脉搏血氧饱和度检测中自适应滤波消除运动伪差的方法

·基础研究· 脉搏血氧饱和度检测中自适应滤波消除 运动伪差的方法研究 张 虹，孙卫新，金 捷 摘 要：目的 研究脉搏血氧饱和度检测系统中运动伪差的消除方法，以提高脉搏血氧仪检测性能。方法 通过脉 搏血氧仪中的双光束构造噪声参考信号，利用最小均方自适应滤波法消除运动伪差干扰的影响。结果 建立了脉搏 血氧饱和度检测中消除运动伪差的计算方法，可成功地从运动伪差中提取正常光电容积脉搏波信号作为计算氧饱和 度的依据。结论 该计算方法简单，可用于实时处理，且测量结果可靠，为进一步抑制脉搏血氧仪噪声奠定了基础。 关键词：自适应滤波；运动伪差；脉搏血氧仪；光电容积脉搏波 中图分类号：!""# 文献标识码：$ 文章编号：%&&’ ( )&’&（*&&%）&% ( &&&+ ( &" !"# $%&’( )* %"# +’,-%./# 0.1%#2.*3 4#%")’ 5)2 61.7.*,%.*3 %"# 4)%.)* +2%.5,8% .* 9&1:# ;<.7#%2( 4#,:&2#7#*% ,-$./ -012，34. 567 ( 871，9:. 976 !"#$%&’"(& )* +,)’"-,.$/ 0(1,(""%,(1，2,’$( 3"-,.$/ 4(,5"%6,&7，2,’$( )%&&+% +=:%2,8%：;=>#8%./# ;<6 =6><0? 0@ 6A7=71B>712 ><6 =0>701 BC>7@BD> 71 ><6 EFAG6 087=6>CH =6BGFC6=61> IBG G>F?76? 71 0C?6C >0 7=J EC0K6 ><6 E6C@0C=B1D6 D6C 0@ ><6 EFAG6 087=6>6C L 4#%")’: ;<6 107G6 EBCB=6>6C IBG D01G>CFD>6? MH FG712 A72<> M6B> 71 ><6 EFAG6 087=6>CH GHG>6= B1? ><6 NO3（N6BG> O6B1 3PFBC6）B?BE>7K6 @7A>6C IBG FG6? >0 6A7=71B>6 ><6 6@@6D> 0@ =0>701 BC>7@BD> L ?#:&1%: ;<6 BA20C7><= 0@ 6A7=71B>712 ><6 =0>701 BC>7@BD> 71 ><6 EFAG6 087=6>6C IBG ?6K6A0E6?L :> DB1 GFDD6GG@FAAH 68>CBD> ><6 10C=BA Q<0>0J EA6><6 =0>701 BC>7@BD> 71 DBADFAB>712 08H261 GB>FCB>701L @)*81&:.)* ;<7G DBADFAB>712 =6><0? 7G G7=EA6 B1? DB1 M6 EC0D6GG6? 71 C6BA >7=6，B1? 7>G C6GFA> 7G C6A7BMA6L :> 6G>BMA7G<6G ><6 @F1?B=61> @0C @FC><6C ?6DC6BG712 ><6 107G6 0@ EFAG6 087=6>6C L A#( B)2’:：B?BE>7K6 @7A>6C712；=0>701 BC>7@BD>；EFAG6 087=6>CH；E<0>0EA6>7 2 ?==>定律，对红光!)，光能量衰减 为： ( / (0 %%!)，"*+),) （@）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 其中，(0为入射光强；( 为出射光强；$4，!)为第 4层吸 收系数；+ 4为第 4层成分的浓度；, 4为第 4层的厚度。 对（@）两边取对数，得 !!) / AB（ ( - (0）/%$4，!) + 4 , 4 （(）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 当手指不受任何力作用时，各层的光路长度 , 4 保持不变。但当受到力的作用时，各层会产生波动， 其中一些层的波动会引起噪声而使测量信号偏离我 们所要的信息。 我们假定测得的红光信号为 !!)，则它包含了理 想信号 "!)和噪声信号 #!)两部分。为便于说明，我 们假定 "!)是由动脉血充盈 95、9! 产生的，而 #!)则 是由作用在手指上的随机的或稳定的力（如身体的 运动）使各层产生波动而引起的。于是有： !!) /$5，!) +5 ,5，! .$!，!) +! ,5，! .〔%(4 / ’$4，!) + 4 , 4 . %84 / %$4，!) + 4 , 4〕 /$5，!) +5 ,5，! .$!，!) +! ,5，! . #!) / .!) . #!) （5）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 对红外光信号同样有： !!*) /$5，!*) +5 ,5，! .$!，!*) +! ,5，! .〔%(4 / ’$4，!*) + 4 , 4 . %84 / %$4，!*) + 4 , 4〕 /$5，!*) +5 ,5，! .$!，!*) +! ,5，! . #!*) %生物医学工程与临床 300’年 @月 第 5卷 第 ’期 万方数据 ! !!"# $ "!"# （%）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 为求噪声参考信号，我们引入一系数"，用"乘 以（%）式，再减去（&）式得： #!