耳掛式血氧飽和度檢測儀的設計及實現(xiàn)

羅章源 郭清奎 鄭敏 ＊ 于航 朱辰 張蕾蕾 金勛 張文贊

1 恩識醫(yī)療科技（上海）有限公司 （上海 201112）

2 上海交大醫(yī)學院附屬同仁醫(yī)院 （上海 200336）

內容提要： 提出一種類似藍牙耳機的，佩戴于耳部的反射式監(jiān)測人體血氧飽和度的檢測儀設計方案。通過低功耗硬件電路的設計實現(xiàn)100h連續(xù)的血氧監(jiān)測，進行參數(shù)校準和可靠性分析，計算出血氧飽和度值可通過手機App顯示觀察，并將血氧數(shù)據(jù)存儲于設備中，可供后續(xù)回訪分析；通過招募志愿者開展本設計與MASIMO rainbow的對比實驗，初步證實在正常佩戴情況下，測量誤差在2%以內，驗證了測量的準確性、有效性且滿足血氧測量要求。本設計可以長期佩戴測量且不影響正常的生活工作，實現(xiàn)佩戴者全程全信息的血氧檢測，可用于患者圍手術期、睡眠呼吸暫停患者睡眠中及常規(guī)家庭護理中血氧監(jiān)測，具有較強的臨床價值和商業(yè)價值。

基于光電容積脈搏波描記法（Photoplethysmography，PPG）的血氧測量具有使用方便、對人體無損傷等優(yōu)點[1]。目前，無創(chuàng)血氧測量方法主要有透射式測量和反射式測量兩種方式。透射式測量方法相對成熟，目前臨床大量使用的均為指套型透射式血氧飽和度檢測測量方式，且相關算法成熟，市場上有大量的產品可供使用，其主要不足在于僅可用于指尖、耳垂等末梢且光可以透射的部位，長期佩戴容易造成佩戴部位的局部血流不暢，嚴重時會導致組織壞死，不便于長期佩戴和測量[2,3]。相比于透射式血氧檢測，已有的相關研究已經(jīng)將反射式血氧檢測應用于頭盔式、嬰兒額頭部位貼敷等場景實現(xiàn)血氧檢測[4,5]。反射式測量位置更加靈活，佩戴者可以長期佩戴測量且不影響正常的生活工作，但對測量位置的光路選擇及其相關算法亦提出較高要求。本文提出一種類似藍牙耳機，佩戴于耳部的反射式人體血氧飽和度檢測儀的設計方案。通過低功耗硬件電路設計的實現(xiàn)100h的連續(xù)信號采集，并基于朗博比爾定理推導得出反射式血氧的經(jīng)典算法，進行參數(shù)校準和可靠性分析，計算出血氧飽和度值；通過招募志愿者開展MASIMO rainbow與本設計的對比實驗，驗證了儀器測量的準確性和有效性。

1.測量原理與系統(tǒng)設計

1.1 光學測量原理

目前無創(chuàng)血氧飽和度檢測儀測量方法主要是紅外光譜測定法，利用血液不同成分對光吸收特性不同進行測量。

當單色光通過一定厚度的介質時，介質會吸收一部分光能，通過介質的光強度會減弱[4]。介質吸收的光能與介質濃度、厚度成正相關，即濃度越大、厚度越大，吸收光越多，剩余的光則越少。如公式（1）所示。

人體血液中的血紅氧合蛋白對紅光（400～700nm）、紅外光（700～1000nm）的吸收特性存在明顯差異。HbO2吸收紅光，波長為400～700nm，而HbR吸收近紅外光，波長為800～1000nm，等吸收點在波長805nm左右。利用這一特性，以及在這兩個波長下的吸收系數(shù)，并通過相關推到可得以下公式：

根據(jù)經(jīng)驗公式，推導出以下一元二次方程。

如圖1所示，反射式傳感器的LED燈同時發(fā)射兩種波長的光，當光射入皮膚后，一部分光被組織吸收，另一部分反射回來，并通過接收器（PD）來進行收集。接收器（PD）將接收的光信號轉化為電信號，隨著心臟的收縮運動，血液也隨著產生波動，從而影響反射光強度，通過微控制器（MCU）進行分析與計算，最終得到血氧飽和度值[3,6,7]。

1.2 耳掛式血氧儀系統(tǒng)設計和實現(xiàn)

1.2.1 系統(tǒng)整體方案設計

系統(tǒng)主要通過血氧傳感器及相應采集電路實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)采集，MCU對數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理、開展血氧算法實現(xiàn)和計算，以及通過藍牙傳輸并顯示在手機App終端，也可以通過數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)導出后進行全程血氧分析，圖2描述了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的過程。

血氧傳感器中的光源（LED）發(fā)射兩種波長的光，經(jīng)過人體反射后，再通過光電二極管（PD）接收反射光并轉換為電信號，即采集到的原始數(shù)據(jù)，進行電信號放大濾波等處理后通過微控制器及相應程序設計進行數(shù)據(jù)處理。采集到的數(shù)據(jù)也將全部被存儲起來。

