綠光光電容積脈搏波測(cè)量生理參數(shù)的校準(zhǔn)技術(shù)

/上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

應(yīng)用于生理參數(shù)測(cè)量的光電容積描記法（Photoplethysmography,以下簡(jiǎn)稱PPG）是借助光電手段檢測(cè)血液容積變化的一種無創(chuàng)檢測(cè)方法。PPG信號(hào)包含了豐富的人體生理信息，是研究身體健康狀況的重要信息來源。其測(cè)量方式大致為通過向人體表皮如手腕、指尖、耳廓等發(fā)射光，并用傳感器接收經(jīng)人體反射或透射的光。由于皮下血管中血流的作用，反射或透射的光會(huì)包含隨血液循環(huán)變化的周期性的信號(hào)。理論上，該信號(hào)可實(shí)時(shí)反映人體的心率、血壓、血氧、腦氧、肌氧、血糖和呼吸率等與人體健康相關(guān)的重要生理信息[1]。

隨著傳感、光電、算法、集成等信息技術(shù)的發(fā)展，使用PPG技術(shù)，特別是綠光PPG技術(shù)的產(chǎn)品，如智能手環(huán)、手表、腕帶等在市場(chǎng)上越來越多[2][3]。這促使很多研究者開始研究其測(cè)量準(zhǔn)確性和可靠性的評(píng)價(jià)技術(shù)[4]。

針對(duì)上述問題，對(duì)人體脈搏波進(jìn)行仿真重建，旨在為針對(duì)綠光光電容積脈搏波測(cè)量心率的校準(zhǔn)技術(shù)提供信號(hào)源。

1 準(zhǔn)備工作

1.1 綠光PPG技術(shù)和紅光紅外光PPG技術(shù)在計(jì)量校準(zhǔn)中的區(qū)別

目前，市場(chǎng)上紅光紅外光PPG技術(shù)的主要應(yīng)用設(shè)備為指夾式脈搏血氧儀。針對(duì)該類測(cè)量設(shè)備，相關(guān)部門曾出臺(tái)JJG 1163-2019《多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀》檢定規(guī)程、JJF（滬） 5-2015《脈搏血氧計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》等技術(shù)依據(jù)，對(duì)其血氧飽和度和脈率的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行規(guī)范。

針對(duì)紅光紅外光PPG技術(shù)的校準(zhǔn)裝置，一般由血氧飽和度模擬儀構(gòu)成。其核心部件由信號(hào)源和紅光紅外光發(fā)光設(shè)備構(gòu)成[5]。與之不同的是，針對(duì)綠光PPG技術(shù)的校準(zhǔn)裝置的發(fā)光應(yīng)采用523 nm的綠光發(fā)光設(shè)備[6][7]。因此，針對(duì)綠光PPG技術(shù)的校準(zhǔn)裝置，應(yīng)嵌入新的仿真信號(hào)，作為校準(zhǔn)信號(hào)源來完成校準(zhǔn)工作。

1.2 仿真脈搏波信號(hào)的原則

一般認(rèn)為，健康人的手腕處和手指的壓力脈搏波一般由主波、重搏波和重搏前波構(gòu)成[8]。而光電容積脈搏波和壓力脈搏波的波動(dòng)信號(hào)來源于同一處，可以參考?jí)毫γ}搏波的波形信號(hào)進(jìn)行重建和仿真，從而形成可供計(jì)量測(cè)試應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)波形。

而在脈搏波的重建仿真研究方面，有學(xué)者應(yīng)用高斯重建方法，取得了良好效果。高斯重建方法的優(yōu)勢(shì)在于可以通過更改高斯函數(shù)的參數(shù)，來改變仿真脈搏波的波形[9]。這種優(yōu)勢(shì)，使得高斯重建方法經(jīng)常用于脈搏波的病理研究。但是針對(duì)光電容積脈搏波監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的計(jì)量測(cè)試技術(shù)，更加側(cè)重于脈搏波的時(shí)間頻率、相鄰波峰的距離等因素，從而能對(duì)其反映的心率參數(shù)做出評(píng)價(jià)。因此，其所需的仿真脈搏波信號(hào)需要具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

1）穩(wěn)定的波形且高斯函數(shù)的參數(shù)固定。

2）能夠有效輸出主波波峰較為明顯的波形。

綜上所述，本文將采用多項(xiàng)式曲線擬合重建，對(duì)脈搏波進(jìn)行仿真。

2 實(shí)驗(yàn)與方法

采用的數(shù)據(jù)來自于MIMIC數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫是國際開放人體生理監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)庫之一。該數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來自長(zhǎng)期的人體生理監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)的采集，被世界范圍內(nèi)的研究者廣泛采用，具有很強(qiáng)的代表性[10]。本文主要使用了該數(shù)據(jù)庫下 MIMIC II Waveform Database的PPG信號(hào)數(shù)據(jù)。基于MATLAB環(huán)境，利用其工具箱中的plotATM工具，得到靜息狀態(tài)下的PPG信號(hào)，提取波形如圖1所示。

圖1 國際數(shù)據(jù)庫的PPG信號(hào)

根據(jù)圖1數(shù)據(jù)，選取一個(gè)較為顯著的周期，提取數(shù)據(jù)后進(jìn)行重新采樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 原始數(shù)據(jù)和重新采樣后波形

本文對(duì)重新采樣的波形進(jìn)行了多項(xiàng)式曲線擬合，為得到最佳的擬合效果，分別進(jìn)行5項(xiàng)、9項(xiàng)和13項(xiàng)多項(xiàng)式曲線擬合，得到圖3圖形。為避免過擬合和欠擬合現(xiàn)象，舍去更高階和更低階的多項(xiàng)式擬合。通過觀察可以得到9項(xiàng)多項(xiàng)式曲線擬合的效果最為逼真。

圖3所示為多項(xiàng)式曲線擬合效果，其中圖3（a）為5項(xiàng)多項(xiàng)式曲線擬合，圖3（b）為9項(xiàng)多項(xiàng)式曲線擬合，圖3（c）為13項(xiàng)多項(xiàng)式曲線擬合。

圖3 多項(xiàng)式曲線擬合效果

另外，在9項(xiàng)多項(xiàng)式曲線擬合的方法下，根據(jù)圖1的其他波形，對(duì)模擬脈搏波的波形的重搏和重搏前波進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，使其更加符合人體脈搏波的起伏規(guī)律。經(jīng)過調(diào)整重建，波形如圖4所示。

圖4 經(jīng)調(diào)整重建的波形

將上述波形所代表的信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)的單周期仿真PPG信號(hào)。作為校準(zhǔn)裝置的信號(hào)源，上述波形信號(hào)被進(jìn)一步制作為周期性穩(wěn)定輸出的信號(hào)，如圖5所示。其周期和幅值都可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。

圖5 穩(wěn)定輸出的仿真信號(hào)波形

3 結(jié)語

觀察圖1中的原始數(shù)據(jù)和圖5的仿真信號(hào)，本文所制作的仿真信號(hào)基本模擬了真實(shí)PPG信號(hào)的波形特征，具有良好的效果。

通過對(duì)綠光光電容積脈搏波測(cè)量生理參數(shù)的校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行研究，分析綠光PPG技術(shù)和紅光紅外光PPG技術(shù)在計(jì)量測(cè)試工作中的差異，得出了針對(duì)綠光PPG的某些校準(zhǔn)技術(shù)特性，從而確定了所需信號(hào)源的特點(diǎn)和制作原則。本文選取合適的算法，仿真了綠光PPG脈搏波并取得良好效果，為校準(zhǔn)裝置的研制提供了信號(hào)源。