一種提高血氧測量精度的算法

一種提高血氧測量精度的算法提高測量精度的血氧飽和度生理模型透射式脈搏波血氧飽和度檢測的傳統(tǒng)模型是基于以下兩個(gè)假設(shè)的：假設(shè)一：動(dòng)脈血中血紅蛋白以兩種形式即氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白存在。而實(shí)際上，在建模過程中，忽略了碳氧血紅蛋白和高鐵血紅蛋白的影響，這使得測量所得的血氧飽和度高于血?dú)夥治鰞x測得的，特別是碳氧血紅蛋白和高鐵血紅蛋白含量越高時(shí)，誤差越大。因此為了更準(zhǔn)確的測量血氧飽和度的值，我們需要在原有基礎(chǔ)上對(duì)吸光模型進(jìn)行改進(jìn)，盡可能減少這些影響因素帶來的誤差。假設(shè)二：在線性測量方法推導(dǎo)過程中，當(dāng)吸光系數(shù)選為氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白吸光系數(shù)曲線交點(diǎn)附近時(shí)，近似認(rèn)為兩者的吸光系數(shù)相等。此時(shí)，線性方法顯然無法更準(zhǔn)確的測量血氧飽和度值。因此要用改進(jìn)的非線性測量方法解決這一非線性問題，以便更準(zhǔn)確地測量血氧飽和度。當(dāng)動(dòng)脈搏動(dòng)時(shí)，動(dòng)脈血的吸光光程發(fā)生變化，氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對(duì)光強(qiáng)的吸收也隨之發(fā)生變化。同理，動(dòng)脈血中的其他成分如碳氧血紅蛋白、高鐵血紅蛋白等對(duì)光強(qiáng)的吸收也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，只是比起氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對(duì)吸光光強(qiáng)的影響，這部分的變化幅度較小。除此之外，動(dòng)脈周圍的組織、肌肉、骨胳和靜脈血對(duì)光強(qiáng)的吸收也會(huì)因動(dòng)脈的搏動(dòng)而變化，一起影響透射光強(qiáng)的變化。因此，在下面介紹的改進(jìn)的光吸收模型中，我們將充分考慮這三部分對(duì)光吸收量的影響，更全面地分析被測區(qū)域?qū)鈴?qiáng)的吸收過程。為了方便描述，我們作以下兩點(diǎn)假設(shè)：一、假設(shè)整個(gè)透光區(qū)域的吸光光程為L0，動(dòng)脈血管搏動(dòng)前，彈性腔半徑為l，搏動(dòng)后血管擴(kuò)張，邊長增大l，如圖1所示，方形內(nèi)區(qū)域表示為動(dòng)脈血液，方形之外表示周圍組織、肌肉、骨胳及靜脈血。根據(jù)毛細(xì)血管的生理特性，我們認(rèn)為微型毛細(xì)血管的透射光強(qiáng)受血管形狀的影響可以忽略，故而可以用方形模型代替圓形模型進(jìn)行分析。二、動(dòng)脈中氧合血紅蛋白（HbO2）、還原血紅蛋白（Hb）、其他形式的血紅蛋白和物質(zhì)的吸光系數(shù)和濃度分別表示為，；，；，；動(dòng)脈血管周圍的肌肉、組織、骨胳、靜脈血等對(duì)檢測光的吸光系數(shù)及濃度分別表示為，則當(dāng)單位長度光強(qiáng)為i0的單色平行光垂直照射被測組織時(shí)，根據(jù)LambertBeer定律可得：動(dòng)脈搏動(dòng)前，透過該組織區(qū)域的透射光強(qiáng)為：搏動(dòng)后，透射光強(qiáng)重新表示為：為了方便表示，記 可得：當(dāng)時(shí)，上式中可以忽略，因此，上式可以簡化為記，可以看出IDC只與模型中的常量有關(guān)，而與吸光路徑變化量l無關(guān)，因此把它看作是透射光強(qiáng)的直流分量，而將透射光強(qiáng)的變化量I看作是交流分量，則：對(duì)上式取自然對(duì)數(shù)：進(jìn)而可以得出： 由此可以看出，改進(jìn)的光吸收模型中，透過被測區(qū)域的光強(qiáng)變化率受動(dòng)脈血內(nèi)氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白、其他形式血紅蛋白及物質(zhì)和管外物質(zhì)共同影響?；谠撃Ｐ偷奶岢龅男聶z測算法我們?cè)谌莘e脈搏波傳統(tǒng)吸光模型的基礎(chǔ)上對(duì)吸光模型進(jìn)行改進(jìn)和校正，把動(dòng)脈血中還原血紅蛋白、氧合血紅蛋白之外的物質(zhì)及動(dòng)脈血管周圍的肌肉、組織、骨胳、靜脈血以和外圍皮膚等物質(zhì)的影響考慮在內(nèi)，更全面地分析容積脈搏波的吸光過程。與此對(duì)應(yīng)，在血氧飽和度經(jīng)驗(yàn)測量公式的基礎(chǔ)上，根據(jù)改進(jìn)的模型，我們可以推導(dǎo)血氧飽和度的改進(jìn)計(jì)算方法如下：當(dāng)采用波長分別為和的入射光照射被測人體時(shí)，令則其中，；，；，分別為動(dòng)脈中氧合血紅蛋白（HbO2）、還原血紅蛋白（Hb）、其他形式的血紅蛋白和物質(zhì)的吸光系數(shù)和濃度；，分別為動(dòng)脈血管周圍的肌肉、組織、骨胳、靜脈血等對(duì)檢測光的吸光系數(shù)及濃度。當(dāng)動(dòng)脈血內(nèi)其他形式物質(zhì)m1及管外物質(zhì)m2的吸光系數(shù)及濃度變化較小時(shí)，我們可以作以下處理，令其中，K11， K12， K21， K22分別是的氧合血紅蛋白HbO2和還原血紅蛋白Hb對(duì)應(yīng)于波長、的修正系數(shù)。即從而，血氧飽和度的計(jì)算公式可表示為令，則血氧飽和度計(jì)算公式可重新表示為其中，分別是對(duì)應(yīng)于波長、的還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白的等價(jià)吸光系數(shù)。只要測定兩束光