專利名稱：能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量心和血氧的方法和裝置，尤其涉及利用對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行信號(hào)變換以排除由于運(yùn)動(dòng)而干擾測(cè)量精度的測(cè)量方法和裝置。
背景技術(shù)：
目前國(guó)內(nèi)外血氧飽和度測(cè)量裝置的基本結(jié)構(gòu)包括血氧探頭和信號(hào)處理裝置，血氧探頭是一個(gè)采用發(fā)光二極管和光敏元件組成的傳感器。發(fā)光二極管提供兩種或兩種以上波長(zhǎng)的光。光敏元件的作用是把通過(guò)組織末端的帶有血氧飽和度信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并將此信號(hào)數(shù)字化。對(duì)于此數(shù)字量，采用某種信號(hào)處理算法計(jì)算出的血氧飽和度。
由于對(duì)病人進(jìn)行血氧監(jiān)測(cè)時(shí)，病人手指(或腳趾)經(jīng)常會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，使手指(或腳趾)與傳感器之間的距離發(fā)生位移，從而導(dǎo)致測(cè)量得到的病人脈搏波形很不穩(wěn)定，信噪比很低，采用現(xiàn)有方法測(cè)量血氧，需要測(cè)量脈搏波形的交流成分，也就是要尋找脈搏波形中最大值和最小值，而運(yùn)動(dòng)情況下經(jīng)常導(dǎo)致對(duì)脈搏波形中的波峰和波谷的錯(cuò)誤尋找，很難得到準(zhǔn)確的最值，從而使得此時(shí)的血氧測(cè)量的精度很差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種能有效減少由于運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響的血氧飽和度的測(cè)量方法和裝置。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案設(shè)計(jì)一種能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量方法，該方法包括如下步驟a.探頭將檢測(cè)到的帶有脈搏波及血氧飽和度信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行放大處理后，被送入A/D轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字信號(hào)；b.A/D轉(zhuǎn)換模塊把經(jīng)放大處理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；k.A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)被送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算；其特征在于所述單片機(jī)所進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算包括如下步驟l.把脈搏波和血氧波形看作某種波形與噪音的疊加，由此把反映血氧波形特性的紅光和紅外光脈搏波信號(hào)的時(shí)間序列表示為不同頻段波譜的合成，即對(duì)原始數(shù)據(jù)的時(shí)間序列進(jìn)行波譜展開，在波譜空間中，血氧波形的運(yùn)動(dòng)噪音被變換成為一個(gè)常數(shù)；m.對(duì)上述原始數(shù)據(jù)的波譜表達(dá)式進(jìn)行微分運(yùn)算，作為常數(shù)的運(yùn)動(dòng)噪音微分后為零，即通過(guò)微分運(yùn)算濾掉了運(yùn)動(dòng)噪音；
n.原始數(shù)據(jù)的緩慢基線漂移在波幅時(shí)間坐標(biāo)系中表現(xiàn)為一條斜線，有物理意義的波形疊加在該斜線上，通過(guò)歸一化處理濾掉基線漂移噪音；o.對(duì)抖動(dòng)引起的噪音，在波幅時(shí)間坐標(biāo)系中表現(xiàn)為躍階噪音或δ函數(shù)的脈沖噪音，該躍階噪音和δ函數(shù)的脈沖噪音分別通過(guò)相鄰3數(shù)據(jù)點(diǎn)取中間值和相鄰5數(shù)據(jù)點(diǎn)取中間值被過(guò)濾掉；p.通過(guò)對(duì)在波譜空間中已消除了基線漂移、躍階噪音和脈沖噪音的紅光和紅外光脈搏波信號(hào)進(jìn)行對(duì)采樣時(shí)段的面積積分運(yùn)算還原所述脈搏波和血氧波形；q.