基于無線技術(shù)的醫(yī)用血氧監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

金 鑫, 龔純貴, 鄭 剛

(1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院, 上海 200093;2.上海東方肝膽外科醫(yī)院 儀器科, 上海 200438)

引 言

血氧飽和度指數(shù)是測量人體氧合血紅蛋白數(shù)量的核心指標(biāo),也是衡量人體是否缺氧的主要依據(jù)之一,其測量結(jié)果對于醫(yī)生術(shù)中的指導(dǎo)、術(shù)后的監(jiān)護(hù)及病人后續(xù)的康復(fù)具有十分重要的意義。特別是對于外科,血氧飽和度指數(shù)是病人入院后每日必測的項目之一。目前醫(yī)院在用的均為單機(jī)式血氧飽和度儀,國內(nèi)外相關(guān)研究均朝著單機(jī)集成化生命體征測量的方向發(fā)展,而對于無線醫(yī)用血氧監(jiān)測的研究則較少。無線醫(yī)用血氧監(jiān)測的研究不僅可以使血氧監(jiān)測得到進(jìn)一步的普及,輔助臨床診療工作,而且還可以形成血氧數(shù)據(jù)庫為臨床學(xué)術(shù)研究提供基礎(chǔ)資料,所以無線醫(yī)用血氧監(jiān)測具有很高的研究價值。

1 血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)組成

1.1 傳統(tǒng)血氧飽和度儀

傳統(tǒng)血氧飽和度儀主要分為血氧探頭及血氧飽和度主機(jī)(以下簡稱“血氧模塊”)兩部分。

(1) 血氧探頭的核心部件是由一組發(fā)光二極管(660 nm的可見紅光及940 nm的不可見紅外光)及一組光敏傳感器構(gòu)成[1]。利用人體氧合血紅蛋白及非氧合血紅蛋白對兩種光的吸收反差的特異性,由光敏傳感器感知并將差值轉(zhuǎn)換為電信號。

(2) 血氧模塊的核心部件是內(nèi)部的電信號過濾器及數(shù)字轉(zhuǎn)換器[2]。由于人體內(nèi)部較為復(fù)雜,往往血氧探頭采集的電信號中會含有許多的雜質(zhì)及無用信號,所以采用電信號過濾器并利用某些算法對電信號進(jìn)行過濾及去雜。

圖1 傳統(tǒng)血氧飽和度儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of traditional SpO2 instrument

圖2 血氧監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of SpO2 monitoring system

傳統(tǒng)血氧飽和度儀由于其物理設(shè)計及制造成本等原因,存在著諸多的不足,不利于醫(yī)院臨床的使用,主要有以下幾點(diǎn):

(1) 傳統(tǒng)血氧飽和度儀的物理連接形式為有線式,即血氧探頭與血氧模塊之間的連接依賴于一根數(shù)據(jù)傳輸線,且數(shù)據(jù)傳輸線的長度較短。

(2) 傳統(tǒng)血氧飽和度儀由于需要考慮其便攜的特點(diǎn),血氧模塊的體積受到了極大的限制[3]。

(3) 血氧飽和度指數(shù)作為一個動態(tài)的生命體征,需要進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。但目前醫(yī)院無法做到普及,對臨床的醫(yī)療工作開展造成了較大的阻力[4]。

(4) 傳統(tǒng)血氧飽和度儀的血氧探頭與血氧模塊為“一對一”的模式,在無形中造成了極大的浪費(fèi)[5]。

(5) 在長時間的監(jiān)測過程中,醫(yī)護(hù)人員可能會離開現(xiàn)場,導(dǎo)致一些緊急情況無法及時處理,可能會錯過最佳搶救或治療時間。

針對以上傳統(tǒng)血氧飽和度儀的各種缺陷,血氧飽和度信息監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱血氧監(jiān)測系統(tǒng))能夠利用科學(xué)合理的辦法,通過對傳統(tǒng)血氧飽和度儀進(jìn)行改造與創(chuàng)新,能夠較好地解決以上問題[6]。

1.2 血氧飽和度信息監(jiān)測系統(tǒng)

血氧監(jiān)測系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的血氧飽和度儀基礎(chǔ)上,對其進(jìn)行了改造擴(kuò)充了其功能。主要由可聯(lián)網(wǎng)的血氧探頭、系統(tǒng)主機(jī)、系統(tǒng)監(jiān)視器及可推送至手機(jī)的APP等[7]組成,如圖2所示。

2 技術(shù)改進(jìn)

2.1 采用無線技術(shù)

