同 波长的光 ，其 中两束光要求对氧合血红蛋白 和还原血红蛋白的吸收系数应满足一定的比 例关系，从而可通过三个方程联立求出噪声 参考信号。 除此之外 ，对运动伪差的去除还可以将 几种方法结合起来使用。例如，用过载传感器 检测运动信号，一旦运动被检测到，表明此时 测量到的信号受到干扰，测量值不准确，予以 剔除；另外 ，除测量脉搏波信号外，同时还测 · 94 · 量心 电信号 ，作为判断正常与干扰信号的标 准 。 3 结束语 综上所述，消除干扰是脉搏血氧仪 系统 设计中需要重点解决的问题，是关系到测量 准确性、精度和系统稳定性的关键。目前在这 方面人们已做了一些工作 ，但对某些问题 的 处理还不够理想。如对高频电刀干扰的消除， 对人为一过性干扰的稳定性和氧饱和度快速 变化的响应性兼容的问题，对身体连续颤动 引起的运动伪差 的实时处理 问题等诸 多方 面。要进一步提高脉搏血氧仪的检测性能，扩 大其使用范围 ，还需要在干扰信号的处理方 面进行更加深人细致的研究。 参考文献 ： [1] De Koek JP，Tarassenko L．Pu Lse oximetry： theoretica[and experimental modeIl门．Med ot Eng Comput，1993．3{291 298 L2] Mendetson Y．Pulse oximetry：theory and a

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ication for noninvasive monitoring J1． Clinical Chemistry，1992．38‘g)：1601 1607． [3] Baker SJ，Tremper KK．The effects of moti on on the performance of pulse oximeters in volunteers[J]_Anesthesiology，1997，86(1)： 101—108． [4] Clayton DG，Wehb RK，Ra Lston AC．A com— parison of the performance of 20 pulse ox[~leters under conditions of poor perfusion [J]．Anaesthesia，1991，46(1)：3 10． ：5] 周荷琴，冯焕清 ，杜克强．基于 oEM 掌上型 脉搏血氧仪的研制lJ]．中国医疗器械杂志 ， 1997．21(2)：67—70． [6一 Athan．Portable pulse oximeter_P]．US Pat eQt：5575284 1996． [7] 孙卫新 ，金 捷 ，汪家旺，等．脉搏血氧仪的研 制 和定标方法探讨D]．西安 医科 大学学报， 1995，16(2)：218—221． [82 Mieael FJ．Data processing systems and me— thods for pu rse oximeters rP]．US Patent： 5692505，1997： [9] 姜宗义 ，龚卫宁．脉搏血氧饱和度测量l_J]．医 疗卫生装备，1995，8：1 4． ：10] 石梅生，赫宪々．无创脉搏血氧仪的研制[J]_ 医疗卫生装备，1 995，6：1-3． 维普资讯 http://www.cqvip.com 国外医学生物医学工程分册 2000年第 23卷第 2期 ru] Marvin SA．Beach M ．et a1．Method and ap paratus for discriminating between valid and artlfactual pulse waveforms in pulse oxime— try[P]．US Patent：5588425，1996． E12] Yorkey，Thomas J，Ramon S，et a1．Metod and apparatus for removing artifact and noise from pulse oximetry E P ．us Patent： 5645060，l997． [13] Tien，Jonathan，Redmond．Enhancement of physiological signa]s using fractal analysis lP]uS Patent：5588427，l997． Ez4] Tien，Marble．System and method for the at gebraic derivation of physiological signals l P 1．US Patent：5687722，l 997． E15] Swedlow，Clark，Merchant．Apparatus for the detection of motion transients—P] US Patent：52264l7，l 993． 1 6] Diab．Signal processing apparatus and metho— d[P]．us Patent：5482036，1996． ：17] Visram AR．Jones RD，Irwin MG．et at．Use of two oxirneters to investigate a method of m ovem ent artifact rejectton UStrig Photo plethysmogr~ phic signals[J：．Br J Anaesth， 1994，72(4)：388—392． rl8] Adams JA，Inn]Jn IM ，Abreu SA，et a【_A CO— mputer algorithm for differentiating valid from distorted pulse oximeter wavefortTIS lJ：．Pediatr Pu[monolt1 995t1 9(5)：307—31L [】9] Rusch TI ，Sankar R，Schari JE．Signal proe essing methods for pu[se oximetry[J]．Corn— put Biol M ed．1996，26(2)：l43一l59 r20一 Poets CF，Stebbens VA．Detection of[DOve merit artifact n recorded pulse oximeter sat uration LJj．Eur J Pediatr，1997，156(10)： 808 811． 21] Cunningham S，Symon AG—Mcintosh N．The practical m anagem ent oi artltact tn com put— erised physiological datarJ]．1nt J Clin Monk Com put，l994，11(4)：211 21 6． 7 一7 7 药物控制释放过程中非 Fick扩散机理的研究进展 (山东大学生物医学工程研究中心，山东济南 250100) 。 ； 。 摘要：本文对玻璃状高分子材料中发生的、经典扩散理论不能刻画的非 Fick扩散 的机理及模 型的 研究进行了综述 ，重点介绍了非 Fick扩散的物理过程和机理研究的发展现状 ，并对 目前常用 的模 型进行了说明，对模型的研究进行了展望 。 关键词 ：高分子材料 犸 粥 投 中圈分类号 ：Ral8．08；R911 文献标识码：A 文章编号：1001—1110(2000)02 0095—05 Progress of study on non-fiekian diffusion Ll Ling—bing．XU M ing yu (Research Center for Biomedical engineeringtShandong University，Jinan 250100，China) Abstract：The progress of study on non fickian diffusion of solvents in g[assy polymer was re viewed and the models describing this phenomenon-ocas listed．The physical process was also intro duced．The perspective of study on mechanism of non—fickion diffusion was given． Key words．,non—fickian diffusion；glassy polymer~mode| 1 引言 在医药工业中，控制释放的一个主要 目 的就是将一种活性物质与其载体(高分子材 收稿 日期 ：1999 11-1 5 料)以比较经济适用的方法结合起来，从而使 释放曲线符合我们所要求的情况 ，这种装置 可用于吞服、嗅闻、外科植入等。使用这种方 法可 以减轻或消除常规药剂所带来的副反 应、药量的不稳定、病人的不适应等影响，因 ． ·95 · 维普资讯 http://www.cqvip.com