引進(jìn)在0和1之間取值的遺忘因子λ來(lái)消除長(zhǎng)時(shí)間積分的數(shù)據(jù)飽和現(xiàn)象，即對(duì)測(cè)量時(shí)刻以及之前一個(gè)合理時(shí)段的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行迭代來(lái)獲得該測(cè)量時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果，迭代時(shí)越接近所述測(cè)量時(shí)刻的數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算結(jié)果的貢獻(xiàn)越大；r步驟I獲得的脈搏波和血氧飽和度計(jì)算結(jié)果通過(guò)與所述單片機(jī)的串口向外輸出。
所述用于波譜展開的函數(shù)是正弦波函數(shù)、余弦波函數(shù)或能構(gòu)成完備正交系的其他函數(shù)。所述步驟h的積分時(shí)段為2至3秒；所述遺忘因子λ取值為0.8，引進(jìn)該遺忘因子λ的迭代關(guān)系式如下RedACIrAC=RedAC0+λRedAC1+Λ+λnRedACnIrAC0+λIrAC1+Λ+λnIrACn.]]>所述探頭利用兩路光透過(guò)組織末端進(jìn)行采樣測(cè)量；其中一路為紅光，相應(yīng)的數(shù)據(jù)積分結(jié)果為該段時(shí)間內(nèi)接收的紅光強(qiáng)度交流峰峰值，另一路為紅外光，相應(yīng)的數(shù)據(jù)積分結(jié)果為該段時(shí)間內(nèi)接收的紅外光強(qiáng)度交流峰峰值。
在步驟a之前還包括系統(tǒng)上電、硬件初始化、CPU系統(tǒng)自檢和程序初始化的采樣準(zhǔn)備過(guò)程。
本發(fā)明所采取的技術(shù)方案還包括一種能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量裝置，包括順序連接的探頭組件、信號(hào)放大處理組件、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理組件、邏輯控制模塊和電源電路，其特征在于所述單片機(jī)數(shù)據(jù)處理組件包含運(yùn)動(dòng)干擾消除模塊，該運(yùn)動(dòng)干擾消除模塊的輸出端分別連接A/D轉(zhuǎn)換和邏輯控制及功能模塊。
所述運(yùn)動(dòng)干擾消除模塊包括順序單向連接的脈搏波參數(shù)計(jì)算、微分處理模塊、中值濾波模塊、積分還原模塊的面積積分遞歸模塊，該面積積分遞歸模塊的輸出結(jié)果用于計(jì)算脈搏波和血氧飽和度。
所述探頭組件包括紅光、紅外光源及其光驅(qū)動(dòng)電路和受光管。所述信號(hào)放大處理部分包括差分放大電路和信號(hào)處理電路。
所述邏輯控制及功能模塊包括安全功能和通訊功能；所述全功能包括由傳感器脫落、搜索脈搏、搜索脈搏太長(zhǎng)和血氧飽和度下降所組成的測(cè)量狀態(tài)標(biāo)志和完成出錯(cuò)報(bào)告的模塊自檢；所屬通訊功能包括接收命令和發(fā)送數(shù)據(jù)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量方法及其裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)采用對(duì)脈搏信號(hào)微分進(jìn)行白化處理，增加了對(duì)脈搏波形最值尋找的可靠性。進(jìn)而對(duì)脈搏信號(hào)面積積分代替了傳統(tǒng)方法中對(duì)波形峰值的尋找。不需要對(duì)每個(gè)脈搏波形尋找到準(zhǔn)確的最值，只需對(duì)一段時(shí)間的脈搏波形進(jìn)行積分。由于一段時(shí)間內(nèi)噪音的積分趨于零，對(duì)脈搏波的積分可以去掉噪音的影響，可以證明脈搏波積分的結(jié)果等同于脈搏波的交流成分，因而可以利用積分結(jié)果計(jì)算血氧飽和度，該血氧飽和度的計(jì)算結(jié)果基本濾掉了由于病人手指運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。


