基于反射式動態(tài)血氧測量模塊算法研究

蘇航，李召國

（中山大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳 518057）

0 引言

伴隨著我國老齡化現(xiàn)象的日益嚴(yán)重，國家醫(yī)療體系正面臨著醫(yī)療服務(wù)與成本的壓力?？纱┐魇街悄茉O(shè)備的普及和應(yīng)用，將醫(yī)療重點從醫(yī)院向以社區(qū)（家庭、個人）為中心的健康模式轉(zhuǎn)變?？纱┐魇街悄苎踹\動檢測系統(tǒng)是可以提供動態(tài)血氧飽和度（SpO2）和脈率（pulserate，PR）變化等正常生理信號的實時監(jiān)測[1]，并且能夠為疾病作出早期的預(yù)測，還能為多種慢性疾病的家庭監(jiān)護(hù)提供幫助，這種情況的出現(xiàn)能夠在實現(xiàn)全社會國民健康低成本上發(fā)揮著重要的意義。

1 可穿戴式智能設(shè)備的現(xiàn)狀

1.1 可穿戴式智能設(shè)備的作用機(jī)制

可穿戴式智能設(shè)備是最近幾年來在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中的一項新興技術(shù)，其被廣泛的應(yīng)用在臨床診療，健康管理，運動健身等多種領(lǐng)域當(dāng)中?？纱┐魇街悄茉O(shè)備，能夠在一定程度上將微型化的生物醫(yī)學(xué)傳感器以穿或者戴的形式放置在人體部位上，然后通過人的生命體征信號監(jiān)測系統(tǒng)和人們生活的特定習(xí)慣進(jìn)行適應(yīng)，讓可穿戴式智能設(shè)備能夠更好的為人們所服務(wù)[2]?？纱┐魇街悄茉O(shè)備是能夠在不影響佩戴者正常生活的情況下，可以對人體的生命體征進(jìn)行實時的檢測?？纱┐魇街悄茉O(shè)備的設(shè)計還包含了儀器的兼容性，信號檢測的穩(wěn)定性，抗干擾以及數(shù)據(jù)儲存和傳輸?shù)闹T多功能。除此之外，由于可穿戴式智能設(shè)備是在沒有醫(yī)生的監(jiān)督下所使用的，所以在一定程度上必須要讓佩戴者感覺舒適，要最大限度的減少佩戴者身體上的負(fù)擔(dān)?？纱┐魇街悄茉O(shè)備要在測量信號和結(jié)果上保持良好的穩(wěn)定性。

1.2 可穿戴式智能設(shè)備的特點

可穿戴式智能設(shè)備具有以下特點[3]；①使用方便。對于一般的家庭佩戴者可能沒有較為全面豐富的醫(yī)學(xué)知識，所以可穿戴式智能設(shè)備必須要具備操作簡單，硬件小巧等諸多特點。②可以在移動中進(jìn)行操作，可穿戴式智能設(shè)備能夠在佩戴者處于移動的狀態(tài)下進(jìn)行人體生命特征信息的采集。③其耗能低，信息容量儲存較大。由于可穿戴式智能設(shè)備是面向家庭佩戴者，需要長時間且連續(xù)監(jiān)測并且記錄佩戴者的生命特征，這樣能夠?qū)Σ』嫉募膊∵M(jìn)行診斷和個人身體健康護(hù)理的主要目的。所以，可穿戴式智能設(shè)備的電池使用壽命必須要長，其監(jiān)測的數(shù)據(jù)儲存信息量必須要大，在一定程度上其耗能較低，并且其硬件配備有大容量的信息數(shù)據(jù)儲存單元。④數(shù)據(jù)傳輸和自動報警功能。當(dāng)佩戴者處于危險時，比如生理數(shù)值在非正常范圍之內(nèi)或者是發(fā)生異常波動時，可以自動提醒或報警，其監(jiān)測數(shù)據(jù)是通過人體傳感器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，將這些信息傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，這樣能夠為佩戴者身體健康提供實時的數(shù)據(jù)評估。

2 反射式SpO2的檢測原理

反射式傳感器是基于光電容積脈搏波描記法的動態(tài)血氧測量，一直是處于不斷的發(fā)展中。充分使用兩個不同波長LED光源照射人體，再通過監(jiān)測到人體的雙波長光電容動態(tài)血氧信號，再從中去提取出動態(tài)血氧中的飽和度和PR等。動態(tài)血氧信號中包括了心臟跳動所出現(xiàn)的流量，所以，在不嚴(yán)格考慮電生理期間，其動態(tài)血氧測量能夠提供有效的PR檢測，與此同時，動態(tài)血氧的信號還能夠揭示出PR變異性，從而提供異味心臟跳動的相關(guān)檢測[4]。測量SpO2過程中，還必須要得到實時PR的檢測結(jié)果。

就反射式SpO2的檢測方法來看，其主要是慢散射光，該種光束主要來自于組織表面的反射光，并需要要反復(fù)折射才能夠形成，反射的光能夠進(jìn)入到人體的皮膚中，并能夠完成散射，散射的方向不能夠受到控制。在某種程度上會直接影響透射式SpO2檢測，能夠檢測到的反射式SpO2的光強(qiáng)會變的非常微弱，并能夠使噪音一定程度得到增加[5]。所以，通過反射式SpO2檢測技術(shù)對于人體SpO2數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)檢測，對于相關(guān)信號提取方法和干擾處理方法變得更為嚴(yán)格。

