一種改進(jìn)可穿戴設(shè)備的血氧測(cè)量精度的傳感器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

董 琴,郭 清,袁貞明*

(1.杭州師范大學(xué)醫(yī)學(xué)院健康管理分院,杭州 310036;2.浙江中醫(yī)大學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)辦公室,杭州 310006)

血氧飽和度SaO2(Oxygen Saturation)是臨床醫(yī)療上重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一[1]。人體所消耗的氧主要來(lái)源于血紅蛋白(在正常的血液中存在4種血紅蛋白:氧合血紅蛋白(HbO2)、還原血紅蛋白(Hb)、碳氧血紅蛋白(CoHb)、高鐵血紅蛋白(MetHb)。其中與氧氣做可逆性結(jié)合的是還原血紅蛋白,與氧氣不相結(jié)合的是碳氧血紅蛋白和高鐵血紅蛋白。)所攜帶的氧。通常稱(chēng)血液中氧含量即指血液中氧合血紅蛋白的多少,用血氧飽和度這個(gè)物理量來(lái)描述血液中氧含量的變化[2]。

血氧飽和度是指在全部血容量中被結(jié)合O2容量占全部可結(jié)合的O2容量的百分比。正常人體動(dòng)脈血的血氧飽和度為98%,靜脈血為75%。它是反映機(jī)體內(nèi)血氧狀況的重要指標(biāo),一般認(rèn)為血氧飽度正常值應(yīng)不低于94%,在94%以下被視為供氧不足[3]。功能飽和度(Functional Saturation):SO2=氧合血紅蛋白/(氧合血紅蛋白+還原血紅蛋白)。自然飽和度(fractional saturation):SO2=氧合血紅蛋白/(氧合血紅蛋白+還原血紅蛋白+碳氧血紅蛋白+高鐵血紅蛋白)。

在醫(yī)學(xué)臨床上多通過(guò)功能飽和度來(lái)反映血氧中氧含量的變化,該變化可表示血液中血液的供氧情況,從而判定人體的健康狀態(tài)和疾病類(lèi)型[4]。一般血氧飽和度偏低主要因?yàn)楹粑?、循環(huán)系統(tǒng)的疾病,麻醉引起的機(jī)體自動(dòng)調(diào)節(jié)功能失常,或者大手術(shù)創(chuàng)傷,其他治療、檢查引起的損傷。如果血氧飽度正常值低于94%,就會(huì)出現(xiàn)癥狀:頭暈、無(wú)力、嘔吐,呼吸困難,嚴(yán)重者則會(huì)危及生命。

血氧對(duì)人體生命參數(shù)具有重要意義,但是國(guó)際上只有一個(gè)歐洲標(biāo)準(zhǔn)“EN865”中1997版有美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)室協(xié)會(huì)(ATSM)制定的血氧飽和度的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)尚無(wú)血氧飽和度的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]。另外各廠(chǎng)家的產(chǎn)品多采用大批量的臨床數(shù)據(jù)上設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)算法轉(zhuǎn)換測(cè)試曲線(xiàn)。因此國(guó)內(nèi)血樣檢測(cè)的方法上存在不足,而且受到采樣人群的年齡、膚色、人種、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等的影響。

當(dāng)前市場(chǎng)上使用的主要有指夾式血氧儀、脈搏血氧儀、掌式脈搏儀3種,使用時(shí)多有不便。因此我們針對(duì)市場(chǎng)上血氧監(jiān)測(cè)方式的問(wèn)題和不足,針對(duì)性的改進(jìn)了硬件設(shè)計(jì)和軟件算法,提升血氧監(jiān)測(cè)的便攜性和準(zhǔn)確度。

本文設(shè)計(jì)的血氧監(jiān)測(cè)儀在傳統(tǒng)血氧儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行了采用光電式傳感和壓力傳感結(jié)合的設(shè)計(jì)改進(jìn)[5];另外在指尖和手腕采集數(shù)據(jù),在體外貼近皮膚測(cè)量,不進(jìn)行任何人體損傷實(shí)驗(yàn),被測(cè)試人員有知情同意確認(rèn),設(shè)計(jì)產(chǎn)品為消費(fèi)電子類(lèi)而非醫(yī)療器械類(lèi),倫理委員會(huì)確認(rèn)無(wú)需審批。

