一種多波長(zhǎng)血氧儀信號(hào)過(guò)濾運(yùn)動(dòng)干擾的新算法

一種多波長(zhǎng)血氧儀信號(hào)過(guò)濾運(yùn)動(dòng)干擾的新算法

1檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的必要性血氧飽和度是指血液中血液中血液中氧結(jié)合血紅蛋白（hbo2）的能力占可結(jié)合血紅蛋白（hb）容量的比例的比例。血液中的血氧濃度是呼吸循環(huán)中重要的生理參數(shù)之一。許多呼吸系統(tǒng)的疾病會(huì)引起人體血液中血氧濃度的減少,嚴(yán)重的會(huì)威脅人的生命,因此在臨床救護(hù)中,對(duì)病人的血氧濃度監(jiān)測(cè)是不可缺少的。脈搏血氧儀在國(guó)外于80年代中期投入臨床使用,我國(guó)從90年代初期引進(jìn)該儀器,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于臨床。目前雖然血氧儀的種類(lèi)繁多,但由于都是采用二波長(zhǎng)透射光進(jìn)行測(cè)量,因其對(duì)運(yùn)動(dòng)干擾非常敏感,只有在非常安靜的環(huán)境下才能進(jìn)行正常測(cè)量,因此還不能夠直接應(yīng)用于移動(dòng)監(jiān)護(hù)。為了開(kāi)發(fā)出適合在非安靜環(huán)境下進(jìn)行血氧監(jiān)測(cè)的可穿戴式血氧儀,作者對(duì)血氧檢測(cè)電路進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的二波長(zhǎng)血氧檢測(cè)電路存在以下缺點(diǎn):(1)光強(qiáng)信號(hào)(包括紅光和紅外光兩路)由兩部分組成:直流分量和交流分量。其中直流分量較強(qiáng),交流分量較弱,而起關(guān)鍵作用的是交流分量,它反映人手指動(dòng)脈的搏動(dòng)情況。但由于個(gè)體差異以及探頭安放位置的不同,交流分量的強(qiáng)弱也不同,越是交流分量小的信號(hào),放大器越容易飽和,相應(yīng)的交流分量越難得到足夠的放大。雖然自動(dòng)增益控制電路能夠自動(dòng)調(diào)整放大倍數(shù)以適應(yīng)不同條件的病人,但交流信號(hào)放大的同時(shí),直流信號(hào)也隨之被放大,由于放大器的動(dòng)態(tài)范圍有限,將導(dǎo)致AC/DC的比值過(guò)低而出現(xiàn)標(biāo)度誤差。(2)當(dāng)患者的肢體運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)引起血液充盈的變化和探頭位置的變化,從而引起光路長(zhǎng)度的改變,這樣就通過(guò)探頭偶合進(jìn)肢體運(yùn)動(dòng)干擾,由于這種干擾的頻譜與動(dòng)脈血氧信號(hào)頻譜相重疊,具有相同的帶寬,這種干擾很難用傳統(tǒng)的濾波技術(shù)將其濾除。為了克服上述缺點(diǎn),開(kāi)發(fā)出能夠用于移動(dòng)監(jiān)護(hù)的血氧儀,我們首先提出一種新的血氧檢測(cè)算法,然后根據(jù)新算法,詳細(xì)闡述系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)原理和定標(biāo)方法,并通過(guò)實(shí)踐證明了本設(shè)計(jì)方案的可行性。2測(cè)量原理2.1無(wú)創(chuàng)二波長(zhǎng)血氧監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)理論建立血液中的血氧飽和度定義為含氧血紅蛋白濃度(HbO2)與總的血紅蛋白之比SaΟ2=ΗbΟ2Ηb+ΗbΟ2=CΟC=CΟCΟ+Cr(1)SaO2=HbO2Hb+HbO2=COC=COCO+Cr(1)式中:CO和Cr分別為含氧血紅蛋白和還原血紅蛋白的濃度。