1、脉搏血氧仪中光电容积脉搏波的软件检出方法【关键词】 脉搏血氧仪 关键词: 脉搏血氧仪;光电容积脉搏波;软件 摘 要: 脉搏血氧仪中光电容积脉搏波的正确提取和检出是完成氧饱和度测量任务的主要环节之一.为了克服传统设计中采用硬件电路完成脉搏波提取和检出时所带来的系统整体设计复杂，稳定性和重复性差等缺点，作者研究了光电容积脉搏波的软件提取和检出方法，为脉搏血氧饱和度检测系统的数字化设计奠定了基础. Keywords:pulse oximeter;photoplethysmography;software Abstract:Correct extraction of the photoplethysm
2、ography is one of the primary procedures to measure the oxygen satura-tion in the pulse oximeter.In order to overcome the problems of complex system design，instability and bad repetition which are brought about by analog circuits for completing the photoplethysmography extraction in conventional pul
3、se oximetry systems，the author studied the software method to extract the photoplethysmography which will be the basis for digitizing the design of the pulse oximetry systems. 0 引言 脉搏血氧仪是一种可连续、无创、快速、准确地监测人体动脉血氧饱和度和心率的新型医疗监护仪器.它将血氧浓度的光电检测技术与容积脉搏描记技术相结合完成血氧饱和度测量任务1 .在传统的系统设计中往往是在检测电路部分通过放大、解调、滤波等一系列硬件
4、处理环节将脉冲数字信号恢复成模拟信号，得到光滑的光电容积脉搏波后送 A/D采样;另外再由一路硬件电路检出脉搏波特征点;最后，由单片机完成血氧饱和度计算.因此，在传统的脉搏血氧仪中对脉搏波的检出多是利用硬件来实现的2，3 .这种方法使得整个系统的整体设计复杂化，模拟信号处理环节过多，影响了系统可靠性、稳定性和重复性.为了克服上述问题，我们研究了容积脉搏波的软件提取和检出方法. 1 材料和方法 1.1 系统设计 首先，我们设计了以软件处理为核心的数字化的脉搏血氧饱和度检测系统，结构如 Fig1 所示，主要包括驱动和检测两部分.系统工作时首先在单片机控制下，以 10ms 的周期（采样率为 100Hz
5、）产生双光束脉冲序列，依次点亮传感器中的红光、红外光发光二极管 LEDS 后，由光敏管检测透射信号，经增益调节后直接送 16 位 A/D 转换器采样，然后由软件来完成光电容积脉搏波的提取和特征检出，最后计算氧饱和度.这种设计方法使系统结构大大简化，省略了传统设计中的一系列模拟处理环节，大大提高了系统可靠性和稳定性.该系统的核心是用软件方法实现容积脉搏波的正确提取和检出，尽量消除工频、运动伪差等干扰的影响. 图 1 略 1.2 光电容积脉搏波信号的软件提取和检出方法 1.2.1 光电容积脉搏波信号特征分析 为了设计软件提取和检出方法，需要对光电容积脉搏波的信号特征有一个较全面的认识，为此我们分析
6、和总结了容积脉搏波在时频阈的一般特性:光电容积脉搏波幅度因个体不同差异很大.一般脉动量变化范围可达到组织直流吸收量的 0.5%40%.因此，具有动态范围很大的特点.在心脏快速射血期后一定时间内，由于心脏活动的机械特性，不会出现下一次快速射血活动.一般心率低于200 次min -1 时，该时间大于 0.2s.光电容积脉搏波相邻两波在幅度、上升支时间上一般不会产生突变.每相邻两波间幅度的最大变化率不超过 40%，上升支时间的最大变化率不超过 30%.在 15Hz 以下脉搏波能量衰减基本达到-40dB，在 8Hz 以下能量衰减达到-35dB.其 95%的能量主要集中在06Hz.所以，在对容积脉搏波进
