基于光電容積脈搏的血氧飽和度檢測系統(tǒng)

基于光電容積脈搏的血氧飽和度檢測系統(tǒng)

1生產及臨床應用的脈沖血氧飽和度檢測儀器動脈血氧飽和度檢測系統(tǒng)是一種簡單、無創(chuàng)傷、可連續(xù)監(jiān)測人體動脈血氧飽和度（so2）的新醫(yī)療監(jiān)測裝置。它可快速、準確地測定SaO2、脈率,反映血流及血液充盈肢體的狀況,幫助醫(yī)生了解病人血液攜帶氧的能力。隨著其性能的日益完善和價格的日趨便宜,現正廣泛地使用在肺科、麻醉科、手術室、急救室、危重病人監(jiān)護病房等多種科室及救護車、直升機等場合。目前,國內外生產和臨床應用的脈搏血氧飽和度檢測系統(tǒng)主要包括脈搏血氧儀和脈搏血氧監(jiān)護模塊兩種形式,系統(tǒng)設計多采用雙光束透射方式。首先根據氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)在紅光和近紅外光區(qū)域的吸收譜特性,取紅光和近紅外光分別照射所要測量的部位(例如手指尖部、腳趾、耳垂),然后用光敏元件探測透過組織的光,計算出紅光透射光強與近紅外光透射光強交直流分量之比,根據Lambert-Beer法則以及通過經驗定標曲線最終求出氧飽和度。在實際臨床使用中,儀器處于不同的工作環(huán)境,往往受到各種干擾的影響,從而給光電容積脈搏波信號的提取帶來困難,導致血氧飽和度測量不夠準確甚至發(fā)生錯誤,影響了儀器的正常使用。這些干擾主要包括環(huán)境光、暗電流、工頻、周圍儀器產生的電磁場、高頻電刀以及病人的運動等諸多方面。除此之外,病人弱充盈時脈搏波易受干擾,波形較差,也會影響儀器的正常使用。因此,消除干擾,提高信號質量是脈搏血氧飽和度檢測系統(tǒng)設計中需要重點解決的問題之一。2干擾消息的來源及其處理方法2.1在系統(tǒng)設計方面的應用脈搏血氧飽和度檢測以光電檢測技術為基礎,因此,周圍雜散光、暗電流對系統(tǒng)影響比較大,尤其是在手術室中使用。用熒光燈照射血氧儀,結果發(fā)現顯示的血氧飽和度值急劇下降,血氧儀無法正常工作。為了克服這一問題,目前人們主要采取了兩種措施,一方面改進血氧儀探頭的結構、形狀和制作材料(用不透明的材料制作);另一方面在系統(tǒng)設計中采用光的調制技術。調制就是使光的強度、振幅、頻率或相位等某一個(或幾個)參數按一定規(guī)律變化。調制的任務就是要把所傳輸的信息以信號變化的形式載到光波上去。從信息攜帶與檢出要求看,調制光在傳輸和探測過程中比非調制光具有更高的探測能力和更優(yōu)良的品質。采用調制光攜帶信息可使光信號自身具有與背景輻射不同的特征,有利于和背景輻射區(qū)分開。除了抑制背景光干擾外,調制對抑制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的固有噪聲和外部電磁場干擾也有一定作用。脈搏血氧儀的光調制一般是在單片機的控制下,按照一定時序分別發(fā)放兩個發(fā)光二極管的驅動脈沖序列信號,依照一定頻率依次產生紅光、紅外光和暗光三種狀態(tài),將光電容積脈搏波信號調制成脈沖調幅波。調制時信號被按時間取樣,取樣的數據與脈沖參數一一對應。只要取樣頻率大于信號最高次斜波頻率的2倍,最后經解調等處理環(huán)節(jié)就能將已調制的數字信號恢復成模擬信號。2.2高頻電刀干擾的去除工頻干擾通常采用低通濾波器或陷波器消除。目前,對周圍其它儀器產生的電磁干擾則主要采用高階模擬低通濾波器處理。另外,由于光電容積脈搏波信號較弱,弱充盈時信號幅度可達到直流吸收分量的0.5%,因此,為了盡量避免周圍其它電磁干擾的影響,往往在光敏管檢測電路的信號輸入放大級端加屏蔽罩。但長期以來對高頻電刀干擾的去除一直都是一個較為棘手的問題。高頻電刀借助于高頻電弧放電,在生物體表面產生極強電流密度,使生物體組織被爆發(fā)性地蒸發(fā)飛散,達到切割組織的目的。高頻電刀的頻率可達300k~200kHz。在使用高頻手術電刀時,身體界面是一整流器,它檢出高頻載波中的低頻包絡成分,該成分進入血氧儀,形成干擾,使血氧儀喪失監(jiān)護功能。因此,高頻電刀產生的干擾不僅存在于高頻段,而且在低頻部分也存在,恰與脈搏波頻譜有部分重疊,故用傳統(tǒng)的低通濾波器無法完全消除這種干擾。