無線技術(shù)是將多個末端設(shè)備通過無線(包括長距離或短距離)在多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下采用適當(dāng)?shù)陌踩珯C(jī)制進(jìn)行管理、控制、運(yùn)營等。基于此理念,在不改變傳統(tǒng)血氧監(jiān)測方式的基礎(chǔ)上,利用無線技術(shù)將多個血氧探頭與血氧監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)互聯(lián),以達(dá)到監(jiān)測血氧指數(shù)和及時介入病人治療的目的[8]。其主要改進(jìn)包括:① 硬件,在傳統(tǒng)血氧探頭上增加無線信號傳輸裝置,以一臺血氧信息監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)代替所有血氧模塊[9]。② 軟件,以血氧監(jiān)測系統(tǒng)的軟件對多個血氧探頭的信號進(jìn)行分析,取代傳統(tǒng)單機(jī)分析的情況。③ 整體結(jié)構(gòu),通過無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)“一對多”的血氧信號分析管理模式[10]。④ 無線連接方式,由于我國醫(yī)院病房區(qū)域與護(hù)理站距離較近,所以血氧探頭與血氧信息監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)之間的通信采用目前主流的802.11ac。⑤ 傳輸速度,理論上每個血氧探頭的傳輸速度可達(dá)到1.3 Gbit/s,受到各種客觀條件限制,實(shí)際傳輸速度要低于理論速度,但血氧信號數(shù)據(jù)傳輸要求較低,所以不受任何影響。⑥ 最大連接承載力,血氧信息監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)理論上可聯(lián)接無限個血氧探頭,但為了保證目前測試樣品的正常運(yùn)轉(zhuǎn),設(shè)計為最多可連接99個血氧探頭[11]。根據(jù)我國醫(yī)院與醫(yī)療機(jī)構(gòu)的配置標(biāo)準(zhǔn),一般病房的床位數(shù)為20～50個左右,所以目前的血氧監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)完全可以滿足臨床需求。

2.2 采用傅里葉算法的血氧信號過濾與分析

血氧信號的算法是整個血氧監(jiān)測系統(tǒng)的核心,它直接決定了系統(tǒng)的性能、準(zhǔn)確性、監(jiān)測速度等重要指標(biāo)。經(jīng)多次試驗與比較,傅里葉變換算法是最適合血氧信號過濾與分析的算法之一[12]。利用傅里葉變換原理將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號,其表達(dá)式為

(1)

式中ω為頻率。

由光敏二極管轉(zhuǎn)換并輸出帶有較多干擾與雜質(zhì)的原始電信號,如圖3所示。

圖3 原始信號時域示意圖Fig.3 Time domain of original signal

將原始電信號進(jìn)行傅里葉變換,由原來的時域變換為頻域,變換后的頻域圖像如圖4所示。從轉(zhuǎn)換后的頻域圖像可以清晰地區(qū)分有效值與無效值(干擾波及雜質(zhì)),圖中0頻與左右兩個波峰達(dá)到0.5的為有效值,其余均為干擾波與雜質(zhì)[13]。在頻域圖像中區(qū)分出有效值與無效值后,可以設(shè)置分段函數(shù)對頻域信號進(jìn)行濾波,保留有效值,去除無效值。具體方程表達(dá)式如下:

(2)

式中:ω0為濾波器中心頻率;d為濾波器半窗寬。

經(jīng)提取有效值后,得到有效信號頻域圖像如圖5所示。

圖4 原始信號頻域示意圖Fig.4 Frequency domain of original signal

圖5 有效信號頻域示意圖Fig.5 Frequency domain of effective signal

此時可將過濾后的頻域信號直接作為有效血氧信號。為了證明傅里葉變換算法的有效性,也可以將頻域信號通過傅里葉逆變換為時域信號[14]。傅里葉逆變換表達(dá)式如下:

(3)

與血氧探頭輸出的原始電信號相比,經(jīng)過處理后的電信號圖像改善明顯,能夠有效提高血氧監(jiān)測的準(zhǔn)確性[15]。

2.3 血氧數(shù)據(jù)的存儲、分析與推送

血氧信息系統(tǒng)具有存儲容量大、穩(wěn)定度高的特點(diǎn)。當(dāng)血氧信號完成過濾后,由系統(tǒng)進(jìn)行計算、轉(zhuǎn)換與存儲。此時信息系統(tǒng)軟件自動讀取連續(xù)的血氧指數(shù)并形成各種類型的趨勢圖等輔助醫(yī)護(hù)人員診斷的信息。

