反射式额头血氧饱和度测量及其在军事医学中的应用

研 究 论 著 l Thesis＆Research ReDo~ ·27· 反射式额头血氧饱和度测量及其在军事医学中的应用 吕沙里，李 晔 [摘要】 目的：一种反射式额头血氧饱和度测量装置，研究其在军事医学中的应用。方法：根据反射式血氧饱和 度测量原理提 出反射式血氧饱和度传感器设计，并分析血氧饱和度传统计算方法的误差及消除方法。结果：该 血氧饱和度测量装置测量精度：在 70％一100％范围内无运动时为±2％，有运动时为±3％。该装置已经在多个军事课题 中得到应用。结论 ：反射式额头血氧饱和度测量技术对在军事作业环境下了解人体生命体征和评定功能状态具有重 要 意义 【关键词】 血氧饱和度；光电容积脉搏渡描记(PPG)；额头；透射式；反射式 [中国图书资料分类号] R318．6；R826．1 [文献标识码】 A 【文章编号] 1003—8868(2011)11-0027—04 Oxygen Saturation Measurement in Forehead Using Reflection Mode in Military Medicine LV Sha—li，LI Ye (Institute of Aviation Medicine，Air Force，Beijing 100142，China) Abstract Objective To design an oxygen saturation measurement apparatus in the forehead using reflection mode and explore its application in military medicine．MelIlod8 Both hardware design schemes for oxygen saturation measurement apparatus in the forehead using reflection mode and error analysis in traditional methods for calculating oxygen saturation．in which there was a novel method for error correction．were presented．1t~uhs The oximeter S accuracy was within ±2％ when without movement．±3％ when moving in the range of 70％ ～100％．The oximter had been used in multiple military tasks．Cbn Iu8j蛆 Oxygen saturation measurement in the forehead using reflection mode can be used to find out and to assess the soldier's physiological status in military tasks．[Chinese Medical Equipment Journal， 2011，32(11)：27-30】 Key words oxygen saturation；photoplethysmographic(PPG)；forehead；transmission mode；reflection mode 1 引言 常用的指夹式血氧仪由于占用测试者的手指，妨碍了正常 的行为动作。为了在军事训练和战场上实现低负荷、长时间、连 续监测的目的，生理信号传感器必须具备体积小、质量小、功耗 低、佩带方便、舒适，不妨碍正常军事作业的特点。血氧饱和度、 心率是生命体征的重要参数。合适的血氧饱和度测量方案可以 提供血氧饱和度、脉率和血液灌注指数；合理设计的传感器可 以方便地安装在钢盔、头盔或服装中_1_。随着现代军事医学的发 展．在战场上、训练中实时监测战士的生命体征变得越来越重 要 因此，研究可穿戴式生理信号监测装置包括反射式额头血 氧饱和度测量装置是一件非常有意义的工作。 2 反射式额头血氧饱和度传感器的设计 反射式和透射式血氧饱和度测量的主要区别在于传感器 (发光管和接收管)安放方法不同。透射式方案的测量部位多 在手指或耳垂等动脉血管丰富的部位，PPG信号的质量很好； 而反射式方案 中光能损失相对 比较大 。图 1是额头反射 PPG 信号的示意图。 由于生物体组织是高散射体[21，入射光进入组织后以弧线 路径行走，首先要穿透皮肤和皮下组织，再穿透静脉和动脉， 到达颅骨后沿相反方向反射回来。固定在某一位置上的具有 有限面积的光探测器只能获得入射光的很小一部分。