1 光電血氧儀的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方法

本款新設(shè)計(jì)的可穿戴腕式血氧儀,改進(jìn)傳統(tǒng)的投射式脈搏波血氧飽和度檢測(cè)的算法模型到反射式脈搏波血氧飽和度的檢測(cè)方式。硬件的設(shè)計(jì)主要由一個(gè)微處理器、存儲(chǔ)器(EPROM與RAM)、兩個(gè)控制LED的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、對(duì)光電二極管接收的信號(hào)進(jìn)行濾波與放大的器件、將接收信號(hào)數(shù)字化以提供給微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成,為方便測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示,滿(mǎn)足可穿戴式設(shè)備的設(shè)計(jì)要求,可穿戴腕式血氧監(jiān)測(cè)儀同時(shí)加入一個(gè)小型OLED的顯示屏,用來(lái)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 血氧儀的改進(jìn)設(shè)計(jì)原理

1.2.1 血氧儀的傳感器選擇

本款血氧儀基于紅光和紅外光譜的脈搏血氧飽和度檢測(cè)技術(shù),使用PPG(Photoplethysmography)方法:光電體積描記法,在儀器中設(shè)計(jì)有兩個(gè)發(fā)射紅外線(xiàn)的發(fā)光二極管,利用光電式傳感器監(jiān)測(cè)動(dòng)脈中攜帶氧的血紅蛋白與不攜帶氧的血紅蛋白的比例,發(fā)出的紅外線(xiàn)進(jìn)入皮下組織后,被手腕或手指皮下的毛細(xì)血管中移動(dòng)的血細(xì)胞吸收,反射回到探頭內(nèi)的另一光敏晶體管,其信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理后顯示為動(dòng)脈波形,波形的大小與 局部微血管中紅細(xì)胞數(shù)成正比。波形越高表示該處組織血運(yùn)越正常,這兩個(gè)發(fā)光二極面向病人的手腕部位,釋放不同的波長(zhǎng)[6]。

其中一只二極管釋放波長(zhǎng)為660 nm的光束,另一只釋放的波長(zhǎng)在880 nm～990 nm之間,根據(jù)不同佩戴個(gè)體動(dòng)態(tài)調(diào)整。由于含氧的血紅蛋白對(duì)這兩種波長(zhǎng)的吸收率與不含氧的差別很大。利用這個(gè)性質(zhì),可以計(jì)算出兩種血紅蛋白的比例。按照Beer-Lambert定律,比值R/IR與動(dòng)脈血氧飽和度(SaO2)的函數(shù)關(guān)系應(yīng)為線(xiàn)性關(guān)系,但由于生物組織是一種強(qiáng)散射、弱吸收、各向異性的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng),不完全符合經(jīng)典的Beer-Lambert定律,因而導(dǎo)致了表達(dá)紅光和紅外光吸光度相對(duì)變化測(cè)量值(R/IR值),與動(dòng)脈血氧飽和度(SaO2)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型建立困難。只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定R/IR與SaO2的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即定標(biāo)曲線(xiàn)[7]。該脈搏血氧儀主要以實(shí)驗(yàn)方法獲取經(jīng)驗(yàn)定標(biāo)曲線(xiàn)以完成產(chǎn)品的預(yù)定標(biāo)。