數(shù)據(jù)處理包含數(shù)字低通濾波器和數(shù)字帶通濾波器。低通數(shù)字濾波器采用IIR數(shù)字濾波器，根據(jù)采集信號特征，選定參數(shù)F pass為3Hz，F(xiàn) stop為5Hz，通過低通濾波器濾波后獲取更清晰的信號，更精確地確定極值點，通過確定極值點，得到直流分量和交流分量，可以使用經(jīng)典計算公式計算出血氧值，并通過兩個極值點間的時間間隔實現(xiàn)心率的計算。數(shù)字帶通濾波器采用FIR數(shù)字濾波器，將通帶范圍控制在0.8～5Hz，經(jīng)過數(shù)字帶通濾波器的脈搏波波形經(jīng)過藍牙傳輸?shù)绞謾C并顯示出來。

數(shù)據(jù)計算主要對已經(jīng)經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)進行分析和計算。識別出數(shù)據(jù)中的極大值、極小值，實現(xiàn)血氧飽和度值的計算，并通過極大值（或極小值）之間的時間差，計算出脈搏值。

顯示記錄主要在App中完成，血氧飽和度值、脈率、灌注指數(shù)、脈搏波圖像通過藍牙傳輸?shù)绞謾C后，顯示在屏幕上。

1.2.2 硬件系統(tǒng)設計

硬件測量系統(tǒng)主要包含：電源監(jiān)測、傳感器、前端芯片、微控制器、數(shù)據(jù)存儲、無線通訊模塊及接口模塊。傳感器采用小型集成類傳感器，在保證性能的情況下，體積盡可能小，以便更好地貼合在耳廓內。前端芯片完成對傳感器的驅動、信號的采集，以及放大處理，前端芯片配合傳感器實現(xiàn)了原始數(shù)據(jù)的采集；微控制器采用基于ARM CONTEX-M3內核的微控制器，平衡了低功耗與計算性能。主要實現(xiàn)信號的采集、預處理、信號的存儲以及對無線通信的控制，并實現(xiàn)了對血氧特征的識別和計算。無線通訊模塊采用低功耗藍牙（BLE）通訊協(xié)議，以便降低功耗，實現(xiàn)了通過藍牙與手機App的連接、數(shù)據(jù)發(fā)送等。硬件測量系統(tǒng)采用3.8V充電電池，系統(tǒng)平均工作電流1.5mA，可實現(xiàn)100h的連續(xù)的血氧監(jiān)測，并將血氧數(shù)據(jù)存儲于設備中，可供后續(xù)回訪分析。硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖1.檢測示意圖

圖2.系統(tǒng)設計框圖

圖3.硬件系統(tǒng)框圖

1.2.3 程序設計與血氧值計算

軟件主要包含硬件控制程序設計和血氧算法實現(xiàn)兩部分，硬件控制程序設計主要實現(xiàn)系統(tǒng)內硬件的控制、初始化和使用狀態(tài)控制、信號的處理、數(shù)據(jù)的存儲、藍牙系統(tǒng)的控制等，并注重低功耗設計；血氧算法實現(xiàn)部分完成濾波器設計、對脈搏波信號的特征提取、極大極小值關鍵點提取、心率計算、血氧值計算等，圖4為控制軟件流程圖。

利用MATLAB軟件進行IIR和FIR濾波器設計。使用MATLAB的數(shù)字濾波器設計工具（FDATOOL），選擇IIR濾波器，設計并通過不斷調整參數(shù)以實現(xiàn)信號的濾波處理，計算得出參數(shù)并帶入程序中進行計算，如圖5所示。同理，選擇FIR濾波器設計并通過不斷調整參數(shù)以實現(xiàn)信號的濾波處理，計算得出參數(shù)并帶入程序中進行計算[8,9]。

通過血氧算法設計，確定IRedmax、IRedmin、IIrmax、IIrmin的每一個極值點，并通過公式計算出R值和灌注指數(shù)，通過實驗的方法確定式中A、B、C的值。

采集到的數(shù)據(jù)被存儲起來，可以通過USB接口將數(shù)據(jù)拷貝到計算機。為了驗證濾波器的效果，分別將經(jīng)過濾波和未經(jīng)過濾波的數(shù)據(jù)讀取出來，進行比較。測量結果如圖所示，分別為未通過數(shù)字濾波的圖像（圖7）、通過數(shù)字濾波的圖像（圖8、圖9）、脈率識別結果（圖10）。

圖4.控制軟件流程圖

圖5.低通濾波器設計

圖6.帶通濾波器設計

圖7.原始數(shù)據(jù)