3 血氧監(jiān)測系統(tǒng)測試與分析

血氧監(jiān)測系統(tǒng)完成初步設(shè)計之后,對樣品進(jìn)行了測試與分析。使用美國福祿克公司生產(chǎn)的Index 2型血氧檢測儀作為標(biāo)準(zhǔn)器,該設(shè)備上的兩組發(fā)光二極管是人為可調(diào)的,可以通過自由調(diào)整兩組發(fā)光二極管所發(fā)射光束的強(qiáng)度來模擬實(shí)際檢測過程中光敏二極管接收到的光束強(qiáng)度。

(1) 正常血氧數(shù)值檢測:將血氧檢測儀調(diào)至人體正常血氧指數(shù),對傳統(tǒng)血氧飽和度儀與血氧監(jiān)測系統(tǒng)的測量性能進(jìn)行檢測。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知,兩者測量結(jié)果相同并與標(biāo)準(zhǔn)值一致;檢測耗時血氧監(jiān)測系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)血氧飽和度儀。

(2)非正常血氧數(shù)值檢測:在連接兩種設(shè)備的血氧探頭后快速調(diào)低血氧指數(shù)進(jìn)行檢測。試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 正常血氧檢測對比Tab.1 Contrast in the normal SpO2 test

由表2可知,血氧監(jiān)測系統(tǒng)測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值一致,傳統(tǒng)血氧飽和度儀與標(biāo)準(zhǔn)值有2%的相對誤差;檢測耗時血氧監(jiān)測系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)血氧飽和度儀。

血氧監(jiān)測系統(tǒng)的檢測耗時比傳統(tǒng)血氧飽和度儀更短,更利于臨床治療過程中的應(yīng)急處理。同時,雖然傳統(tǒng)血氧飽和度儀2%的相對誤差在可允許誤差范圍內(nèi),但血氧監(jiān)測系統(tǒng)的測量結(jié)果更為精確。所以,血氧監(jiān)測系統(tǒng)比傳統(tǒng)血氧飽和度儀更適合在臨床應(yīng)用。

4 血氧監(jiān)測系統(tǒng)臨床試用與評價

得到醫(yī)院臨床認(rèn)可后,對3套血氧監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行為期1個月的試用。在試用過程中有3個特殊案例(2例急救案例,1例其他設(shè)備故障案例,摘自臨床護(hù)理記錄)如下:

(1) 病人突發(fā)心衰導(dǎo)致血氧指數(shù)下降案例:中午12:43,21床病人由于突發(fā)心衰導(dǎo)致血氧指數(shù)下降,值班護(hù)士未能及時監(jiān)測,引發(fā)智能終端(手機(jī))報警,后經(jīng)醫(yī)護(hù)人員及時搶救,病人脫離危險。

(2) 病人壓迫手臂導(dǎo)致血氧指數(shù)下降案例:凌晨2:28,13床病人由于睡眠時壓迫手臂,血流灌注不正常導(dǎo)致血氧指數(shù)下降,值班護(hù)士未能及時監(jiān)測,引發(fā)智能終端(手機(jī))報警,經(jīng)值班護(hù)士更正病人睡姿,血氧指數(shù)恢復(fù)正常。

(3) 輸液泵問題導(dǎo)致血氧指數(shù)波動案例:上午10:08,護(hù)士監(jiān)測到7床病人血氧指數(shù)有小幅波動屬異常情況,后經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是由于輸液泵與輸液管路問題導(dǎo)致輸注藥量誤差,影響病人血氧指數(shù)。

從臨床護(hù)理記錄中的3個案例來看,人體血氧指數(shù)具有突發(fā)性與不確定性的特點(diǎn),所以對病人應(yīng)進(jìn)行24 h的連續(xù)監(jiān)測,這樣可以避免許多不必要的問題,為安全醫(yī)療與精準(zhǔn)醫(yī)療提供有效保障。

5 結(jié) 論

綜上所述,血氧監(jiān)測系統(tǒng)具有可無線連接、輕簡便攜、易連續(xù)監(jiān)測、多點(diǎn)位合一、智能化報警等優(yōu)點(diǎn)。它的設(shè)計完全彌補(bǔ)了傳統(tǒng)血氧飽和度儀的主要缺點(diǎn),同時也符合現(xiàn)代化醫(yī)院的實(shí)際需求,是血氧監(jiān)測與無線技術(shù)的有效結(jié)合。它不僅包含了血氧監(jiān)測的領(lǐng)域,而且還將無線傳輸、大數(shù)據(jù)分析、信息處理與共享等多個方面融合,完全取代了傳統(tǒng)的血氧測量概念。同時,血氧監(jiān)測系統(tǒng)能夠以較低的制造成本實(shí)現(xiàn),大大提高了該系統(tǒng)普及的可行性,希望在不久的將來,血氧監(jiān)測能夠以信息監(jiān)測系統(tǒng)的方式真正在醫(yī)院得到普及。