目前常見的措施是在信號輸入級加入一個雙線并繞的線圈來抑制高頻電刀的影響,如BCI血氧檢測模塊設計,但其效果仍較為有限,而且據醫(yī)生反映,目前所使用的脈搏血氧儀大多在抗高頻電刀干擾方面的能力能比較差。有些產生測量錯誤,有些出現死機現象,無法正常工作,因此,提高脈搏血氧儀抗高頻電刀干擾的能力是一個急待解決的問題。2.3新型生物資本的正確檢測病人身體的運動會造成血液充盈狀況、光路徑長度等因素發(fā)生變化,從而使測量結果無法正確地反映病人實際血氧飽和度的情況,我們把這種干擾稱為運動偽差(MA)。由于運動偽差的形成機理使它無法用傳統(tǒng)的濾波器來處理,因此對運動偽差的剔除長期以來也是脈搏血氧儀設計中的一個重點和難點,尤其隨著脈搏血氧儀應用的日趨廣泛,在對嬰幼兒、胎兒的監(jiān)護中,這一問題顯得尤為突出。而當今國內外一些知名廠家生產的脈搏血氧儀在對運動偽差的抑制方面效果并不理想。BarkerSJ等測試了三種常用的脈搏血氧儀剔除運動偽差的能力。結果表明,在運動存在的情況下,Nellcor的N-200的正確檢測率(正確報警數/總報警數)在70%左右,N-3000在80%左右,Masimo的正確檢測率在90%左右。盡管新型脈搏血氧儀比老式儀器抗干擾能力強,但精度仍不夠高,還需進一步完善和提高。而據我們所知,國內生產的脈搏血氧儀在抗干擾尤其是抗運動偽差方面的能力更為有限。因此,探索一種切實可行的去除運動偽差干擾的方法已成為當前加強脈搏血氧儀制造和使用中的質量控制和更好推廣應用這一新技術的關鍵問題之一。目前,人們在這方面已做了大量研究工作[11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21],其中有代表性的方法主要分為三類。2.3.1限幅取值的計算這類方法在目前生產的脈搏血氧儀中較為多見。主要有移動平均和限幅取值。移動平均是用最近的SaO2值代替最老的SaO2值,然后將n個SaO2作算術平均,用平均值代替瞬時值作為現在的SaO2。移動平均能減小由于病人無意識地手指彎曲、身體運動等產生的一過性干擾的影響。但對氧飽和度的變化無法積極響應。限幅取值是把兩次相鄰的脈搏波算出的吸光度變化值相減,求其增量的絕對值,然后與允許的最大差值相比,如果小于或等于,則取本次值,如果大于則取上次值作為本次值。限幅取值在一定程度上能夠剔除一過性干擾,對氧飽和度變化能夠作出積極響應,但顯示的數據不夠穩(wěn)定。近年來,Snacker等通過實驗證明,不論對嬰幼兒、成人還是兒童,脈搏波的收縮時間一般都是在一個恒定的、相對較小的范圍內變化。當受到運動干擾時,收縮期會發(fā)生較明顯的變化。因此,他們通過測量收縮期時間作為判定波形受干擾與否的標準,取得較好的實驗效果。2.3.2統(tǒng)計分析手段這類方法的特點是用高等數學、概率統(tǒng)計等手段,分別確定出理想信號和干擾信號的大小,從而推導計算出SaO2。其中較為典型的有以下兩種方法。2.3.2.建立歷史方程運動補償不以設法減小噪聲信號為目的,而是從噪聲的特點出發(fā),計算出理想信號和噪聲信號。首先,雖然運動信號在不同波長的光中幅度不同,但在同一時間,可以假定它們是成一定比例的。根據Lambert-Beer法則,有I(λ,t)=I0(λ)exp(-(sβ0(λ)+(l-s)βr(λ))l(t)(1)其中,s為氧飽和度;λ為光波長;t為時間;I0為入射光強;I為透射光強;β0、βr分別為氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的吸收系數;l為光路徑。我們可以用一個與波長無關而與時間有關的函數η(t)表示運動或噪聲項。于是,方程(1)可改寫為:I(λ,t)=I0(λ)η(t)exp(-(sβ0(λ)+(1-s)βr(λ))l(t)(2)取對數并對時間求導,得到波長λi時:dlnI(λi)/dt=dlnη(t)dt+(βr(λi)-β0(λi))sdl(t)/dt-βr(λi)dl(t)/dt(3)式(3)中,s,dl/dt,dlnη/dt為未知數。要想求得s,需建立三個方程。于是,只要引入三束不同波長的光,通過方程聯立求解,便可得到氧飽和度值s。2.3.2.氧飽和度t的計算這一方法是利用數學上的分維理論對波形進行分析,然后通過數學推導確定SaO2。分維理論來自于分形幾何學。分形(fractal)幾何是數學家曼德布羅特于1975年創(chuàng)立的一個新概念。