一種可用于低灌注和低血氧測量的脈搏血氧儀的設(shè)計

譚雙平，艾志光，楊玉星，謝慶國

華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢市，430074

0 引言

血氧飽和度（SpO2）表征了血液的氧含量，是判斷人體呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)功能的重要參數(shù)[1]。在臨床上，監(jiān)測人體SpO2的變化對肺和心臟疾病的預(yù)防和治療具有重要作用；同時，在手術(shù)、麻醉和重癥監(jiān)護(hù)等方面，也需要監(jiān)測SpO2，以指導(dǎo)其手術(shù)或治療過程[2]。SpO2的測量方法分為有創(chuàng)和無創(chuàng)兩種。有創(chuàng)測量方法即采集人的血液樣本，利用血?dú)夥治鰞x分析計算其血氧飽和度。有創(chuàng)測量不僅耗時，易使患者產(chǎn)生痛苦和感染，而且不能提供連續(xù)、實(shí)時的監(jiān)測數(shù)據(jù)。無創(chuàng)測量主要是利用光電容積描記(Photoplethysmography)技術(shù)，獲得紅光和紅外光通過人體組織后透射或反射的光電容積圖信號(PPG)，利用氧合血紅蛋白(HbO2)和脫氧血紅蛋白(Hb)對紅光和紅外光的吸收度不一樣這一特性，通過Beer-Lambert定律計算得到SpO2。由于無創(chuàng)SpO2測量方法檢測方便安全，目前已成為檢測人體各種組織中SpO2較成熟的方法，在臨床上得到廣泛應(yīng)用[3]。

但是，無創(chuàng)測量方法測量SpO2，當(dāng)被測者處于低血流灌注（如肌肉緊張、低溫環(huán)境等因素使血流減少導(dǎo)致低灌注）時，輸出的PPG信號幅度很小，被各種噪聲淹沒；當(dāng)被測者運(yùn)動時，輸出的PPG信號被運(yùn)動噪聲污染。這些因素都使得輸出信號的信噪比大幅下降，影響SpO2計算的準(zhǔn)確度，嚴(yán)重影響了血氧儀的性能[4]。同時，現(xiàn)在使用的無創(chuàng)SpO2測量儀對SpO2的有效測量范圍也僅為70%～100%。因此我們開發(fā)了一套能在低灌注和運(yùn)動條件下準(zhǔn)確測量SpO2和脈率(PR)，且將SpO2的測量范圍擴(kuò)展至35%～100%的高性能無創(chuàng)脈搏血氧儀。在硬件上，使用數(shù)字可控的可變增益放大器，自適應(yīng)調(diào)節(jié)增益對不同灌注水平下不同幅度的PPG信號進(jìn)行不同程度的放大，以獲得可供ADC采集的最佳PPG信號；在軟件算法上，開發(fā)了自相關(guān)建模法的低灌注SpO2測量算法，大大提升了血氧儀的性能，擴(kuò)展了其適用范圍，具有很高的臨床和商業(yè)價值。

1 脈搏血氧飽和度測量基本原理[3,5-6]

無創(chuàng)SpO2測量使用紅光(λ1)和紅外光(λ2)雙光束交替照射人體組織（一般為指尖），測量經(jīng)組織透射或反射后的光強(qiáng)來進(jìn)行分析計算。無血組織（皮膚，骨骼，靜脈血，其他組織等）對光的吸收是恒定的，不隨脈動過程變化；當(dāng)動脈脈動時，動脈體積變化引起光程改變，對光的吸收量也在脈動的變化，因此透射光的強(qiáng)度可分為不隨脈動變化的直流分量DC和隨脈動變化的交流分量AC。定義PI=AC/DC*100%，稱為血流灌注指數(shù)，它反映了人體的血流灌注能力。由于氧合血紅蛋白(HbO2)和脫氧血紅蛋白(Hb)各自對紅光和紅外光的吸收譜不同，兩束光交替照射組織，獲得兩路PPG信號和兩個不同的PI，定義R=PI1/PI2，根據(jù)Beer-Lambert定律推導(dǎo)，可獲R的計算公式：

式(2)中吸光系數(shù)均為常數(shù)，而R值可由采集的脈搏波數(shù)據(jù)計算得到，因此，理論上確定了兩束入射光的波長，就能計算SpO2的值。但一般在實(shí)際計算中，考慮到光散射影響和人體組織的差異及吸光系數(shù)測量的不準(zhǔn)確等因素，一般將（2）展開成二階泰勒級數(shù)的形式，即

