一種無線連續(xù)血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)

霍東風(fēng),譚勵夫,劉 騰

(黑龍江省食品藥品檢驗檢測所,黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引 言

有線通信的方式存在移動性和靈活性差等缺陷[1],無線通信技術(shù)的提出解決了有線通信技術(shù)存在的諸多問題?，F(xiàn)有無線血氧飽和度監(jiān)護儀在強干擾環(huán)境中容易受到干擾,導(dǎo)致計算血氧飽和度不準確,且功耗過高。本文提出了一種無線連續(xù)血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng),設(shè)計出無線通信的連續(xù)血氧飽和度監(jiān)測設(shè)備,具有準確度高、連續(xù)監(jiān)測、低功耗、移動靈活、抗干擾能力強、具有高度自適應(yīng)能力等優(yōu)點,通過實際血氧飽和度測試效果良好。

2 無線血氧飽和度監(jiān)測

2.1 血氧飽和度測量原理

血氧飽和度計算是以光電容積脈搏波描記法(Photoplethysmogra-phy,PPG)為基本原理[2],人體血管中存在大量還原血紅蛋白,其與氧氣結(jié)合后形成氧合血紅蛋白,還原血紅蛋白為暗紅色,氧合血紅蛋白為鮮紅色,兩者對波長為660 nm的紅光和波長為940 nm的紅外光的吸收能力不同。當(dāng)心臟進行收縮和舒張時,引起動脈血管容積的脈動變化,形成光吸收的脈動波[3-5]。測量660 nm的紅光和940 nm的紅外光穿過動脈血管組織后的光強度及其變化,利用光吸收的比率系數(shù)R可得到血氧飽和度飽和度值S[6-8]。

光吸收的比率系數(shù)R的計算公式為:

R=(IACR/IDCR)/(IACIR/IDCIR)

式中,IACR是波長660 nm紅光照射時測得的光強度脈動分量；IDCR是波長660 nm紅光照射時測得的光強度直流分量；IACIR是波長940 nm紅外光照射時測得的光強度脈動分量；IDCIR是波長940 nm紅外光照射時測得的光強度直流分量。

生物組織是一種非常復(fù)雜的介質(zhì),其特性不是完全符合Lambert-Beer定律,在血氧飽和度值計算時,通過定標(biāo)曲線的方法由光吸收的比率系數(shù)R確定血氧飽和度值S。在此,文中采用擬合的線性經(jīng)驗公式來計算血氧飽和度值S,其計算公式為:

S=a+bR

式中,a和b為經(jīng)驗常數(shù)。

2.2 無線連續(xù)血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)

無線連續(xù)血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)由血氧飽和度監(jiān)測主機和無線集中器組成。血氧飽和度監(jiān)測主機主要功能是監(jiān)測血氧飽和度數(shù)值,通過無線通信技術(shù)將血氧飽和度數(shù)據(jù)上傳至無線集中器。無線集中器與監(jiān)護儀電氣連接,無線集中器將血氧數(shù)字信號轉(zhuǎn)變成模擬信號,傳遞給監(jiān)護儀。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 無線連續(xù)血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Structure chart of wireless oxygen saturation monitoring system

血氧血氧飽和度監(jiān)測主機和無線集中器在均采用低功耗元器件,在控制程序上進行低功耗優(yōu)化,使設(shè)備的功耗非常低。

血氧飽和度監(jiān)測主機的硬件系統(tǒng)由電源部分、CPU部分、無線通信電路部分和血氧飽和度檢測部分組成,其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,血氧飽和度檢測部分由血氧飽和度檢測電路和血氧飽和度監(jiān)測探頭組成。血氧飽和度監(jiān)測探頭由紅光和紅外光雙向發(fā)光二極管和光源探測器組成。血氧飽和度檢測電路驅(qū)動發(fā)光二極管按著紅光—不發(fā)光—發(fā)紅外光—不發(fā)光交替工作,與此同時光源探測器接收光信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號,電信號被血氧飽和度檢測部分放大后,轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,數(shù)字信號被CPU采集,CPU將數(shù)字信號通過無線通信電路上傳至無線集中器。CPU內(nèi)植入血氧數(shù)據(jù)分析算法,具有數(shù)字血氧數(shù)據(jù)處理分析能力。通過對數(shù)據(jù)分析可以調(diào)整驅(qū)動發(fā)光二極管的電流,使主機自適應(yīng)患者手指情況；實時判斷患者手指是否脫離,及時發(fā)出警報。系統(tǒng)電路設(shè)計時,注重設(shè)備的抗干擾能力,在信號電路中加入信號保護和抗干擾器件,提升信號的穩(wěn)定性,設(shè)備可以在強干擾的環(huán)境下穩(wěn)定運行。