根據(jù)朗伯-比爾定律,當(dāng)雙波長(zhǎng)光束通過(guò)手指尖時(shí),由于心臟搏動(dòng)引起了手指尖內(nèi)動(dòng)脈血量的改變從而引起吸收光強(qiáng)的改變,其透射比分別為:ln(ΙAC660ΙDC660)=(ε1oCΟ+ε1rCr)(Δdd)λ1(2)ln(IAC660IDC660)=(ε1oCO+ε1rCr)(Δdd)λ1(2)ln(ΙAC940ΙDC940)=(ε2oCΟ+ε2rCr)(Δdd)λ2(3)ln(IAC940IDC940)=(ε2oCO+ε2rCr)(Δdd)λ2(3)式(2)、(3)中ε為血紅蛋白對(duì)λ入射光的摩爾消光系數(shù);下標(biāo)1和2分別為紅光(660nm)和紅外光(940nm),下標(biāo)o和r分別為氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb);IAC為有搏動(dòng)的光吸收透射光強(qiáng);IDC為無(wú)搏動(dòng)的光吸收透射光強(qiáng)。再定義兩波長(zhǎng)的光吸收比率:R=log(ΙAC660/ΙDC660)log(ΙAC940/ΙDC940)(4)R=log(IAC660/IDC660)log(IAC940/IDC940)(4)把式(2)、式(3)和式(4)代入式(1),經(jīng)化簡(jiǎn)得:SaΟ2=ε2r?R-ε1r(ε2r-ε2o)?R-ε1r-ε1o(5)式(5)為無(wú)創(chuàng)二波長(zhǎng)血氧監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)理論表達(dá)式。其主要缺點(diǎn)是對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)非常敏感,因?yàn)榛颊叩闹w運(yùn)動(dòng)會(huì)引起血液充盈的變化和光路長(zhǎng)度的改變,由(2)式和(3)式可知,會(huì)引起R數(shù)值的變化,從而產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。2.2根據(jù)分區(qū)進(jìn)行的非線(xiàn)性均衡生活保障的計(jì)算為了克服二波長(zhǎng)血氧儀存在的問(wèn)題,本方案主要從硬件和算法兩個(gè)方面改進(jìn)監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)。方法是在探頭兩測(cè)量光源的中間位置增加一參考光源,利用此參考信號(hào)通過(guò)非線(xiàn)性均衡電路來(lái)實(shí)現(xiàn)兩路測(cè)量信號(hào)的均衡放大。為了保證均衡的穩(wěn)定性,參考光源的選取原則上應(yīng)滿(mǎn)足其吸收特性不隨血氧飽和度的變化而變化,因此根據(jù)圖1,參考光源的波長(zhǎng)應(yīng)選擇在等吸收點(diǎn)810nm處。為了推導(dǎo)出基于三波長(zhǎng)的血氧測(cè)量算法,首先對(duì)指端血氧模型作如下假定:①所有三波長(zhǎng)光通過(guò)肢體組織的路徑相同。②肢體運(yùn)動(dòng)干擾成分與血氧信號(hào)在統(tǒng)計(jì)上是獨(dú)立的。③雖然探頭耦合的運(yùn)動(dòng)信號(hào)在不同波長(zhǎng)的光中幅度不同,但在同一時(shí)間假定它們成一定比例。根據(jù)Beer-Lamber定律,其透射光強(qiáng)度為:I660(t)=I01exp[-(ε1oCO+ε1rCr)L(t)](6)其中:I01為入射光強(qiáng);I為透射光強(qiáng);L為光路徑。我們用一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)P(t)表示肢體運(yùn)動(dòng)引起的光路變化。于是,方程(1)可改寫(xiě)為:I660(t)=I01exp[-(ε1oCO+ε1rCr)(L(t)+P(t)](7)I810(t)=I03exp[-(ε3oCO+ε3rCr)(L(t)+P(t)](8)首先對(duì)式(7)、(8)取對(duì)數(shù),然后讓兩式相減并對(duì)時(shí)間求導(dǎo),得到波長(zhǎng)為660nm光通過(guò)非線(xiàn)性均衡后的交流信號(hào):V13AC=d(lnΙ660(t)-lnΙ810(t))dt=V01((ε1o-ε3o)CΟ+(ε1r-ε3r)Cr)(dL(t)dt+dΡ(t)dt)(9)同理,可得到波長(zhǎng)為940nm光通過(guò)非線(xiàn)性均衡后的交流信號(hào):V23AC=d(lnΙ940(t)-lnΙ810(t))dt=V02((ε2o-ε3o)CΟ+(ε2r-ε3r)Cr)(dL(t)dt+dΡ(t)dt)(10)其中:V01和V02為不同波長(zhǎng)的光通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器及前級(jí)放大電路時(shí),由電路的固有屬性決定的比例系數(shù),可以通過(guò)標(biāo)度實(shí)驗(yàn)確定其大小。