式(3)中系數(shù)A，B，C的確定由血氧儀測得的R值和標(biāo)準(zhǔn)的SpO2值利用最小二乘法二次曲線擬合定標(biāo)得到。本文設(shè)計的血氧飽和度測量系統(tǒng)的定標(biāo)曲線通過國際通用的Fluke Index 2XL SpO2模擬儀來確定。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)可分為三部分：①指夾式探頭內(nèi)部發(fā)光二極管的LED驅(qū)動電路和指夾式探頭光電接收管后部的低灌注測量電路；②STM32F103數(shù)據(jù)采集主控單元，實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動電路的時序控制，低灌注測量電路的自適應(yīng)增益控制，以及數(shù)據(jù)采集并通過USB傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；③PC機(jī)數(shù)據(jù)處理單元，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理、低灌注算法實(shí)現(xiàn)、實(shí)時波形顯示、實(shí)時參數(shù)計算、數(shù)據(jù)保存、報警等功能。整個系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 血氧飽和度測量系統(tǒng)框圖Fig.1 Schematic diagram of SpO2measurement system

2.1 硬件設(shè)計

為保持PPG信號的原始特征，本系統(tǒng)采用全數(shù)字方式對原始PPG信號進(jìn)行采集，然后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)字信號處理，計算得到需要的結(jié)果。系統(tǒng)硬件部分包括LED驅(qū)動電路、IV轉(zhuǎn)換電路、放大電路、主控單元、以及PC機(jī)。整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Schematic diagram of the hardware system

2.1.1 LED驅(qū)動電路

由于本系統(tǒng)采用雙波長測量法，我們設(shè)計探頭上的紅光和紅外光的LED交替發(fā)光，同時設(shè)置一個暗光以提高系統(tǒng)準(zhǔn)確度和抗干擾能力，該暗光信號可用于校正環(huán)境光對系統(tǒng)的影響。最終該三路光的發(fā)光時序通過STM32F103的I/O口產(chǎn)生控制信號IN1和IN2，IN1和IN2控制模擬開關(guān)接通和斷開，從而控制紅光和紅外光的LED的切換，當(dāng)紅光和紅外光的LED都沒點(diǎn)亮?xí)r即為暗光狀態(tài)。

2.1.2 I/V轉(zhuǎn)換電路

LED被點(diǎn)亮后，傳感器另一端光電接收管將接收的透射光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?，隨后I/V轉(zhuǎn)換電路將該電流信號轉(zhuǎn)換成與透射光強(qiáng)成正比的電壓信號以方便采樣處理。本系統(tǒng)I/V轉(zhuǎn)換采用了集成芯片OPA381，轉(zhuǎn)換電路及參數(shù)配置如圖3。LED+和LED-分別連接光電接收管的+/-極，OUT1為輸出電壓。由于被檢測的電流很小，反饋電阻取1 M以提高輸出電壓的幅值和信噪比。同時并聯(lián)一個電容以進(jìn)一步減小輸入電流噪聲。

2.1.3 一級差分放大電路

圖3 I/V轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Schematic of I/V conversion

上述電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后，由于PPG信號的交流分量與直流分量相比非常小，因此需要對交流分量做進(jìn)一步的放大。由于差分放大器具有高共模抑制比、高輸入阻抗、能有效抑制溫度漂移和隨機(jī)噪聲等特點(diǎn)，因此本文采用儀表差分放大器MAX4194，在I/V轉(zhuǎn)換后將原始信號減去一個直流偏置后再進(jìn)行放大，以提高信號的信噪比。

2.1.4 可變增益放大電路

不同人群的手指透光性不同，同時可能出現(xiàn)低灌注、低信噪比等情況，也可能出現(xiàn)個別的高灌注導(dǎo)致信號飽和的情況。為了適應(yīng)這些不同情況，將信號盡可能地放大以提高ADC對信號的分辨率但又不至于使信號飽和超出ADC采樣的幅值范圍，整個模塊的模擬部分不能采用固定的放大倍數(shù)，而采用自適應(yīng)增益控制以使最終的模擬信號有一個合適的幅度。為達(dá)到此目的，本設(shè)計采用低輸入噪聲數(shù)字可編程增益放大器LTC6910-1，它有0、1、2、5、10、20、50、100 V/V，8個增益可選。如圖4電路所示，它具有三個數(shù)字輸入口G2，G1，G0，STM32F103通過該三個邏輯控制口的邏輯組合即可控制增益的切換。實(shí)際系統(tǒng)中，STM32F103采集經(jīng)過放大后的PPG信號，實(shí)時計算其幅度信息并反饋控制LTC6910-1的增益，實(shí)現(xiàn)實(shí)時的自適應(yīng)增益調(diào)節(jié)。

圖4 可變增益放大電路Fig.4 Schematic of VGA

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 ARM軟件設(shè)計

STM32F 103 處理器的所有軟件都采用C 語言在RealView MDK平臺下開發(fā)。該系統(tǒng)中，STM32F103主要完成LED驅(qū)動時序的控制、PPG信號的采集、PPG信號幅度的判斷以自適應(yīng)地反饋調(diào)節(jié)增益和將數(shù)據(jù)打包通過USB傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，軟件流程圖如圖5所示。

