脈搏血氧飽和度監(jiān)測中運(yùn)動干擾消除算法

謝彥文

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脈搏血氧飽和度監(jiān)測中運(yùn)動干擾消除算法

謝彥文

肖克利信息科技股份有限公司，上海 200442

在脈搏血氧飽和度測量的時候，經(jīng)常使用的是光電容積脈搏波（PPG）測量方法，然而在動態(tài)環(huán)境中，監(jiān)測血氧飽和度會受到嚴(yán)重的運(yùn)動干擾的影響，在這種影響的情況中，PPG信號就會很容易受到外界的影響產(chǎn)生運(yùn)動偽跡，比如說被測者身體移動，這些運(yùn)動偽跡是無規(guī)律的，它們會直接影響血氧飽和度測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，為了改善這一狀況必須采取一定有效的運(yùn)動干擾消除算法，從而保證測量值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

脈搏；血氧飽和度；監(jiān)測；運(yùn)動干擾；消除算法

在測量脈搏血氧飽和度的時候，經(jīng)常使用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備是脈搏血氧飽和計。它在臨床和手術(shù)中占據(jù)著重要的位置，這種設(shè)備它主要運(yùn)用的就是光電容積脈搏波（PPG），通過它來測量、計算，然后得出血氧飽和度和灌注指數(shù)等信息。脈搏血氧飽和計在測量的過程中，PPG信號會很容易受到運(yùn)動的干擾影響，因此通常它使用的前提條件就是在病人處于靜止的情況，只有這樣才能得出準(zhǔn)確、可靠的測量結(jié)果。在測量的過程中所受到的運(yùn)動干擾的頻率譜與正常的頻譜部分是重疊的，因此，運(yùn)用傳統(tǒng)的濾波器等信號處理方法都很難將運(yùn)動干擾徹底地消除掉。面對這種情況，可以使用 PPG 信號的包絡(luò)線信息，提取所得到的PPG信號中的交流分量，在此基礎(chǔ)上分析其中兩種光色之間的關(guān)系，并設(shè)定出與干擾信號相關(guān)的信號作為一種計算結(jié)果的參考信號，最后在自適應(yīng)濾波的輔助下消除干擾影響，這種方法克服了傳統(tǒng)信號處理器的弊端，能夠有效地抑制運(yùn)動的干擾，得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

1 PPG信號分析

在測量脈搏血氧飽和度的時候往往會受到多種因素的干擾，比如電氣干擾、運(yùn)動干擾、環(huán)境光干擾，這些干擾都會直接影響測量的結(jié)果，在動態(tài)環(huán)境中對脈搏血氧飽和度的影響主要是運(yùn)動干擾，它可以直接影響監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，也是影響因素中最重要的因素，因此消除運(yùn)動干擾是測量脈搏血氧飽和度中最重要的任務(wù)[1]。

PPG信號對于脈搏血氧飽和度的測量有重要的影響，它包含著交流分量、直流分量，而且在測量的時候往往會受到干擾：

如公式（1）所示，其中在采集PPG信號中會包含干擾信號N，以及目標(biāo)信號S，而其中的ac以及dc則是指PPG信號中的交流成分、和直流成分。

公式中的Sac以及Sdc是兩個重要的參數(shù)，即用來計算血氧飽和度的參數(shù)，且二者之間存在著一定的關(guān)系，，其中二者相比得出的值r為紅光或者是紅外光的光強(qiáng)比值，然后在此基礎(chǔ)上，結(jié)合朗伯比爾定律會得出第二個公式：

這個公式中的R是光密度比值比，它對應(yīng)的是相應(yīng)的血氧飽和度[2]。

在PPG信號中，信號Ndc以及Nac，它們主要是由于運(yùn)動干擾引起的附在PPG信號上交流、直流分量上的干擾信號，主要存在的公式為：

干擾信號Nac是附在PPG信號的交流分量上的，從本質(zhì)上來說這種干擾是一種高頻感干擾，主要是由于這種干擾的頻帶范圍中含有一些與目標(biāo)信號重疊的干擾，甚至還有一些更高頻率的干擾，而且在這些具有高頻率的干擾因素中，還存在與目標(biāo)PPG信號頻帶重疊的現(xiàn)象，它們的產(chǎn)生主要是因?yàn)檫\(yùn)動干擾，而且由于運(yùn)動干擾所形成的這種重疊很難被消除；此外附于PPG信號直流分量上的Ndc干擾信號則是一種較低頻率的干擾，這種頻率不高的干擾的形態(tài)呈現(xiàn)一種低頻漂移的狀態(tài)，而且這種干擾比較容易清除，只需要用頻率濾波的方法就可以很容易地將其消除。