其中有 一 部分入射光子并没有到达颅骨反射。而是中途散射到光接 收器件。所以为了测量动脉血氧饱和度，必须使部分光子到达 作者简介：吕沙里(1955一)，男，天津宝坻人，硕士，高级工程师，主要从事 航空医学工程方面的研究工作 ，E—mail：lvshali@yahoo．corn．cn；李 哗 (1982一)，男，山西晋城人，博士，主要从事生物医学测量分析研究方面的 研究工作。 作者单位：100142 北京 空军航空医学研究所(吕沙里、李 哗) 入射光 穿透 深度 反射光 ， (AC) (DC) t 表皮．真皮及其他组织 静脉血液 动脉血液非脉动部分 动脉血液脉动部分 颅骨 图 1 反射式额头 PPG信号形成示意图 有动脉血管的深度(z)。决定光子最大穿透深度( )的因素 很多，如入射光波长、强度．介质的吸收系数、散射系数以及发 射和接收之间的距离( )，皮肤黑色素成分的多少等。在传感 器设计中，应当根据不同生理部位所需的穿透深度 ，合理设计 发射和接收之间的距离。例如额头部位由于头皮层比较薄，光 穿透深度达到 3 mm就能得到质量不错的PPG信号。而其他 生理部位如肢体、躯干的血管分布密度比较低，皮下脂肪层比 较厚，所以光的穿透深度要大于 5 mm。根据参考文献[2]介 绍，漫反射光在均匀介质内的最大穿透深度 互 与发射和接 收之间的距离 的关系为： r———一 ——=======：：=_ 2 =VX／2"V／3Ua 其中，u 为介质的吸收系数；u 为介质的约化散射系数。 · 医疗卫生装备·2011年 11月第32卷第 11期 Chinese Medical Equipment Journal·Vo1．32·No．11·November‘2011 T●，l_ Thesis&Research Report l研 究 论 著 =2Zm2 、／j _ 额头 皮层 的解 剖结 构参数_3I为表皮 (厚度 0．1 mm)、真皮 (厚度0．7 mm)、皮下组织(厚度 2．2 mm)，总厚度3 mm。假定 某一层的最大穿透深度就是 3 mm，式(1)可以写为： ( )=18、／3u (i)u ( ) (2) 假定光在各层介质中漫反射的概率是平均分布，发射和 接收之间的平均距离可以按式(3)计算。 3 X．~e=l／3 x(i)·z(i) (3) i=1 z( )是头皮各层的厚度，根据参考文献【2，4]，具体参数如 表 1所示。 表 1 额头皮层光学特性相关参数 = ( (表皮 )×0．1 mm+X(真皮 )×0．7 ram+ (皮下组织 )×2．2 mm)／3 tHin (4) 根据表 1的参数按照式(4)可以计算出在额头测量血氧 饱和度时发射和接收之 间的平均距 离 大约为 15 mm。 尽管 根据生物 医学光子学 的理论 可 以计算特定波长光在特定介质中的转播 路径和穿透深度．但是由于人体组织比 较复杂 ，各向异性、高散射光，同时个体 差异很大，还有 u 和 u 的波长误差、个 体误差等，所以计算结果只是近似值。不 同生理部位合适的穿透深度一般靠在那 个部位试验摸索得到。选择合理的穿透 深度可以适当降低入射光强度．同样得 到高质量的 PPG信号。一方面降低功 耗，另一方面确保人体安全。 3 脉搏血氧饱和度的算法 基于 Lambert—Beer基本定 律[5,641的 脉搏血氧饱和度算法是测量出双波长 (红光波长和红外光波长 A )的PPG信 号中的直流成分(DC)和交流成分(AC)， 先计算出 值 R-—AC(AR — O )／DC — (A — RO — ) f5) AC(A )／DC(A ) 产生比较大的计算误差。 动态光谱法[21根据改进的Lambert—Beer定律推导出没有 DC(A 。)和 (A )的血氧饱和度 R值计算公式。 In l^ ： ： ． △A ： ln ： In ．二 。 ln，T一^ 一ln，m (6) ，mln^ 式中，△A 和△A 分别是 2个波长光的最大吸光度和最小吸光 度的差值，，m ，，m 和，巾 ．，rm。 分别为2个波长的光在单个 PPG脉搏波周期内的光强最大值和最小值。由于计算公式中没 有了直流成分．因而可以比较好地消除由于体动带来的测量误 差，同时使电路设计中可以不考虑直流成分因而提高动态范围。 4 系统硬件实现 本设计采用TI公司的 MSP430FG437混合逻辑单片机。 整体电路体积小，功耗低。电路原理框图如图2所示。 在 MSP430FG437混合逻辑单片机中有 3个可编成的运 算放大器(OA0、OA1、OA2)。本设计中将 OA0编程为接收端 I—V信号变换级；OA1作为 DACI2_0输出的跟随器；OA2作 为带基线控制的放大器。