依據(jù)式(5)、(9)和(10),即可以求得血氧飽和度。3血液氧傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件主要由具有無(wú)線(xiàn)收/發(fā)功能的單片機(jī)CC1010、A/D、D/A、多路開(kāi)關(guān)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。3.2放大器放空時(shí)的電流輸出在傳統(tǒng)的光電傳感器設(shè)計(jì)中,通常采用的是獨(dú)立光敏元件,利用半導(dǎo)體和光電效應(yīng)改變輸出的電流,但由于獨(dú)立光敏元器件輸出的電流極低,容易受到外界干擾,因此對(duì)后續(xù)的放大器的要求比較嚴(yán)格,要求放大器空載時(shí)的電流輸出較小,以避免放大器空載時(shí)輸出電流對(duì)信號(hào)測(cè)量的干擾,這樣對(duì)于普通的放大器就不能直接應(yīng)用在光敏元件的后端。本系統(tǒng)采用一種新型的光敏元件OPT101,該元件將感光部件和放大器集成在同一個(gè)芯片內(nèi)部,這種集成化的設(shè)計(jì)方式有效地克服了后端運(yùn)算放大器空載電流輸出對(duì)光敏部件輸出電流的影響,而且芯片輸出的電壓信號(hào)可以通過(guò)外部的精密電阻進(jìn)行調(diào)節(jié),可以簡(jiǎn)化后級(jí)電路的設(shè)計(jì),同時(shí)芯片的集成化設(shè)計(jì)也能夠減小系統(tǒng)的功耗。3.3led驅(qū)動(dòng)電路LED光源的穩(wěn)定與血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能密切相關(guān),光強(qiáng)的改變可使血氧飽和度的測(cè)量產(chǎn)生明顯偏差。LED的光強(qiáng)主要是由溫度和工作電流引起的,過(guò)大的電流不但使探頭的溫度升高,還可改變LED的中心波長(zhǎng),從而改變光路的吸收特性而引起測(cè)量誤差。因此,為了抵消光源變化帶來(lái)的影響,要求光源驅(qū)動(dòng)電路能夠提供穩(wěn)定性很高的直流驅(qū)動(dòng)且能夠靈敏地按照設(shè)定的邏輯時(shí)序工作。因此,我們選用東芝公司的TB62725專(zhuān)用多路固定電流LED驅(qū)動(dòng)芯片,使用該芯片的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)只用一個(gè)外接精密電位器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多路輸出電流的調(diào)節(jié),既簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì),又實(shí)現(xiàn)了各路信號(hào)的強(qiáng)度匹配。(2)可以靈敏地實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)LED的邏輯時(shí)序控制,不易產(chǎn)生邏輯混亂。本系統(tǒng)LED的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定在1.485kHz,三個(gè)LED處于依次單獨(dú)發(fā)光和全部關(guān)閉四種狀態(tài)。在全部關(guān)閉狀態(tài),可以為環(huán)境光削減電路提供參考信號(hào)。這樣的方波調(diào)制光可以明顯提高信噪比。為了減小LED產(chǎn)生的熱量和延長(zhǎng)電池的使用壽命,LED單獨(dú)發(fā)光的時(shí)間約是方波脈寬的五分之一左右。