1.2.2 光波選擇

通過(guò)依次驅(qū)動(dòng)一個(gè)紅光LED(660 nm)和一個(gè)紅外光LED(880 nm～990 nm),藍(lán)色線(xiàn)條表示血紅蛋白不帶氧分子的時(shí)候接收管對(duì)還原血紅蛋白感應(yīng)曲線(xiàn),從曲線(xiàn)圖中可以看下還原血紅蛋白對(duì)660 nm紅光的吸收比較強(qiáng),而對(duì)880 nm～990 nm nm紅外光的吸收長(zhǎng)度比較弱[8]。紅色線(xiàn)條表示血紅蛋白并帶有氧分子的血紅細(xì)胞時(shí)接收管對(duì)氧合血紅蛋白感應(yīng)曲線(xiàn),從圖中可以看出對(duì)660 nm紅光的吸收比較弱,對(duì)880 nm～990 nm紅外光的吸收比較強(qiáng)[9]。在血氧測(cè)量時(shí),還原血紅蛋白和有氧合血紅蛋白,通過(guò)檢測(cè)兩種對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收的區(qū)別,所測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)差就是測(cè)量血氧飽和度最基本的數(shù)據(jù)。在血氧測(cè)試中660 nm和880 nm～990 nm最常見(jiàn)的兩個(gè)波長(zhǎng),實(shí)際上要做到更高的精度,除了兩個(gè)波長(zhǎng)以外還要增加其他波長(zhǎng),甚至高達(dá)8個(gè)波長(zhǎng),最主要的原因是人體血紅蛋白除了還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白之外,還有其他的血紅蛋白,我們經(jīng)常見(jiàn)的是碳氧血紅蛋白,更多的波長(zhǎng)有利于運(yùn)算后精度更好,但基于投入效用考慮,再多加一個(gè)波長(zhǎng)810 nm,根據(jù)血紅蛋白光譜吸收曲線(xiàn),其吸收特性不算血氧飽和度的變化而變化。

1.2.3 濾波算法選擇

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),最佳線(xiàn)性濾波理論起源于40年代美國(guó)科學(xué)家Wiener和前蘇聯(lián)科學(xué)家Kолмогоров等人的研究工作,后人統(tǒng)稱(chēng)為維納濾波理論[6]。從理論上說(shuō),維納濾波的最大缺點(diǎn)是必須用到無(wú)限過(guò)去的數(shù)據(jù),不適用于實(shí)時(shí)處理。為了克服這一缺點(diǎn),60年代Kalman把狀態(tài)空間模型引入濾波理論,并導(dǎo)出了一套遞推估計(jì)算法,后人稱(chēng)之為卡爾曼濾波理論[10]。卡爾曼濾波是以最小均方誤差為估計(jì)的最佳準(zhǔn)則,經(jīng)過(guò)多次模擬運(yùn)算實(shí)驗(yàn)及他人的經(jīng)驗(yàn)分析,卡爾曼濾波比較適合少數(shù)據(jù)量的遞推估計(jì)的計(jì)算,可利用線(xiàn)性系統(tǒng)狀態(tài)方程,通過(guò)系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu),由于觀測(cè)包含系統(tǒng)的噪聲和干擾的影響,所以最優(yōu)估計(jì)也可看做是濾波過(guò)程[11]。因此卡爾曼濾波比較適合于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和小數(shù)據(jù)量的計(jì)算機(jī)運(yùn)算,以最小均方誤差為最佳估計(jì)準(zhǔn)則,用于生理信號(hào)檢測(cè)中以抑制噪聲,主要采用信號(hào)與噪聲的狀態(tài)空間模型,利用前一時(shí)刻的估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻的觀測(cè)值來(lái)更新對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì),求出當(dāng)前時(shí)刻的估計(jì)值,再根據(jù)建立的系統(tǒng)方程和觀測(cè)方程對(duì)需要處理的信號(hào)做出滿(mǎn)足最小均方誤差的估計(jì)[12]。

首先對(duì)腕式血氧儀算法模型做如下假設(shè):

假設(shè)1所有波長(zhǎng)通過(guò)肢體組織的路徑相同;

假設(shè)2肢體的動(dòng)作干擾成分與血氧成分在統(tǒng)計(jì)上相互獨(dú)立;

假設(shè)3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,但假設(shè)他們?cè)谕粫r(shí)間有一定的比例關(guān)系[13]。

先設(shè)線(xiàn)性時(shí)變系統(tǒng)的離散狀態(tài)防城和觀測(cè)方程為:

X(k)=F(k,k-1)X(k-1)+T(k,k-1)U(k-1)

Y(k)=H(k)X(k)+N(k)