圖8.低通濾波結果

圖9.帶通濾波結果

圖10.脈率識別結果

1.2.4 參數(shù)校準和算法優(yōu)化

血氧飽和度監(jiān)測儀的參數(shù)校準比較復雜，受到較多因素影響。定標的方法是通過確定吸收兩種不同波長的光的強度與血氧飽和度之間的一一對應的關系，之后對數(shù)據(jù)曲線進行擬合，確定定標曲線，進而確定血氧飽和度計算公式[9,10]。血氧飽和度定標方法有從人體上直接獲取參數(shù)曲線、模擬組織或模擬循環(huán)系統(tǒng)、動物實驗、脈搏血氧模擬儀四種方式，針對反射式血氧儀的特點和現(xiàn)有測量校準設備的情況，綜合分析后決定采用血氧模擬儀進行校準。

經(jīng)過定標曲線擬合后，確認相關參數(shù)，得到血氧計算公式（4）如下：

為了驗證血氧儀的準確度，招募20名志愿者，同時佩戴耳掛式反射式血氧儀和MASIMO rainbow指套式血氧儀，測量結果進行對比，測量血氧值91～100的范圍內系統(tǒng)的精度在2%以內。如表1所示（備注：表格中D表示為設計的耳掛式反射式血氧儀，M表示為MASIMO rainbow指套式血氧儀），其測試顯示，可能在較低血氧及低血氧人群的精度會稍差，這對后期算法優(yōu)化提供了方向和依據(jù)。

1.2.5 耳掛式血氧儀系統(tǒng)整體優(yōu)化和設計

系統(tǒng)的外觀設計，包括有彈性的入耳式血氧傳感器及其硅膠套部分的設計，并根據(jù)不同人內耳廓特點設計出不同尺寸大小，如圖11所示，外觀設計主要考慮材料的生物相容性、佩戴的舒適度、穩(wěn)定度，以及對不同耳形的貼合情況等人機工程學因素，最終實現(xiàn)了重量不超過25g，可連續(xù)100h檢測的血氧記錄儀設計，如圖12；并可通過手機App可實時觀測到血氧值、灌注指數(shù)、心率、血氧波形，如圖13。

表1.測試結果對比

表2.測試結果統(tǒng)計

圖11.不同大小入耳式傳感器

圖12.整體記錄儀外觀圖

圖13.手機App顯示圖

2.臨床前測試和驗證研究

通過研發(fā)相關人員、醫(yī)生志愿者、醫(yī)院招募實驗人員60人，每人手機實時測量10次，分別在日常生活中、常規(guī)醫(yī)院環(huán)境、居家環(huán)境等場所進行佩戴使用，耳掛式血氧儀與MASIMO rainbow血氧儀同時佩戴，評價和驗證的主要內容包括血氧測量值的準確度、佩戴者使用舒適度（必須連續(xù)使用3h以上）、信號穩(wěn)定程度、操作便捷程度、故障情況等。

參與測試的血人群的血氧值均為正常且均大于90%，其中出現(xiàn)17次準確度不滿足要求的情況，主要集中在血氧較低的實驗者，且本次測試沒涵蓋低血氧人群，算法參數(shù)的驗證還需進一步優(yōu)化完善，在佩戴舒適度和穩(wěn)定方面，由于測試人群耳朵形狀差異，對類似藍牙的設備的接受程度差異，耳廓結構的差異性等，導致部分佩戴者反饋佩戴不舒服，或存在信號不穩(wěn)定的問題，在整體外觀設計方面仍需更精細設計和優(yōu)化，整個測試中對便捷性滿意度較高，其中出現(xiàn)3次故障均是App軟件的問題。

3.結果與討論

本文設計了一種類似藍牙耳機的，佩戴于耳部的反射式血氧飽和度檢測儀。通過低功耗硬件電路設計的實現(xiàn)100h的連續(xù)的血氧監(jiān)測，基于朗博比爾定理推導得出反射式血氧的經(jīng)典算法，獲得血氧飽和度值，并將血氧數(shù)據(jù)存儲于設備中，可供后續(xù)回訪分析；通過招募志愿者開展MASIMO rainbow與本設計的對比實驗，進行參數(shù)校準和可靠性分析、初步證實在正常佩戴情況下，測量誤差在2%以內，滿足血氧測量要求，并驗證了測量的準確性和有效性。本設計可以長期佩戴測量且不影響正常的生活工作，實現(xiàn)佩戴者全程全信息的血氧檢測，可用于患者圍手術期、睡眠呼吸暫?；颊咚咧屑俺Ｒ?guī)家庭護理中血氧的監(jiān)測，具有較強的臨床價值和商業(yè)價值。未來需對算法進行優(yōu)化，提高準確度，并通過低血氧人群的測量數(shù)據(jù)開展準確度的驗證測試。本血氧飽和度記錄儀將開展相關醫(yī)療器械檢測相關安全、性能及EMC檢測，以滿足醫(yī)療器械的注冊要求和臨床使用要求。