3.4血氧儀并進(jìn)行的檢測(cè)依據(jù)式(8),在電路設(shè)計(jì)上我們采用一種全新方法:(1)在信號(hào)接收電路的前級(jí)加入模擬對(duì)數(shù)比電路,這樣不但可以減少數(shù)字處理部分中對(duì)數(shù)變換部分的運(yùn)算量,同時(shí)文獻(xiàn)也證明了對(duì)數(shù)比電路本身可減少血氧儀對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)干擾的敏感性。(2)利用810nm光源作為公共控制通道,利用非線(xiàn)性均衡電路實(shí)現(xiàn)660nm和940nm兩測(cè)量信號(hào)的均衡放大。(3)在血氧飽和度計(jì)算方面只需要交流成分,消除了直流成分引起的放大器偏移,增強(qiáng)了放大器的動(dòng)態(tài)范圍,在一定程度上提高了測(cè)量精度。其前級(jí)放大電路如圖3所示。3.5dc/dc轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)便攜性,我們采用一節(jié)1050mA時(shí)的鋰離子電池作為供電電源。但由于模擬電路部分需要±5V供電,因此選用TOREX公司的XC9504芯片實(shí)現(xiàn)直流電壓變換。XC9504系列是PWM/PFM自動(dòng)切換控制、通用型、雙通道(升壓/反轉(zhuǎn))DC/DC轉(zhuǎn)換控制器。通過(guò)內(nèi)部0.9V標(biāo)準(zhǔn)參考電壓,使用外接器件,輸出1電壓(升壓控制器)可以在1.5～30V的范圍內(nèi)自由設(shè)定;輸出2電壓(反轉(zhuǎn)控制器)可以設(shè)定輸出負(fù)電壓。輸出電壓為+5V和-5V的DC-DC變換電路如圖4所示。圖4中的兩輸出電壓也可分別通過(guò)RB11、RB12和RB21、RB22任意設(shè)定,計(jì)算公式為:VOUT1=0.9(RB11+RB12)/RB12(11)VOUT2=(0.9-VOUT1)(RB21+RB22)+0.9V(12)3.6根據(jù)自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì),將土地上通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換獲得數(shù)據(jù)系列之后,首先作7點(diǎn)平滑處理去毛刺,其次利用810nm信號(hào)作為參考信號(hào),構(gòu)造自適應(yīng)濾波器進(jìn)一步消除肢體運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào),最后把處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送到接收機(jī)。軟件流程如圖5所示。4動(dòng)脈血氧飽和度計(jì)算定標(biāo)分二個(gè)階段進(jìn)行:首先采用Index2XL血氧飽和度模擬儀初步獲得定標(biāo)曲線(xiàn)。然后在臨床選取肺部疾病患者,由血?dú)夥治鰞x測(cè)得的氧飽和度值與樣機(jī)同步得到的值構(gòu)成數(shù)據(jù)點(diǎn),驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的氧飽和度值是否一致,最后確定標(biāo)準(zhǔn)的定標(biāo)曲線(xiàn)。因Index2XL可模擬含氧量為35%～100%的動(dòng)脈血氧飽和度。心率范圍從30～250BPM(次/min)可變。另外,容積描記器波形可設(shè)定從0～20%的信號(hào)強(qiáng)度,模擬從無(wú)脈搏到非常強(qiáng)脈搏范圍,這些基本功能可使Index2XL模擬數(shù)種不同的病人。定標(biāo)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)血氧信號(hào)從指套式傳感器輸入,通過(guò)單片機(jī)測(cè)得一組V13和V23的比值定標(biāo)范圍可以在血氧飽和度35%～100%之間取值,得到的定標(biāo)曲線(xiàn)如圖6所示,圖中的R為兩交流分量的比率如(13)式。R=V13AC/V23AC(13)通過(guò)對(duì)15例不同年齡的病人進(jìn)行與血?dú)夥治鰞x對(duì)比試驗(yàn)表明,血氧飽和度值在65%～99%的范圍內(nèi),測(cè)量誤差不大于±1%,具有較高的準(zhǔn)確性和重復(fù)性,但在低于65%的范圍內(nèi)偏差較大,今