式中:X(k)和Y(k)分別是k時(shí)刻的狀態(tài)矢量和觀測(cè)矢量;F(k,k-1)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣;U(k)為k時(shí)刻動(dòng)態(tài)噪聲;T(k,k-1)為系統(tǒng)控制矩陣;H(k)為k時(shí)刻觀測(cè)矩陣;N(k)為k時(shí)刻觀測(cè)噪聲。

從而可以得到卡爾曼濾波的算法流程為:

預(yù)估計(jì):

計(jì)算預(yù)估計(jì)協(xié)方差矩陣:

T(k,k-1)×Q(k)×T(k,k-1)′

接著計(jì)算卡爾曼增益矩陣:

H(k)′+R(k)]-1

調(diào)整更新估計(jì):

計(jì)算更新后估計(jì)協(xié)防差矩陣:

H(k)]′+K(k)×R(k)×K(k)′

反射光信號(hào)在在一段時(shí)間內(nèi)是非平穩(wěn)的,但在較短的時(shí)間內(nèi)的一階統(tǒng)計(jì)量和二階統(tǒng)計(jì)量近似為常量,因此反射光信號(hào)在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)可以看成白噪聲激勵(lì)以線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)得到的穩(wěn)態(tài)輸出。假定反射光信號(hào)信號(hào)可看成由一AR模型產(chǎn)生,具體算法模型如下[14]:

根據(jù)時(shí)間更新方程:

測(cè)量后調(diào)整方程如下:

P(t|t)=P(t|t-1)-k(t)gTP(t|t-1)

K(t)為卡爾曼增益,其計(jì)算公式為:

式中:

X(n)=[x(n-p+1)x(n-p+2) …x(n)]

g=[0 0 … 0 1]

式中:K為約簡(jiǎn)廣義模型中級(jí)數(shù)項(xiàng)的數(shù)目;Pi,i=1,2,…,K為相應(yīng)的級(jí)數(shù)項(xiàng)。

2 效果評(píng)價(jià)和測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證

利用卡爾曼算法濾波,對(duì)于不同波長(zhǎng)的濾波結(jié)果處理分析,采集原始波形如圖1所示。

圖1 不同波長(zhǎng)對(duì)血氧的變化圖

原始的紅光和紅外波形圖如圖2所示。

圖2 原始紅光和紅外的波形圖

使用帶通處理后的紅外和紅光波形如圖3所示。

圖3 紅光紅外帶通處理后波形圖

經(jīng)算法處理后驗(yàn)證憋氣后的血氧變化如圖4所示。

圖4 驗(yàn)證憋氣計(jì)算后比較圖

利用卡爾曼算法濾波,降低了波形的噪音,極大提升了傳感器采集到的數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 卡爾曼算法濾波比較圖

3 檢測(cè)結(jié)果評(píng)定和適用人群測(cè)試

從現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的角度,如果血液中含氧量大于等于95,一般顯示為正常指標(biāo);限定每分鐘脈搏在60次～100次,屬于正常指標(biāo)[15]。我們使用本論文算法的光電式血氧儀與醫(yī)用美國(guó)MASIMO RAD-8脈搏血氧儀[14]在不同時(shí)間點(diǎn)分別檢測(cè)2次～3次,保持2 d～3 d的動(dòng)態(tài)連續(xù)檢測(cè)。

針對(duì)以下的人群進(jìn)行測(cè)試比較。

3.1 有血管疾病的人群

該類(lèi)血管疾病包括:冠心病、高血壓、高血脂、腦血栓等,該人群血管腔有脂質(zhì)沉積,血液不暢,供氧困難心腦血管病人,血液粘稠,加上冠狀動(dòng)脈硬化,血管腔狹窄,從而供血不暢,供氧困難。

表1 有血管疾病人群比較表

長(zhǎng)期輕度缺氧,心臟.大腦等耗氧特大的器官功能會(huì)漸漸衰退。重度缺氧,便會(huì)發(fā)生“心?！?“腦?！?不及時(shí)供氧急救,會(huì)遭致猝死。此組數(shù)據(jù)比較后平均接近率達(dá)到98.8%,可以有效監(jiān)測(cè)血氧變化,因此心腦血管病人長(zhǎng)期用新算法血氧檢測(cè)血氧含量,能有效預(yù)防危險(xiǎn)發(fā)生,如果出現(xiàn)缺氧狀況,第一時(shí)間補(bǔ)氧,大大減少疾病發(fā)作機(jī)會(huì)。