圖1是本發(fā)明能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量裝置的原理方框圖；圖2是還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白在紅光和紅外光區(qū)的光吸收系數(shù)的變化曲線；圖3是被測(cè)量人體組織的吸光示意圖；圖4是包含噪音的脈搏波波形；圖5是包含基線漂移的脈搏波波形圖；圖6是消除基線漂移的脈搏波波形圖；圖7是包含階躍噪音的脈搏波波形圖；圖8是微分后包含階躍噪音的脈搏波波形圖；圖9是包含脈沖噪音的脈搏波波形圖；圖10是微分后包含脈沖噪音的脈搏波波形圖；圖11是微分后包含噪音的與圖4對(duì)應(yīng)的脈搏波波形圖；圖12是脈搏波波形面積積分波形圖；圖13是運(yùn)動(dòng)噪音消除模塊和功能模塊的構(gòu)成圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖及附圖所示之實(shí)施例對(duì)本發(fā)明裝置和方法作進(jìn)一步詳述。
如圖1所示，本發(fā)明一種能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量裝置包括順序連接的探頭組件、信號(hào)放大處理組件、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理組件、邏輯控制模塊和電源電路。本發(fā)明裝置區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的關(guān)鍵之處在于所述單片機(jī)數(shù)據(jù)處理組件包含了運(yùn)動(dòng)干擾消除模塊，該運(yùn)動(dòng)干擾消除模塊的輸出端分別連接A/D轉(zhuǎn)換和邏輯控制及功能模塊。
所述探頭組件包括紅光、紅外光源及其光驅(qū)動(dòng)電路和受光管。所述信號(hào)放大處理部分包括差分放大電路和信號(hào)處理電路。
圖13是運(yùn)動(dòng)噪音消除模塊和功能模塊的構(gòu)成圖。所述運(yùn)動(dòng)干擾消除模塊包括順序單向連接的脈搏波參數(shù)計(jì)算、微分處理模塊、中值濾波模塊、積分還原模塊的面積積分遞歸模塊，該面積積分遞歸模塊的輸出結(jié)果用于計(jì)算脈搏波和血氧飽和度。所述邏輯控制及功能模塊包括安全功能和通訊功能；所述全功能包括由傳感器脫落、搜索脈搏、搜索脈搏太長(zhǎng)和血氧飽和度下降所組成的測(cè)量狀態(tài)標(biāo)志和完成出錯(cuò)報(bào)告的模塊自檢；所屬通訊功能包括接收命令和發(fā)送數(shù)據(jù)。
各部分的功能如下電源電路輸入為±12V交、直流電源，輸出兩組電源——數(shù)字+5V、模擬±5V，該電路為整個(gè)血氧板提供電源。
光電驅(qū)動(dòng)電路受邏輯控制部分的調(diào)節(jié)，輸出不同幅度的電流驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，以保證受光管能輸出一定幅度的信號(hào)。
探頭將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，送入信號(hào)放大處理部分，經(jīng)差分放大、背景光電流剪除處理、增益調(diào)節(jié)、偏置電流剪除處理，最后送A/D轉(zhuǎn)換。
A/D轉(zhuǎn)換部分將經(jīng)放大處理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后送單片機(jī)處理。
單片機(jī)數(shù)據(jù)處理部分將A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)處理、計(jì)算，得到脈搏波和血氧飽和度。
脈搏波和血氧飽和度數(shù)據(jù)還通過(guò)串口向外發(fā)送，并有光耦加以隔離。
此外，單片機(jī)對(duì)各個(gè)部分的控制是通過(guò)邏輯控制部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如探頭發(fā)光時(shí)序控制、驅(qū)動(dòng)電流控制、偏置電流控制、背景光剪除控制、信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換控制等。
下面簡(jiǎn)述本發(fā)明裝置的工作原理。
脈搏式血氧計(jì)是利用脈搏波造成的人體組織末端內(nèi)動(dòng)脈血的搏動(dòng)，由于氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白在紅光光譜區(qū)和紅外區(qū)的光學(xué)特性不同，從而影響手指對(duì)紅光和紅外光的透光性，當(dāng)一定光強(qiáng)的紅光和紅外光加到手指上時(shí)，通過(guò)分別檢測(cè)兩種波長(zhǎng)的透射光強(qiáng)，可以通過(guò)手指對(duì)兩種光光密度變化量的比值計(jì)算出氧合血紅蛋白的含量，從而計(jì)算出血氧飽和度。