编程后 OAO、OA1、OA2的相关寄存 器设置和内部连接逻辑如图 3所示 。 串口输出 心率计算 反射式传感器 电缆 红外，红光LED PIN接收管 再通过近似的线性公式 SpO =AR-B或 通过查表得 到脉 搏血氧饱和度(SpO2)。其中4、B是和ARn、A 吸收系数有关 的常数。 A= ． ： 2一 1 一 】 其中， 是波长 805 nm附近 Hb和HbO 的吸光系数， 是波长 A 处Hb的吸光系数， z是波长A 处 Hb的吸光系数。这就是 脉搏血氧饱和度(SpO )测定的基本原理。式(5)中DC(A )和 DC(A， )代表穿透人体非动脉搏动组织的接收光强，它们占 总接收光强的绝大部分(约为 99％)，当有如传感器和皮肤的 接触压力变化、呼吸运动、肢体运动、环境光的干扰等出现时． DC(AR。)和 DC(A )会产生没有规律的起伏，因而会使式(5) 外光采样数值 血氧饱和度计算H 跟踪直流 分路 开关 12 红外光，红光 采样数值 DAC12 _ 1 tft发光强度控制卜{G1 壤 0A0 图 2 电路原理框 图 G1 红光(RD)和红外光(IR)的交替发光，各 自的发光频率为 500 Hz。光电管接收到的电路信号经第 1级(OAO)I-V变换 成电压信号。第 2级电路(OA2)根据第 1级信号中直流成分 的大小做基线切割放大。这是因为按照动态光谱计算方法，直 流成分不参与血氧饱和度的计算。图2还有对红光和红外光 发射强度的控制。因为个体的差异，每个人的皮肤组织对不同 波长光的吸收，散射特性也不相同。为了保证计算的精度．通 过控制红光和红外光的驱动电流．保证第 1级输出信号幅度 的基本一致是很必要的。图 4是系统的时序图。MSP430F— G437定时器按照 CCR0的值设定为 1 000 Hz，红光(RD)和 红外光(IR)交替发光，发光时间由CCR1的值决定。 5 系统应用 实例 本研究是根据军事医学研究方向的需要，所研制的反射 式额头血氧饱和度测量装置具有体积小 、质量小 、功耗低 、抗 · 医疗卫生装备·2011年 11月第 32卷第 11期 Chinese Medical Equipment Journal·Vo1．32·No．11·November．2011 一一一一一一一一一一 OAxCTL0，Opamp Contml Roglster0 OAxCTL0，Opamp Control Roglsterl 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 OANx 0APx OAPMx loAADcIlDAADc0l 0AFBRx OAFCx [~esen，edlOARRIP OA0 00 0l 11 1 0 000 000 0 0 OA1 O0 10 11 1 0 000 111 0 0 OA2 10 00 1l 1 0 1It 110 0 0 图3 MSP430FG437中3个运放寄存器设置及内部连接逻辑图 运动干扰良好的特点。传感器及电路可以安装在帽子或头盔 中。测量参数有血氧饱和度、脉率、灌注指数。在设计中采用双 波长光测量方法，穿透深度按 3 mm计算，血氧饱和度计算方 法按动态光谱法。R曲线采用美国 Clinical Dynamics公司的 SmartSat血氧模拟仪进行标定。 5．1 应用实例一 在 自行研发的低氧舱中以 4 000 m环境和美 国 MASIM0 公司的 Radical一7血氧仪进行了比对。受试者同时佩戴研制 的反射式额头血氧饱和度装置和 Radical一7血氧仪指夹。在 低氧舱停留 30 rain左右。停留期间按要求间断性地做深呼吸 动作．同时记录的血氧饱和度数值，如图5所示。图中曲线 2 是 Radical一7血氧仪数据 ．曲线 1是自行研制的反射式额头 血氧装置测量数据。 从图5可以看出，在4 000 m低氧环境下 ，测试者的血氧 饱和度有明显下降。自行研制的反射式额头血氧仪测得的数据 和美国MASIMO公司的Radical一7血氧仪从手指测量到的数 据基本吻合。由于 Radical一7血氧仪并不是标定设备，它在 70％～100％血氧饱和度范围内的测量误差是 ±2％，根据 图 5只 能粗略的说明本设计的测量误差和 Radical一7血氧仪基本相 同．因为图5中2条曲线的相关系数为0．98。具体测量误差的 定还需要以后建立一个以有创血氧饱和度为标准的平台。 5．2 应用实例二 自行研制的反射式额头血氧仪还在更高海拔的西藏地区 进行 了试验 。图 6是从海拔 3 200 m的测试点 A到海拔 5 300 m的测试 点 曰再 到 3 400 m 的测试点 C全程记录的数 据。