它是研究和處理自然與工程中不規(guī)則圖形的強有力的理論工具。分維就是分維數,是對分形的描述和量度。受干擾的脈搏信號被視為不規(guī)則圖形,可用分維理論加以分析。脈搏信號可分兩個部分,理想信號和噪聲信號。于是,對紅光和紅外光,可得兩個方程:R(t)=R*(t)+N(t)(4)r(t)=r*(t)+n(t)(5)其中,R*(t),r*(t)分別為理想紅光和紅外光信號。N(t),n(t)分別為紅光和紅外光中的噪聲干擾部分。設:α=R*(t)/r*(t)(6)β=N(t)/n(t)(7)根據生物信號的特點,氧飽和度在100%~0%之間,對應α應在0.3~3之間。于是,0.3<α<β<3(8)由于氧飽和度隨時間變化很緩慢。于是,可認為在計算過程中,氧飽和度為恒定,因而α、β可視為比例常量。由方程(4)~(7)可求得:R*(t)=(R(t)-αβr(t))/(α-β)(9)r*(t)=(R(t)-βr(t))/(α-β)(10)N(t)=(αβr(t)-βR(t))/(α-β)(11)n(t)=(αr(t)-R(t))/(α-β)(12)假定理想信號與噪聲信號無關,r*(t)與n(t)正交,則:∫r*(t)n(t)dt=0(13)∫r?(t)n(t)dt=0(13)將(10)、(12)代入(13)得:∫(αr(t)-R(t))(R(t)-βr(t))(α-β)2dt=0(14)∫(αr(t)?R(t))(R(t)?βr(t))(α?β)2dt=0(14)求解(14)得:α=∫R(t)2dt-β∫R(t)r(t)dt∫R(t)r(t)dt-β∫r(t)2dt(15)α=∫R(t)2dt?β∫R(t)r(t)dt∫R(t)r(t)dt?β∫r(t)2dt(15)β=∫R(t)2dt-α∫R(t)r(t)dt∫R(t)r(t)dt-α∫r(t)2dt(16)β=∫R(t)2dt?α∫R(t)r(t)dt∫R(t)r(t)dt?α∫r(t)2dt(16)由(15)、(16)可知,α、β是對稱的,只要確定出α或β則可求得SaO2。波形可用分維的概念進行描述。越復雜的波形其分維數越大。若用FD表示分維,則有:FD(r*(t))<FD(n(t))(17)根據式(9)~(12)和(15)、(16),可構造一函數:s(t,θ)=(R(t)-θr(t))(∫R(t)r(t)dt-θ∫r(t)2dt)∫(R(t)-θr(t))2dt(其中,0.3<θ<3)(18)根據式(10)、(12)、(15)有:s(t,θ)=n(t)(θ=α)(19)s(t,θ)=r*(t)(θ=β)(20)由分維波形分析理論得:FDs(θ)=FD(s(t,θ))=log(∑(s2(i+1,θ)-s2(i,θ))1/2)log(max(s2(i,θ)-s2(0,θ))1/2)(21)根據式(17)、(19)、(20)得:FDs(θ)=FD(n(t))=max(θ=α)(22)FDs(θ)=FD(r*(t))=min(θ=β)(23)在0.3<θ<3.0范圍內,找出波形FDs(θ)的最大值,它所對應的θ即為α,于是,便于求得SaO2。2.3.3檢測運動信號這類方法的目的在于通過一些特殊的濾波或變換方式從噪聲中提取理想信號成分,同時抑制噪聲,以提高信號噪聲比(SNR)。文獻報道中自適應濾波處理方法較為多見。在自適應處理過程中,問題主要集中在如何獲得噪聲參考信號nT上。nT要求與理想信號無關,而與噪聲有關。目前主要有檢測和計算兩種方法。檢測法是通過專門的傳感器測試運動信號。例如,Swedlow等為獲得運動偽差的參考信號nT,使用了一塊壓電薄膜放在接近血氧儀傳感器的位置,每當近測量端有運動時,壓電薄膜便會感知這種運動并將運動信號轉換成電信號,以此作為自適應處理的噪聲參考信號nT。除了壓電薄膜外,還可用過載傳感器和應變電阻片來測量運動信號。這些方法在計算上較簡單,但需要增加額外的硬件設備。計算法是利用紅光、紅外光以及噪聲信號的特點,通過計算求出噪聲參考信號。例如,Diab等利用三束不同波長的光,其中兩束光要求對氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的吸收系數應滿足一定的比例關系,從而可通過三個方程聯立求出噪聲參考信號。除此之外,對運動偽差的去除還可以將幾種方法結合起來使用。例如,用過載傳感器檢測運動信號,一旦運動被檢測到,