通常，用分光光度法測(cè)量血氧飽和度，其中有透射光法和反射光法。均以朗伯-比爾定律和光散射理論為基礎(chǔ)，利用還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白的光吸收系數(shù)的差別來(lái)進(jìn)行。如圖2所示。朗伯-比爾定律是I＝I0e-εcd其中，I透射光強(qiáng)；I0λ射光強(qiáng)；C受光物質(zhì)溶液濃度；d溶液受光路徑長(zhǎng)度；ε物質(zhì)的光吸收常數(shù)；由上式推出D＝lnI0/I＝εcdD稱光密度。由此公式已經(jīng)發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的光吸收情況與其濃度的相關(guān)性，這也正預(yù)示著由組織的光吸收情況推算組織內(nèi)部成分的可能性。
研究人員們又進(jìn)一步地研究了與血氧飽和度密切相關(guān)的兩大組分Hb和HbO2的光吸收特性，發(fā)現(xiàn)了兩者的顯著差別，如圖2的血紅蛋白吸光曲線所示。由圖2可以看到，在波長(zhǎng)為660nm的可見紅光處HbO2的光吸收系數(shù)僅為Hb的1/10，在805nm的紅外光處Hb與HbO2有一等吸收點(diǎn)，而在940nm的紅外光區(qū)HbO2的光吸收系數(shù)則大于Hb。
SaO2＝HbO2/(Hb+HbO2)＝C1/(C1+C2) (1)D(660)=lnI0(660)/I(660)=ln(I0(660)/(660)e-ϵ1c1de-ϵ2c2d)=ϵ1c1d+ϵ2c2d---(2)]]>D(805)=lnI0(805)/I(805)=ln(I0(805)/I(805)e-ϵ3c1de-ϵ4c2d)=ϵ3c1d+ϵ4c2d---(3)]]>其中，SaO2為動(dòng)脈血氧飽和度；C1為HbO2濃度，C2為Hb濃度；I0、I分別為入射光和透射光的光強(qiáng)；ε1、ε2分別為HbO2、Hb對(duì)660nm波長(zhǎng)的紅光的吸收率；ε3、ε4分別為HbO2、Hb對(duì)805nm波長(zhǎng)的紅外光的吸收率，且ε3＝ε4＝ε；d為透射組織厚度；由(2)、(3)得C1+C2=D(805)/εd；C1＝(D(660)-ε2D(805)/ε)/(ε1-ε2)d；代入(1)得SaO2＝A×D(660)/D(805)+B (4)其中，A=ε/(ε1-ε2)；B＝ε2/(ε1-ε2)；但是，D(660)、D(805)并非如在上面(2)、(3)式所表達(dá)的那樣僅僅與Hb和HbO2有關(guān)，而是與組織中肌肉、骨骼、色素、脂肪、靜脈血等的吸收情況有關(guān)，即D(660)、D(805)還應(yīng)包含一個(gè)本底吸收部分，如圖3所示。因此(2)、(3)式演化為D(660)=lnI0(660)/I(660)=ln(I0(660)/IBe-ϵ1c1Δde-ϵ2c2Δd)---(5)]]>D(805)=lnI0(805)/I(805)=ln(I0(805)/IBe-ϵ3c1Δde-ϵ4c2Δd)---(6)]]>其中I0為僅有組織的本底吸收時(shí)的透射光強(qiáng)，Δd為由無(wú)血到血液充盈帶來(lái)的透射距離的改變。很容易地，定義本底光密度DB∶DB＝ln(I0/IB)；從而，可以得到D(660)-DB(660)=ε1C1Δd+ε2C2Δd(7)D(805)-DB(805)＝ε3C1Δd+ε4C2Δd (8)其中ε3=ε4＝ε，(4)式因此演化為SaO2＝A×(D(660)-DB(660))/(D(805)-DB(805))+B(9)
A、B同上。公式(9)是檢測(cè)血氧飽和度的基本公式。
在通常的檢測(cè)中，往往不用波長(zhǎng)805nm的紅外光，因?yàn)橐@得這一等吸收點(diǎn)的精確值是比較困難的，由此帶來(lái)的誤差也比較大；常用的紅外光波長(zhǎng)為940nm左右，這一波長(zhǎng)附近HbO2、Hb的吸收率變化都比較平緩，誤差往往比較小。由于采用了波長(zhǎng)940nm的紅外光，式(8)中的ε3≠ε4，公式(10)進(jìn)一步演化為Spo2＝(A×R+B)/(C×R+D) (10)其中，SpO2為脈搏血氧飽和度，其近似為SaO2；A＝ε1；B＝-ε2；C＝ε4-ε3；D＝ε1-ε2；而R=D(660)-DB(660)D(940)-DB(940),---(11)]]>由式可知，R與血氧飽和度是一一對(duì)應(yīng)的。而D＝LnI0/I＝εcd則R=lnIR0/IRM-lnIR0/IRmlnII0/IIM-lnII0/IIm=lnIRm/IRmlnIIm/IIM---(12)]]>式中，IRM為紅光最大透射光，IRm為紅光最小透射光，IR0為紅光入射光。IIM為紅外最大透射光，IIm為紅外最小透射光，II0為紅外入射光。對(duì)于紅光，InIRm/IRM=ln(1-IRM-IRmIRM),---(13)]]>當(dāng)脈動(dòng)量/直流量即(IRM-IRm)/IRM較小時(shí)， 所以R可以寫成如下形式R=RedAC/RedDCIrAC/IrDC]]>因此如果知道兩種透射光在一個(gè)完整脈搏波中的波形就可以計(jì)算出R值。