圖2 血氧飽和度監(jiān)測主機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Blood oxygen saturation monitoring host structure diagram

無線集中器的硬件系統(tǒng)由電源部分、CPU部分、無線通信電路部分、血氧飽和度模擬電路和血氧線組成，如圖3所示。無線集中器的無線通信電路接收到血氧飽和度監(jiān)測主機上傳的血氧飽和度數(shù)據(jù)后,CPU將接收到的血氧飽和度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后,控制血氧飽和度模擬電路輸出模擬信號,通過血氧線與監(jiān)護儀進行模擬信號交互。血氧飽和度模擬電路經(jīng)過特殊設(shè)計,使無線集中器可以適用國內(nèi)大部分監(jiān)護儀。CPU的控制程序存在血氧數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模擬信號算法,提高了設(shè)備輸出血氧模擬信號的準確度。

圖3 無線集中器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Wireless concentrator system structure diagram

3 測試分析

3.1 無線通信距離測試

將血氧飽和度監(jiān)測主機和無線集中器進行無線連接后,兩者的無線通訊距離在5 m、20 m、40 m分別進行通信是否暢通測試,結(jié)果是在5 m、20 m和40 m時,兩者的無線通信暢通,傳輸數(shù)據(jù)準確無誤,結(jié)果表明系統(tǒng)的無線通訊距離滿足使用需求。

3.2 準確度分析

將血氧飽和度監(jiān)測主機的血氧飽和度監(jiān)測探頭與血氧模擬儀輸出端物理連接,無線集中器與監(jiān)護儀電氣連接,開啟血氧飽和度監(jiān)測主機、無線集中器、監(jiān)護儀和血氧模擬儀。

將血氧模擬儀的血氧飽和度在80%～100%范圍內(nèi)步長2%進行調(diào)節(jié),記錄監(jiān)護儀顯示血氧值,結(jié)果如表1所示,表1中x表示血氧模擬儀輸出的血氧飽和度數(shù)值,y表示監(jiān)護儀顯示血氧飽和度數(shù)值。通過表1分析可得出,血氧飽和度監(jiān)測誤差≤2%,準確度良好。

表1 不同血氧數(shù)值測試記錄Tab.1 Different blood oxygen test records

將血氧模擬儀的血氧飽和度設(shè)定在96%,脈沖幅值分別設(shè)定為5%、4.5%、4%、3.5%、3%、2.5%、2%、1.5%、1%、0.5%、0.3%,結(jié)果如表2所示,表中p表示血氧模擬儀輸出的血氧飽和度的脈沖幅值,y表示監(jiān)護儀顯示血氧飽和度數(shù)值。通過表2分析可得出,脈沖幅值低至0.3%,設(shè)備的準確度良好。

表2 不同脈沖幅值血氧數(shù)值測試記錄Tab.2 Different pulse amplitude blood oxygen test records

在醫(yī)院進行了20組臨床數(shù)據(jù)對比,以便對無線連續(xù)血氧飽和度監(jiān)測設(shè)備的實際使用效果做出評測。醫(yī)院采用的是邁瑞T8監(jiān)護儀,用邁瑞T8的有線血氧探頭監(jiān)測病人左手食指。使用對無線連續(xù)血氧飽和度監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測病人左中指或者無名指。每個病人測試時間為3 h,記錄兩種監(jiān)測方式誤差的最大值,測試結(jié)果如表3所示,其中a表示病人序號,e表示兩種監(jiān)測方式的血氧數(shù)據(jù)誤差。通過表3分析可知,臨床血氧飽和度監(jiān)測誤差≤1%,臨床使用準確度高。

表3 臨床監(jiān)測誤差Tab.3 Clinical monitoring error

3.3 功耗分析

經(jīng)過實際測試,血氧飽和度監(jiān)測主機的工作功耗小于6 mW,其中最主要的功耗來源于血氧飽和度檢測部分的發(fā)光二極管,無線集中器的工作功耗小于5 mW,實際測試功耗與理論計算基本吻合。通過功耗測試結(jié)果,可以得出無線連續(xù)血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)功耗非常低,遠低于現(xiàn)有無線血氧飽和度監(jiān)測設(shè)備的功耗。

4 結(jié) 論

通過對無線連續(xù)血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究,設(shè)計的系統(tǒng)解決了有線方式采集血氧飽和度存在通訊距離受限且移動不便的問題,與現(xiàn)有無線方式采集血氧飽和度設(shè)備相比,其具有臨床數(shù)據(jù)準確、功耗低等優(yōu)勢,為血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)提供了一個嶄新的思路。