穿戴式設(shè)備在使用過程中，應(yīng)考慮到人體因素，該項技術(shù)主要應(yīng)用于人體血氧動態(tài)檢測過程中，并能夠完成信號數(shù)據(jù)收集工作，該部分工作主要依靠硬件設(shè)施，并能夠?qū)κ占叫盘栠M(jìn)行處理，這種處理方法能夠在一定程度上減少所測量的出現(xiàn)誤差。從某種意義上來說，入射光能夠讓以上兩種干擾性能變得更強(qiáng)。人體在運動時引起的靜脈血液充盈也會受到一定程度的影響。當(dāng)人體發(fā)生強(qiáng)烈運動時很容易產(chǎn)生靜脈血液充盈的現(xiàn)象，與動脈相比，靜脈中的血壓相對微弱[6]。從宏觀上來看其靜脈表現(xiàn)的跳動是屬于在合理范圍。

該種方式能夠?qū)τ嬎憬Y(jié)果產(chǎn)生影響，主要體現(xiàn)在動脈和靜脈的混合SpO2兩個方面，通常情況下，正常計算的結(jié)果會相對低于動脈SpO2。

動態(tài)運動血氧干擾是直接影響SpO2計算結(jié)果，其相關(guān)頻帶和目標(biāo)信號頻帶相互重疊，傳統(tǒng)頻率濾波方式是很難消除這種情況。在處理運動氧化干擾之外，還是有很多的干擾疊加在一起共同影響檢測結(jié)果，這對于檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度，能夠在一定程度上有所提升。所以，相關(guān)研究人員必須要有針對性的提出相關(guān)干擾消除的方法，從而去在某種程度上對計算的結(jié)果影響進(jìn)行詳細(xì)的分析，只有這樣才能保證反射式動態(tài)血氧檢測算法的結(jié)果不會出現(xiàn)誤差[7]。

3 自適應(yīng)中值濾波算法

自適應(yīng)中值濾波算法是基于排序統(tǒng)計理論的一種有效抑制噪聲的非線性信號處理技術(shù)，其能夠在一定程度上很好的適用在動態(tài)血氧檢測當(dāng)中[8]。中值濾波器的概念主要是由于國外相關(guān)學(xué)者在進(jìn)行時間序列分析時所提出的，提出的時間為1970年，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸將這一概念應(yīng)用與動態(tài)血氧檢測圖像處理過程中，并取得了良好的臨床效果。

這種濾波器的特點在使用動態(tài)血氧測量計算，其運算準(zhǔn)確度較為精準(zhǔn)，在濾波疊加白噪聲與長尾疊加噪聲方面能夠顯示出極好的性能。中值濾波器很容易自適應(yīng)化，從而可以進(jìn)一步提高其濾波性能。因此，它就非常適用于一些線性濾波器無法勝任的數(shù)字圖像處理應(yīng)用場合。中值濾波器的輸出數(shù)值應(yīng)將任意時刻窗口內(nèi)所有觀測值按其數(shù)值，并按照大小進(jìn)行排列，取中位數(shù)值[9]。

中值濾波（Median Filter，MF）的主要特征有以下幾點；①針對特定輸出的信號，其均存在不變性，而MF具有一定特性，能夠保持輸入信號相一致，與其他種類相比，線性濾波器具有較高的應(yīng)用價值，能夠使圖像的各種細(xì)節(jié)均得以保留，不讓其遭到破壞。②MF主要通過非線性運算獲得濾除噪聲性能方面數(shù)據(jù)，隨機(jī)性質(zhì)的噪聲輸入存在影響，分析過程十分復(fù)雜。相較于零均值正態(tài)分布的噪聲輸入，MF輸入與輸出噪聲的分布和密度存在相關(guān)性，輸入噪聲密度函數(shù)與輸出噪聲方差的平方成反比。對隨機(jī)噪聲的抑制能力，MF比均值濾波更差些。但相對于脈沖干擾，尤其是脈沖寬度小于濾波窗口長度的1/2，相距較遠(yuǎn)的窄脈沖，MF還是很有效的。③由于MF的頻譜特性是非線性運算，在輸出頻率不能夠與輸入頻率相互對應(yīng)，主要為非對應(yīng)關(guān)系，不能夠采用一般線性濾波器頻率特性進(jìn)行計算、分析。經(jīng)過大量臨床實踐證實可以發(fā)生，頻率響應(yīng)與中值濾波器輸入信號的頻譜存在一定聯(lián)系，能夠發(fā)現(xiàn)呈曲線表現(xiàn)為明顯的波動，但是MF頻譜而言，變化并不，明顯，信號通過MF后，頻譜基則不會再發(fā)生變化[10]。

4 結(jié)論

總而言之，反射式動態(tài)血氧測量模塊算法是對國民身體健康的保證，有了準(zhǔn)確、快捷的動態(tài)血氧測量能夠讓人們的生命健康得到一定程度上的保護(hù)。動態(tài)血氧飽和度是檢測組織氧合功能的一個重要指標(biāo)和生命體征的參數(shù)，在當(dāng)前臨床監(jiān)護(hù)和心血管系統(tǒng)疾病中都有著十分重要的意義。對人們進(jìn)行動態(tài)血氧測量模塊計算能夠在早期進(jìn)行病情的診斷，也為個人健康護(hù)理提供非常大的幫助。