1、運(yùn)動(dòng)噪音對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響從上面的公式可以得出，當(dāng)發(fā)光管固定后，(10)式中只有R為變量，在一段時(shí)間內(nèi)紅光與紅外光的直流分量也是比較穩(wěn)定的，而影響R的主要因素為這兩路光的交流分量。傳統(tǒng)的計(jì)算交流分量的方法就是通過(guò)尋找兩路光的最大值和最小值的方法得到。但是，這種方法存在很大的缺陷，當(dāng)病人處于運(yùn)動(dòng)的條件下。對(duì)此時(shí)波形的尋找非常困難，由于對(duì)脈搏波波峰、波谷的尋找會(huì)出現(xiàn)誤差，因此得到的交直流的比值也可能是錯(cuò)誤的，血氧及脈率的測(cè)量結(jié)果很難保證正確。如圖4所示，運(yùn)動(dòng)條件下的脈搏波會(huì)發(fā)生基線漂移、脈沖噪音、階躍噪音等情況，此時(shí)很難準(zhǔn)確地判斷兩路光的最值。
2、如何消除噪音對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響為解決這個(gè)問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種對(duì)信號(hào)進(jìn)行微分和漸近積分的算法，可以有效地遏制在運(yùn)動(dòng)條件下噪聲對(duì)信號(hào)波形的干擾，并且從理論上可以證明這種算法得到的血氧值與在沒有運(yùn)動(dòng)干擾的情況下采用尋找波形交流分量的算法是等價(jià)的，因此本發(fā)明的算法解決了運(yùn)動(dòng)條件下測(cè)量不準(zhǔn)確的問題。下面通過(guò)一個(gè)具體實(shí)施例介紹該算法模塊的步驟及原理。
測(cè)量得到的兩路光數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)歸一化后，可以得到兩路光的直流比 ，歸一化后的血氧波形可以看作理想情況下的波形與噪音的合成，而理想情況下的血氧波形，無(wú)論紅光波形還是紅外光波形，都可以看作是不同頻段的余弦波的合成Red＝a0cos(ωt)+a1cos(2ωt)+Λ+an-1cos(ωt)+nRcd＝Redsig+nRcd(14)Ir＝b0cos(ωt)+b1cos(2ωt)+Λ+bn-1cos(nωt)+nIr＝Irsig+nIr(15)其中a0、a1、...an-1為紅光頻譜第n階分量，nRed為紅光中的噪音成分，其中包含了白噪音和非白噪音，b0、b1、...bn-1為紅光頻譜第n階分量，nIr為紅外光中的噪音成分，其中包含了白噪音和非白噪音。本實(shí)施例采用余弦波作為波譜展開函數(shù)，實(shí)際上還可以使用正弦波或其他能構(gòu)成完備正交系的函數(shù)作為波譜展開函數(shù)。
下面簡(jiǎn)述對(duì)脈搏波中噪音成分的微分白化處理。
其中的噪音成分可能由多種情況造成，包括由于運(yùn)動(dòng)引起的基線漂移噪音，突然抖動(dòng)引起的類似于階躍變化的噪音，以及高頻的噪音。
2.1微分去除基線漂移對(duì)(14)(15)分別微分，dReddt=dRedsigdt+dnReddt---(16)]]>dIrdt=dIrsigdt+dnIrdt---(17)]]>紅光或紅外光中的直流分量，微分后為零。如圖5所示的包含基線漂移的脈搏波，由于血氧的計(jì)算都是采取一段時(shí)間內(nèi)的采用數(shù)據(jù)進(jìn)行的，在此段時(shí)間內(nèi)的緩慢的基線漂移，經(jīng)過(guò)微分后轉(zhuǎn)化為常量，則噪聲可以表示為，dnReddt=constnred+nRed′---(18)]]>
dIReddt=constnIr+nIr′---(19)]]>因此，對(duì)于噪音微分后的常數(shù)部分，可以通過(guò)歸一化去除，即去掉了運(yùn)動(dòng)引起的基線漂移噪聲，如圖6所示。
2.2微分消除階躍噪音對(duì)于抖動(dòng)可能引起的介質(zhì)的突然擠壓，造成的階躍噪聲，如圖7所示，則對(duì)其微分后，變?yōu)轭愃痞暮瘮?shù)的脈沖函數(shù)，如圖8所示，對(duì)此則可以采取3點(diǎn)中值的濾波，消除階躍噪音。