3.2 有呼吸系統(tǒng)疾病的人群

該類(lèi)血管疾病包括:哮喘、氣管炎、慢性支氣管炎、肺心病、慢阻肺等。呼吸困難導(dǎo)致吸入氧氣量有限,呼吸系統(tǒng)病人的血氧檢測(cè)的確很重要,一方面呼吸困難會(huì)導(dǎo)致攝氧不足,另一方面,哮喘的持續(xù),也會(huì)使細(xì)小的支器官被堵塞,使氣體交換發(fā)生困難,導(dǎo)致缺氧發(fā)生,造成心肺、大腦甚至腎臟不同程度的損傷。

表2 有呼吸系統(tǒng)疾病人群比較表

此組數(shù)據(jù)比較后平均接近率達(dá)到99%,可以有效監(jiān)測(cè)血氧變化,因此用新算法血氧儀檢測(cè)血氧含量,大大降低呼吸道發(fā)病率。

3.3 60歲以上的老年人群

老年人心肺器官生理老化,攝氧不足.供氧不力。人體依賴(lài)血液傳輸氧氣,血少了,氧氣自然就少了。

表3 60歲以上老人比較表

此組數(shù)據(jù)比較后平均接近率達(dá)到98%,可以有效監(jiān)測(cè)血氧變化,因此老年人使用新算法血氧儀檢測(cè)血氧含量,一旦血氧低于警戒水平,需盡快補(bǔ)氧,有助于老年人晚年健康。

3.4 每天工作12 h以上的人群

腦力勞動(dòng)過(guò)大的人,大腦耗氧量增大,氧氣供應(yīng)不能滿(mǎn)足消耗。大腦耗氧量占全身攝氧量的20%,腦力勞動(dòng)過(guò)渡,大腦耗氧量必然上升。而人體能夠攝入的氧有限,消耗多,攝入少。除了造成頭暈、乏力、記憶差、反映遲鈍等問(wèn)題之外,同樣會(huì)對(duì)大腦心肌造成嚴(yán)重傷害,甚至是過(guò)勞死亡。

表4 每天工作12 h以上的人群比較表

此組數(shù)據(jù)比較后平均接近率達(dá)到98.5%,可以有效監(jiān)測(cè)血氧變化,所以每天學(xué)習(xí)或工作12 h的人群使用新算法血氧檢測(cè)血氧含量,監(jiān)控血氧健康,可以確保健康安穩(wěn)的工作。

3.5 極限運(yùn)動(dòng)員的人群

極限運(yùn)動(dòng)及高山缺氧環(huán)境下的血氧監(jiān)測(cè),有助于了解運(yùn)動(dòng)員在大運(yùn)動(dòng)量后的血液循環(huán)情況,以指導(dǎo)對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)量的制定。

跑馬拉松運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)員及其需要進(jìn)行血氧的檢測(cè),此組數(shù)據(jù)比較后平均接近率達(dá)到99%,可以有效監(jiān)測(cè)血氧變化,提前發(fā)現(xiàn)血液攜氧或供氧的問(wèn)題,避免由運(yùn)動(dòng)過(guò)度對(duì)身體造成危害。

因此該款光電式血氧儀的設(shè)計(jì)和算法的應(yīng)用可以精確的測(cè)定人體血氧飽和度,對(duì)于以上各類(lèi)人群身體狀況動(dòng)態(tài)血氧進(jìn)行監(jiān)測(cè),具有“治未病和健康管理”的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

表5 極限運(yùn)動(dòng)員人群比較表

4 結(jié)語(yǔ)

采用本論文種提到的新款ECG傳感器設(shè)計(jì)的血氧儀,使用卡爾曼擴(kuò)展算法測(cè)量的成果,意味著光電式血氧儀的可行性,另外不僅可在指夾式的產(chǎn)品設(shè)計(jì),更重要在腕帶式產(chǎn)品上應(yīng)用,其可穿戴特性和便攜性有很好的提升。

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