2 運(yùn)動干擾的引入

在動態(tài)監(jiān)測脈搏血氧飽和度的時候，人體運(yùn)動會給其帶來很大的影響，從而引入一些運(yùn)動干擾，探頭、受測部位之間的運(yùn)動以及靜脈博運(yùn)動是引起這種干擾的主要原因，從根本上來說，入射光光程的改變是引起這兩種引入干擾的途徑的根本原因。

首先，最重要的就是探頭與受測部位之間常常會發(fā)生相對運(yùn)動，它們之間的相對運(yùn)動就會給組織中血管的分布帶來很大的影響，還會改變組織、探頭間的距離，這樣一來就會直接改變光經(jīng)人體組織后到傳感器之間的距離，繼而呈現(xiàn)出一種運(yùn)動干擾。這種干擾由此可見就是由于傳感器的耦合而造成的，而且其強(qiáng)度也會發(fā)生變化。這種干擾給血氧飽和度的監(jiān)測結(jié)果帶來了雙向的影響，因此這種值也是不穩(wěn)定的，或高或低[3]。

此外，在人體運(yùn)動的時候，靜脈血液會逐漸變得充盈，血液的充盈會增大壓力，從而帶來運(yùn)動干擾，靜脈的搏動與壓力雖然比動脈要弱很多，但是一旦人體發(fā)生了強(qiáng)烈的運(yùn)行，就會造成血液充盈的情況，血壓就會升高，從而搏動的頻率就會加快，這就給監(jiān)測帶來了干擾。它的主要影響就是動脈與靜脈混合血氧飽和度，通過計算得到的飽和度會偏低。

3 運(yùn)動干擾自適應(yīng)對消算法

自適應(yīng)濾波的原理就是運(yùn)動干擾自適應(yīng)對消算法使用的前提，它主要是對兩路色光PPG信號的采集和獲取，然后在此基礎(chǔ)上尋找合適的參考信號，利用其來濾波運(yùn)動干擾信號，從而從根本上消除運(yùn)動干擾對結(jié)果準(zhǔn)確性的影響[4]。

（1）自適應(yīng)對消算法原理

兩種光源產(chǎn)生的交流以及直流比值之間的關(guān)系，對于計算血氧飽和度很重要，通常在動態(tài)的環(huán)境中對血氧飽和度進(jìn)行測量，往往會受到很強(qiáng)的運(yùn)動干擾，因此為了得到比較準(zhǔn)確的數(shù)值，就必須處理運(yùn)動干擾，處理相應(yīng)的干擾信號，從而去除干擾對監(jiān)測結(jié)果的影響。與PPG信號頻率相互重疊的運(yùn)動干擾頻帶范圍，它所產(chǎn)生的主要影響就在于交流信號的變異上，想要消除這種影響和干擾，可以采用最小均方LMS法，從而自適應(yīng)消噪PPG交流分量中的干擾。

在消噪之后，結(jié)果中的誤差會在最小均方誤差的意義中抵消運(yùn)動干擾，從而得到的值就會更加準(zhǔn)確，更加接近真實(shí)的信號，即目標(biāo)信號。與此同時，還要處理相應(yīng)的紅光以及紅外光的PPG交流信號，從而將混雜在其中的運(yùn)動干擾的影響進(jìn)行消除，并將二者帶入相應(yīng)的計算公式中進(jìn)行運(yùn)算，從而得到較為準(zhǔn)確的計算結(jié)果。

（2）參考信號的獲取

人體的血氧飽和度處于一種比較恒定的狀態(tài)是使用自適應(yīng)消噪法的前提與假設(shè)。

合適的參考信號在使用LMS自適應(yīng)消噪法有著重要的作用，只有擁有合適的參考信號才能幫助其處理干擾的PPG信號。當(dāng)所采集的PPG信號沒有受到運(yùn)動干擾的影響的時候，那么在PPG信號的交流信號中就只有Sac目標(biāo)信號，而且會得到兩種色光之間的交流分量的差：

4 結(jié)語

脈搏血氧飽和度的計算受到運(yùn)動干擾的影響很大，會直接影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確度與精確性，因此為了消除運(yùn)動干擾的影響就必須采取具有針對性的解決辦法，從而消除干擾，得出準(zhǔn)確的計算結(jié)果。

[1]龔渝順.穿戴式抗運(yùn)動干擾血氧飽和度監(jiān)測技術(shù)研究[D].重慶：第三軍醫(yī)大學(xué)，2012.

[2]吳寶明，龔渝順.用于消除血氧飽和度監(jiān)測干擾的方法：CN 102499694 A[P].2012.

TP274；R197.39

A

1009-6434（2016）02-0061-02