从图6中可以看出，测试者在海拔 5 300 m的测试点 B停 · 医疗卫生装备·2011年 11月第32卷第 11期 Chinese Medical Equipment Journal·Vo1．32·No．11·November‘20l1 Thesis&Research Report l研 究 论 著 TAR／ ／ ／ ， ／ 周期=l ms J 驭 !一I] J uT ’ 逍 红光闭 ／ 开 I I I I 红光驱动 红外光驱动 魁 图 4 系统 工作 时序图 ● 进入 4 km低氧舱 ▲ 离开 4 km低氧舱 图 5 自制额头血氧饱和度和 Radical一7血 氧饱和度对} 图 留时间超过了 1 h，血氧饱和度下降到了6O％左右。 5．3 应用实例三 反射式额头血氧饱和度测量方案还可以测量头部血流灌 注的变化。图7是本设计在离心机中+G2=1—2．5 变化时测量 到的测试者头部脉搏波(图中最上部的波形)强度的变化。头 部脉搏波强度的降低说明头部血流灌注减少。头部脉搏波强 度和发生 G～LOC的关系还待研究 堡 00 警80 60 鲁 触雠 # ： 撕 ． f】一 ■。 lll ’ _岫L 了川⋯ ⋯⋯ ⋯ T ’ I。IIr 1’_ ； I ： 09：O0：O0 12：O0：O0 14：O0：O0 16：O0：O0 3 200m————+ 5 300m— 5 300m—卜 3 400I'll 测试点A 测试点 B 测试点 C 图 6 高原地区自制额头血氧饱和度动态测量结果 6 结论 本研究所设计的反射式额头血氧饱和度测量装置具有体 积小、质量小、功耗低、不占用手指、不影响正常的行为动作和 缺氧时反应及时等特点，可以实现长时间动态测量血氧饱和 度、脉率和头部脉搏波。在军事医学研究中可以应用在高原习 服、G—LOC、战伤转移、战伤救护等方面的研究中。 通过在高原地区的实际应用证明，它可为评价进入高原人 图7 离心机中自制额头血氧饱和度测量到的脉搏波变化 员的缺氧程度、整体功能状态、作业效能和需要采取的卫生保 障措施提供依据，也为正确评价各种卫生保障措施所取得的效 果提供依据。它还可以用于监测高性能战斗机飞行员战斗飞行 训练中头部的血流和血氧的变化，研究飞行员经受的加速度 (G )值与头部的血流和血氧变化的关系。在心理生理学中可以 监测受检者自主神经状态的变化。有研究已经证明l】01．血氧仪 的参数可客观反映受检者交感神经的激活．当受检者因突发因 素引起精神紧张、出现交感神经兴奋时，会立即出现脉搏波幅 度的显著降低 因而可以用于评价心理生理状态 [参考文献】 [1】 PUJARY C J．Investigation of photodetector optimization in reducing power consumption by a noninvasive pulse oximeter sensor[D／OL1． WORCESTER POLYTECHNIC INSTITUTE，2004．[201 1-03-15]． https：／／www．wpi．eduPubsETDAvailableetd-01 16104—145848unre． strictedcpujary．pdf． 【2] 徐可欣，高 峰 ，赵会娟．生物医学光子学[M]．北京：科学 出版 社 ．2007． [31 Schmitt J M．Simple Photon Diffusion Analysis of the Efiects of Multiple Scattering on Pluse Oximetry fJ]．IEEE TRANSACT10NS ONBIOMEDICALENGINEERING，1991，38(12)：1 194—1 203． 【4] MANNHEIMER P D，CASCIANI J R，FEIN M E．Wavelength Se． 1ection for Low—Saturation Pluse Oxymetry[J]．IEEE TRANSACTIONS ONBIOMEDICALENGINEERING，1997，44(3)：148—158． [5] 李尚颖．基于动态光谱的数字化脉搏血氧检测系统[D]．天津：天 津大学，2007． f61 邹 波．利用动脉血液的时变差分光谱实现血氧饱和度的测 量lJJ．红外，2009，30(8)：44—48． 【7] 宋俊杰，王 哲，金海龙，等．三波长低血氧测量系统的研究与实 现[J1．激光与红外 ，2010，40(1)：62—65． [8] 王建军，孙万蓉，张 旭．通过频谱分析测量血氧饱和度Ⅲ．生物 医学工程研究，20o4，23(3)：167—169． f9】 TEXAS INSTRUMENTS 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