圖5 ARM軟件流程圖Fig.5 Program flow chart of ARM

整個系統(tǒng)的時序由定時器中斷1 保證，即STM32F103每667 μs觸發(fā)一次定時器中斷，在定時器中斷服務(wù)程序中完成LED燈的切換，同時開啟ADC采樣。ADC采樣完成后，觸發(fā)DMA中斷，在DMA的中斷里，將紅光、紅外光和暗光的PPG信號經(jīng)過處理后計算其信號幅度，并判斷是否需要切換增益以自適應(yīng)的調(diào)節(jié)可變增益放大器的增益值，隨后將PPG信號數(shù)據(jù)通過USB傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

2.2.2 PC機(jī)軟件設(shè)計

PC機(jī)軟件在Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2008。該上位機(jī)軟件與下位機(jī)通過USB接口連接，接收下位機(jī)傳輸來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。為了實(shí)時處理下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，本設(shè)計采用多線程技術(shù)來完成數(shù)據(jù)讀取和處理，分別為數(shù)據(jù)讀取線程和數(shù)據(jù)處理線程，并開辟一塊共享內(nèi)存區(qū)域作為兩個線程數(shù)據(jù)交互的緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)讀取線程將USB緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)讀出并存放進(jìn)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當(dāng)數(shù)據(jù)讀取線程的時間片用完后便切換到數(shù)據(jù)處理線程，數(shù)據(jù)處理線程從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，其數(shù)據(jù)流圖如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)流圖Fig.6 Data flow diagram of software in PC

數(shù)據(jù)處理線程主要完成如下功能：將紅光、紅外光和暗光數(shù)據(jù)按照自定義的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行分離、濾波、進(jìn)行算法選擇、參數(shù)計算、數(shù)據(jù)存儲、波形界面繪制及參數(shù)顯示。其流程圖如圖7所示。

圖7 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理線程流程圖Fig.7 Program flow chart of data processing thread of software in PC

其中上位機(jī)軟件將原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)存放在以軟件啟動時刻命名的文件夾中（如果輸入了被測者的個人信息，則以被測者姓名和軟件啟動時刻命名），便于對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析處理。本系統(tǒng)最終開發(fā)的上位機(jī)軟件運(yùn)行界面如圖8。如圖中標(biāo)注，左區(qū)由上而下分別顯示紅光、紅外光、暗光的波形，右區(qū)由上而下分別顯示當(dāng)前時間、PR、SpO2、PI及其他一些參考值。最下方為功能按鈕，分別為開始/暫停、退出、低灌注、平均、個人信息。點(diǎn)擊“開始”按鈕軟件開始運(yùn)行，期間點(diǎn)擊“暫?！卑粹o即可暫停運(yùn)行；若PI值很低，顯示參數(shù)頻繁跳動出現(xiàn)很大誤差，表明被測者處于弱灌注水平，則可點(diǎn)擊“低灌注”按鈕選擇自相關(guān)建模法的低灌注算法來計算各參數(shù)；普通算法測試正常人時，使用者也可點(diǎn)擊“平均”按鈕來使參數(shù)顯示更加穩(wěn)定；“個人信息”按鈕點(diǎn)擊后跳出對話框，可輸入被測者的ID號、姓名和年齡等個人信息；點(diǎn)擊“退出”按鈕即可退出軟件運(yùn)行。其中，點(diǎn)擊“低灌注”按鈕時，對低灌注信號加入本系統(tǒng)開發(fā)的自相關(guān)建模法的低灌注算法來計算各參數(shù)，其大致流程框圖如圖9所示。

圖8 上位機(jī)軟件運(yùn)行界面Fig.8 Software interface in PC

圖9 自相關(guān)建模法的數(shù)據(jù)處理流程框圖Fig.9 Data processing flow diagram of auto-correlation modeling method

在低灌注時，由于血流灌注能力下降，脈動血流量減少導(dǎo)致PPG信號的交流分量大幅降低，在噪聲干擾下脈搏波失去其明顯的周期性特點(diǎn)，有效信號幾乎被噪聲信號淹沒，信噪比極低。由于噪聲主要是白噪聲，而信號和噪聲、噪聲和噪聲不相關(guān)，因此我們首先對信號進(jìn)行自相關(guān)處理達(dá)到抑制噪聲以提高信噪比的目的[7-8]。由自相關(guān)原理可知自相關(guān)后信號的頻率與原始信號完全相同，由此我們可通過自相關(guān)后的信號準(zhǔn)確計算脈率，而自相關(guān)后信號的幅值發(fā)生改變，但是它們存在相應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系，我們通過建模確定其幅值關(guān)系從而計算信號的交流分量，進(jìn)而計算PI和計算SpO2所需的比值R。通過該建模，我們便可通過自相關(guān)信號準(zhǔn)確計算PR、PI和SpO2等參數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計的血氧儀的性能，我們將其與國際通用的Fluke Index 2XL SpO2模擬儀進(jìn)行了對比測試，分別評價了本系統(tǒng)對PR、PI和SpO2等參數(shù)檢測的準(zhǔn)確性；同時，對低灌注0.125%和運(yùn)動狀況的信號進(jìn)行了算法處理驗(yàn)證，并特別的在低灌注至0.125%時，單獨(dú)做了數(shù)據(jù)測試，以檢驗(yàn)該系統(tǒng)對低灌注的檢測能力。