2.3微分消除脈沖噪音對(duì)于抖動(dòng)引起的采樣值突變，即類似于δ函數(shù)的脈沖噪音，如圖(9)所示，經(jīng)過(guò)數(shù)字化微分之后，變成正負(fù)雙脈沖的函數(shù)，如圖(10)所示，對(duì)此可以采用5點(diǎn)中值加以濾波，消除脈沖噪音。
由上所述，經(jīng)過(guò)對(duì)脈搏波的微分和中值濾波處理之后，可以消除紅光和紅外光脈搏波信號(hào)中的基線漂移、階躍噪音和脈沖噪音。
2.4積分回復(fù)脈搏波波形圖4所示的包含噪音的脈搏波經(jīng)過(guò)上面的微分和中值函數(shù)處理之后，如圖11所示，對(duì)(18)、(19)式再進(jìn)行積分，回復(fù)脈搏波波形，此時(shí)的波形已經(jīng)變得光滑，前述對(duì)波形的微分處理相當(dāng)于對(duì)脈搏波進(jìn)行了白化處理，消除了噪音中的非白噪音。
∫t0t1dReddt=∫t0t1dRedsigdt+∫t0t1dnReddt]]>得，Red＝Redsig+nRed‘’(20)∫t0t1dIrdt=∫t0t1dIrsigdt+∫t0t1dnIrdt]]>得，Ir＝Irsig+nIr‘’ (21)其中nRed‘’和nIr‘’為脈搏波噪音經(jīng)過(guò)白化處理后剩下的白噪音部分。
2.5.面積積分遞歸算法原理分別對(duì)(20)、(21)式積分，并得到比值
∫t0t1|a0cos(ωt)+a1cos(2ωt)+Λ+an-1cos(ωt)+nRed′′|d(ωt)∫t0t1|b0cos(ωt)+b1cos(2ωt)+Λ+bn-1cos(nωt)+nIr′′=4a0sin(ωt)|0π2+∫t0t1|nRed′′|d(ωt)4b0sin(ωt)|0π2+∫t0t1|nIr′′|d(ωt)---(22)]]>如果在一段時(shí)間內(nèi)的噪聲可以看作是白噪聲，則其積分為零，上式為4a0sin(ωt)|0π2+∫t0t1|nRed′′|d(ωt)4b0sin(ωt)|0π2+∫t0t1|nIr′′|d(ωt)=a0b0=RedACIrAC---(23)]]>由此，只要積分時(shí)間足夠長(zhǎng)，噪音的積分趨近于零，此時(shí)可以由一段時(shí)間的積分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)代替從波形中尋找最值得到的兩路光交流數(shù)據(jù)，并且由于這種方法消除了噪聲的干擾，從而在運(yùn)動(dòng)條件下能夠取得良好的測(cè)量效果。圖12為脈搏波的積分圖形。
以上是以一段時(shí)間內(nèi)受測(cè)對(duì)象的血氧飽和度不發(fā)生變化為假設(shè)前提的。那么積分的時(shí)間越長(zhǎng)則測(cè)量效果越好，結(jié)果越接近與真實(shí)情況。而當(dāng)內(nèi)受測(cè)對(duì)象的血氧飽和度發(fā)生變化時(shí)，積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)反而沒有好處，導(dǎo)致測(cè)量靈敏度下降，考慮最為嚴(yán)重的情況，如果積分從測(cè)量開始就進(jìn)行包括了所有的測(cè)量數(shù)據(jù)，則會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)飽和現(xiàn)象，一段時(shí)間后新的測(cè)量數(shù)據(jù)已經(jīng)對(duì)結(jié)果的影響很小了，從而削弱的實(shí)時(shí)測(cè)量的功能。
為解決上述問題，積分只在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行(積分時(shí)段一般為2至3秒)，同時(shí)為保留前期測(cè)量的作用而又不使其過(guò)大，引入遺忘因子λ。
RedACIrAC=RedAC0+λRedAC1+Λ+λnRedACnIrAC0+λIrAC1+Λ+λnIrACn---(24)]]>當(dāng)0＜λ＜1時(shí)，經(jīng)過(guò)若干次迭代，前面的數(shù)據(jù)已經(jīng)沒有影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)λ取0.8比較合理。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行硬件初始化，CPU系統(tǒng)自檢，和程序初始化；完成以上過(guò)程后進(jìn)入核心控制模塊；探頭組件實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，作為核心算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算血氧、脈率參數(shù)的基礎(chǔ)；邏輯控制模塊根據(jù)測(cè)量值，在各個(gè)狀態(tài)中對(duì)硬件進(jìn)行不同的控制，并控制AD采樣。包括內(nèi)部AD和外部AD，即圖中的模擬信號(hào)輸入采樣模塊。以及對(duì)發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電流的控制，對(duì)偏置電路及增益的控制；