# ’"#!"# ! $!# $ "!# ’"（$!"# $ "!"#） （(）⋯⋯ 如果能找到"使 $!# !"$!"#，则（(）式可改写为： #!# ’"#!"# ! "!# ’""!"# （)）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 该信号只与噪声有关，而与理想信号无关，故可 作为噪声参考信号 %*。 由于氧饱和度是一个缓慢变化的量，所以可以 用一定时间内氧饱和度为恒定来确定"。 对 +&，氧饱和度 ! ,& -（,& $ ,%）! . -（. $ ,% - ,&） （/）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 故，可以假定 ,% - ,&在一定时间内为恒量。 当无运动噪声时，（(）式可改写为： 0 ! $!# ’"$!"# （.0）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 于是，" ! $!# - $!"# !（#&，!# && ’&，% $#%，!# &% ’&，%）-（#&，!"# && ’&，% $#%，!"# &% ’&，%） !#&，!# （ && - &%）$#%，!# #&，!"#（ && - &%）$#%，!"# （..）⋯⋯⋯⋯⋯ 由于吸收系数均为常数，而且 && ( &% 在一定时间 内可视为恒量，故"可视为恒量。于是，可以根据第 一批采样数据点得到的信号 $!#，$!"#求比值"，用这 一"根据式（(）求第 1批采样点的噪声参考信号，经 过自适应滤波处理得到理想信号后，再根据该理想 信号求"，为第 2批数据处理作准备。依次循环，便 可得到理想的脉搏波信号。在这一过程中，要求在 第一批采样点期间病人保持静止不动，以求得第一 个"值，这样才能保证后面处理的正确性。 经研究我们取每 )034计算一个新的比例"，用 于计算后续 )034 内的噪声参考信号 %*。"取为 )034内经滤波处理过的双路理想信号比值的平均 值。 ! 实验结果 依据上述方法，我们对带有运动伪差的红外光 和红光信号进行了处理。图 2和图 5分别给出了两 段处理的结果。图 2 中，波形自上而下分别为红外 光 #!"#信号、红光 #!#信号、经过自适应滤波处理后 的红外光 $!"#信号和红光信号 $!#以及噪声参考信 号 %*，两虚线段之间表示受运动干扰的部分。图 5 波形排列同图 2。 从两段图中均可看出所设计的自适应滤波处理 算法对运动伪差干扰具有良好的滤波效果，可以从 运动伪差中将光电容积脉搏波信号提取出来作为氧 饱和度计算的依据。同时，该方法对基线漂移也有 一定的抑制作用。 我们将该方法应用于所研制的脉搏血氧模块 中，结果显示可大大改善光电容积脉搏波波形，改进 仪器抗运动干扰的性能，在一定程度上提高仪器对 婴幼儿、胎儿以及患有不自觉身体震颤等疾病病人 进行连续、实时监护的能力。 图 2 运动伪差信号的自适应滤波处理结果 图 5 运动伪差信号的自适应滤波处理结果 （下转第 ..页） ) 生物医学工程与临床 100.年 2月 第 &卷 第 .期 万方数据 （上接第 !页） 参考文献： 〔"〕#$%&’ ()，*’&+,&’ --. */& &00&123 40 +42546 46 2/& ,&’04’+$61& 40 ,783& 495+&2&’3 56 :48762&&’3〔 )〕. ;6&32/&35484<=，">>?，!@ （"）："A" 〔B〕C4&23 DE，(2&FF&63 G;. H&2&12546 40 +4:&+&62 $’250$12 56 ’&14’IJ &I ,783& 495+&2&’ 3$27’$2546〔)〕. K7’ ) C&I5$2’，">>?，"L@（"A）： !A! 〔M〕D76656>R；""（R）：B"" 〔R〕孙卫新，金 捷，汪家旺，等 S 脉搏血氧仪的研制和定标方 法探讨〔)〕S 西安医科大学学报，">>L，"@（B）：B"! 〔L〕($1%6&’ D，O$’:56 ;，#&$1/ O，&2 $8 . O&2/4I $6I $,,$’$273 04’ I531’5+56$256< F&2T&&6 :$85I $6I $’250$127$8 ,783& T$:&04’+3 56 ,783& 495+&2’=〔C〕. U( C$2&62，">>@，LL!!RBL 〔@〕杨福生 S 生物医学信号处理〔O〕S 第 B版，北京：高等教育 出版社，">>L：RM! 〔?〕G53’$+ ;V，)46&3 VH，Q’T56 ON，&2 $8 . U3& 40 2T4 495+&2&’3 24 56:&325<$2& $ +&2/4I 40 +4:&+&62 $’250$12 ’&W&12546 7356< ,/424J ,8&2/=3+4<’$,/51 35<6$83〔)〕. #’ ) ;6$&32/，">>R，?B（R）：M!! 〔!〕;I$+3 );，Q6+$6 QO，;F’&7 (;，&2 $8 . ; 14+,72&’ $8<4’52/+ 04’ I500&’&625$256< :$85I 0’4+ I5324’2&I ,783& 495+&2&’ T$:&04’+3〔)〕. C&I5$2’ C78+4648，">>L，">（L）：MA? 万方数据