通過Fluke Index 2XL SpO2模擬儀，模擬PI為5%（普通正常人的灌注水平），脈率從30到250變化，本系統(tǒng)檢測的脈率全部正確。模擬脈率為70，SpO2為90%，PI從0.125%～20%變化的情形，F(xiàn)luke Index 2XL SpO2模擬儀的PI值和本系統(tǒng)測量得到的PI值的擬合曲線如圖10，從圖中可以看出，本系統(tǒng)計算的PI值和Fluke Index 2XL SpO2模擬儀的PI值基本一致，其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性能滿足要求。

圖10 本系統(tǒng)與Fluke Index 2XL的PI值對比Fig.10 Comparison graph of PI between the system and Fluke simulator

采用模擬儀Fluke Index 2XL模擬灌注水平在5%，脈率為70，SpO2從35%～100%的情形，用本文設(shè)計的血氧儀的測量結(jié)果與Fluke Index 2XL SpO2模擬儀的值進(jìn)行對比，其擬合曲線如圖11。二者相關(guān)系數(shù)為0.998，接近于1，說明二者的結(jié)果基本相同。同時，在SpO270%～100%的臨床測試要求范圍內(nèi)，測量誤差不大于±2%，在SpO235%～70%的范圍內(nèi)，測量誤差不大于±3%，具有很高的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

圖11 本系統(tǒng)與Fluke Index 2XL的SpO2值對比Fig.11 Comparison graph of SpO2between the system and Fluke simulator

為檢驗(yàn)本系統(tǒng)設(shè)計的自相關(guān)建模法的低灌注SpO2測量算法對信號的處理能力，我們采集了模擬儀PI為0.125%時的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在Matlab環(huán)境下加入算法進(jìn)行了處理，其結(jié)果如圖12的(a)(b)所示。同時，為檢驗(yàn)算法對運(yùn)動干擾信號的處理能力，我們用手指的抖動和手臂擺動來產(chǎn)生運(yùn)動干擾，其原始信號和經(jīng)算法處理后的信號分別如圖12的(c)(d)所示，從圖中看出，本算法對這種手指抖動和手臂擺動的運(yùn)動干擾具有很好的抑制作用。

圖12 原始波形和算法處理后的波形Fig.12 Orignal waveforms and algorithm processed waveforms

為進(jìn)一步檢驗(yàn)本系統(tǒng)硬件及算法設(shè)計對低灌注的檢測能力，我們在灌注為0.125%時進(jìn)行了單獨(dú)的數(shù)據(jù)測試，并給出了脈率、PI和SpO2等參數(shù)檢測的結(jié)果。PI為0.125%時脈率從30至250變化時測試結(jié)果全部正確。表1給出了本系統(tǒng)對SpO2和PI值的檢測結(jié)果、與模擬儀的偏差及標(biāo)準(zhǔn)差。從表中可看出，SpO2為70%以上的檢測結(jié)果非常準(zhǔn)確，偏差在±3%以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差也很小說明其檢測結(jié)果非常穩(wěn)定。需要說明的是，在灌注0.2%以上時，SpO2在35%～100%全范圍內(nèi)檢測都非常準(zhǔn)確，在灌注0.125%～0.2%時，SpO2在較低水平時出現(xiàn)較大偏差，因此這里在灌注0.125%時只給出了臨床要求范圍70%～100%的測量結(jié)果。

4 結(jié)論

系統(tǒng)對血氧飽和度的測量范圍擴(kuò)展到了35%～100%；設(shè)計的自相關(guān)模型法的抗低灌注算法使得本系統(tǒng)在灌注水平低至0.125%時仍能準(zhǔn)確測量。

表1 PI為0.125%時本系統(tǒng)檢測的PI和SpO2值Tab.1 The PI and SpO2detected by our system at PI 0.125%

將本文介紹的血氧儀與Fluke Index 2XL SpO2模擬儀進(jìn)行同步對比測試，該儀器實(shí)現(xiàn)了脈率從30至250 BPM，灌注水平從0.125%至20%，SpO2從35%至100%范圍內(nèi)脈率、PI和SpO2的準(zhǔn)確測量。

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