運(yùn)動(dòng)噪音消除模塊是核心模塊，該模塊分別通過(guò)對(duì)脈搏波的微分處理消除非白噪音，同時(shí)計(jì)算脈率，再通過(guò)積分遞歸算法計(jì)算血氧。
權(quán)利要求
1.一種能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量方法，包括如下步驟a.探頭將檢測(cè)到的帶有脈搏波及血氧飽和度信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行放大處理后，被送入A/D轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字信號(hào)；b.A/D轉(zhuǎn)換模塊把經(jīng)放大處理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；c.A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)被送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算；其特征在于所述單片機(jī)所進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算包括如下步驟d.把脈搏波和血氧波形看作某種波形與噪音的疊加，由此把反映血氧波形特性的紅光和紅外光脈搏波信號(hào)的時(shí)間序列表示為不同頻段波譜的合成，即對(duì)原始數(shù)據(jù)的時(shí)間序列進(jìn)行波譜展開，在波譜空間中，血氧波形的運(yùn)動(dòng)噪音被變換成為一個(gè)常數(shù)；e.對(duì)上述原始數(shù)據(jù)的波譜表達(dá)式進(jìn)行微分運(yùn)算，作為常數(shù)的運(yùn)動(dòng)噪音微分后為零，即通過(guò)微分運(yùn)算濾掉了運(yùn)動(dòng)噪音；f.原始數(shù)據(jù)的緩慢基線漂移在波幅時(shí)間坐標(biāo)系中表現(xiàn)為一條斜線，有物理意義的波形疊加在該斜線上，通過(guò)歸一化處理濾掉基線漂移噪音；g.對(duì)抖動(dòng)引起的噪音，在波幅時(shí)間坐標(biāo)系中表現(xiàn)為躍階噪音或δ函數(shù)的脈沖噪音，該躍階噪音和δ函數(shù)的脈沖噪音分別通過(guò)相鄰3數(shù)據(jù)點(diǎn)取中間值和相鄰5數(shù)據(jù)點(diǎn)取中間值被過(guò)濾掉；h.通過(guò)對(duì)在波譜空間中已消除了基線漂移、躍階噪音和脈沖噪音的紅光和紅外光脈搏波信號(hào)進(jìn)行對(duì)采樣時(shí)段的面積積分運(yùn)算還原所述脈搏波和血氧波形；i.引進(jìn)在0和1之間取值的遺忘因子λ來(lái)消除長(zhǎng)時(shí)間積分的數(shù)據(jù)飽和現(xiàn)象，即對(duì)測(cè)量時(shí)刻以及之前一個(gè)合理時(shí)段的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行迭代來(lái)獲得該測(cè)量時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果，迭代時(shí)越接近所述測(cè)量時(shí)刻的數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算結(jié)果的貢獻(xiàn)越大；j.步驟I獲得的脈搏波和血氧飽和度計(jì)算結(jié)果通過(guò)與所述單片機(jī)的串口向外輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量方法，其特征在于所述用于波譜展開的函數(shù)是正弦波函數(shù)、余弦波函數(shù)或能構(gòu)成完備正交系的其他函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量方法，其特征在于所述步驟h的積分時(shí)段為2至3秒；所述遺忘因子λ取值為0.8，引進(jìn)該遺忘因子λ的迭代關(guān)系式如下RedACIrAC=RedAC0+λRedAC1+Λ+λnRedACnIrAC0+λIrAC1+Λ+λnIrACn.]]>
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量方法，其特征在于所述探頭利用兩路光透過(guò)組織末端進(jìn)行采樣測(cè)量；其中一路為紅光，相應(yīng)的數(shù)據(jù)積分結(jié)果為該段時(shí)間內(nèi)接收的紅光強(qiáng)度交流峰峰值，另一路為紅外光，相應(yīng)的數(shù)據(jù)積分結(jié)果為該段時(shí)間內(nèi)接收的紅外光強(qiáng)度交流峰峰值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量方法，其特征在于在步驟a之前還包括系統(tǒng)上電、硬件初始化、CPU系統(tǒng)自檢和程序初始化的采樣準(zhǔn)備過(guò)程。
6.一種能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量裝置， 包括順序連接的探頭組件、信號(hào)放大處理組件、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理組件、邏輯控制模塊和電源電路，其特征在于所述單片機(jī)數(shù)據(jù)處理組件包含運(yùn)動(dòng)干擾消除模塊，該運(yùn)動(dòng)干擾消除模塊的輸出端分別連接A/D轉(zhuǎn)換和邏輯控制及功能模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量裝置，其特征在于所述運(yùn)動(dòng)干擾消除模塊包括順序單向連接的脈搏波參數(shù)計(jì)算、微分處理模塊、中值濾波模塊、積分還原模塊的面積積分遞歸模塊，該面積積分遞歸模塊的輸出結(jié)果用于計(jì)算脈搏波和血氧飽和度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量裝置，其特征在于所述探頭組件包括紅光、紅外光源及其光驅(qū)動(dòng)電路和受光管。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量裝置，其特征在于所述信號(hào)放大處理部分包括差分放大電路和信號(hào)處理電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量裝置，其特征在于所述邏輯控制及功能模塊包括安全功能和通訊功能；所述全功能包括由傳感器脫落、搜索脈搏、搜索脈搏太長(zhǎng)和血氧飽和度下降所組成的測(cè)量狀態(tài)標(biāo)志和完成出錯(cuò)報(bào)告的模塊自檢；所屬通訊功能包括接收命令和發(fā)送數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種能消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧測(cè)量裝置和方法，探頭將脈搏波及血氧飽和度信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換后被送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算；算法模塊對(duì)原始數(shù)據(jù)的時(shí)間序列進(jìn)行波譜展開，在波譜空間中，血氧波形的運(yùn)動(dòng)噪音被變換成為一個(gè)常數(shù)；因此通過(guò)微分運(yùn)算濾掉了運(yùn)動(dòng)噪音，同時(shí)通過(guò)歸一化處理濾掉基線漂移噪音，通過(guò)3點(diǎn)取中和5點(diǎn)取中分別過(guò)濾躍階噪音和脈沖噪音；最后通過(guò)對(duì)采樣時(shí)段的面積積分運(yùn)算還原所述脈搏波和血氧波形。本發(fā)明的血氧測(cè)量裝置和方法在測(cè)量血氧飽和度時(shí)基本消除了由于病人手指運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，因此測(cè)量結(jié)果更可靠，更準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)G06F19/00GK1985764SQ200510121269
公開日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2005年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月23日
發(fā)明者張旭, 李旭 申請(qǐng)人:深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司