7、行低通滤波处理时，滤波器截止频率可选择在 9Hz 左右，这样在不改变脉搏波主要成分的同时，可以尽量消除由于外界电磁场、电源引起的干扰，以及削弱由于血管振动和身体运动引起的伪差干扰从而便于脉搏波的准确检出和测量. 1.2.2 光电容积脉搏波信号的提取 根据上述分析，我们首先设计了数字低通滤波器，对 A/D 采集的信号进行滤波处理，以得到光滑的脉搏波.考虑到实时性的要求，我们利用零-极点抵消理论设计了简单整系数数字低通滤波器.传递函数为:HLP （z）=（1-2-6 ）/（1-2-1 ） 2 该滤波器的截止频率约为 10Hz，且在 50Hz 处幅度衰减大于 50dB，因此对工频干扰具有较好的抑制作
8、用，同时对其他高频幅度衰减也基本大于30dB.另外，该滤波器还具有良好的线性相位特性. 1.2.3 光电容积脉搏波信号的特征检出 在经过低通滤波处理之后，需要对脉搏波进行特征点检出，以计算氧饱和度、脉率等参数.检出中需要提取脉搏波幅度、峰值、周期等信息.考虑到实时性的要求，在检出中对运动伪差的判别采用阈值判别法.通过对脉搏波信号特征分析及运动伪差波形测试，我们发现运动伪差往往引起光电容积脉搏波的幅度或上升支时间发生突变.因此，在波形检出中我们采用对波的幅度、上升支时间设置变化范围的方法来识别干扰波，若波形幅度、上升支时间在变化范围以内，则认为是正常波，否则则认为是干扰信号，予以剔除.初始幅度和
9、上升支时间采用自学习的方法确定，以提高适应性和准确性. 根据前面分析光电容积脉搏波信号特征 3，我们设置光电容积脉搏波幅度变化范围:（0.6*前 3 个波幅度均值，1.4*前 3 个波幅度均值）.上升支时间变化范围:（0.7*前 3 个波上升支时间均值，1.3*前 3 个波上升支时间均值）.上述范围将随检测不断做自适应调整.脉搏波的差分会突出其上升支特性，提高抗干扰性，便于波的正确检出.因此，我们利用五点差分来识别脉搏波上升支.差分阈值设置为:0.5*前 3 个波最大差分平均值.它将随检测不断做自适应调整. 为了适应个体差异大，波形差异大的特点，脉搏波检出中首先进行自学习.以心率 30 次mi
10、n -1 计算，要学习到一个完整的脉搏波大约需要 2s.因此，我们采集 7.5s 脉搏波，共 750 个点.分 3 段，每段250 个点，这样可保证每段中至少有 1 个脉搏波.求出这 3 段的幅度平均值和差分最大值平均值，设定幅度范围和差分阈值.然后根据阈值判断后续波形的前沿（上升支）.当某处差分值大于差分阈值时，判定为脉搏波前沿.然后以该点为基准向前、向后搜索，根据差分判断波的拐点.两拐点之间的间期即为上升支时间.连续学习 3 个上升支时间，求出平均值，设置其变化范围.自学习过程结束.在此过程中，要求测试者尽量处于静止状态.之后，对脉搏波开始连续检出.先根据差分阈值找到脉搏波前沿，进而搜索到
11、两个拐点.两拐点分别对应脉搏波峰、谷值，之间的间期为上升支时间，两拐点之间对应值之差为波的幅度.然后分别判断上升支时间、幅度是否在所设定的变化范围以内.如不满足，则认为有干扰，予以剔除.若满足条件，则认为是正常波形，检出的参数可用作氧饱和度的计算.根据两相邻波的峰值之间的点数 n 可计算脉率（采样率=100Hz，脉率=6000/n）.然后分别进行差分阈值、脉搏波幅度变化范围和上升支时间变化范围更新.更新采用移动平均，即用当前的参量（最大差分、幅度或上升支时间）代替前面第 3 个波的相应 值，再求平均.根据前面对容积脉搏波的特性分析二，在此后的 0.2s 内一般不会出现下一个容积脉搏波上升支，因
12、此，在该段时间内，我们不进行脉搏波检出，0.2s 后才开始新一轮检测.如此循环可不断进行容积脉搏波的检出和运动伪差的识别与剔除. 2 结果 为了验证所研究的光电容积脉搏波软件提取和检出方法的可行性，我们用设计的硬件系统（Fig1）采集原始信号，然后对其进行了处理.Fig2，3 分别给出了其中对两段信号的处理结果.图中的波形是经过数字低通滤波处理后得到的光滑容积脉搏波信号，短树直线和长树直线分别是对检出波的峰值点和谷值点所做的标记.Fig2 无运动干扰的影响，每个波的峰谷值点都被正确检出.Fig3 中段和后段由于受手指小幅随机震动和一过性运动干扰的影响未被检出，其余正常波形则被正确检出. 图 2
13、 图 3 略 3 讨论 通过实际处理效果的验证证实了所提出的光电容积脉搏波软件提取和检出方法的可行性和可靠性，可以通过该方法大大简化传统脉搏血氧仪的系统设计，从而为进一步提高脉搏血氧仪检测性能奠定基础. 参考文献: 1De Kock JP，Tarassenko L.Pulse oximetry:Theoretical and experimental models J.Med Biol Eng Comput，1993;31:291-300. 2孙卫新，金 捷，汪家旺.脉搏血氧仪的研制和定标方法探讨J.西安医科大学学报，1995;16（2）:218-221. 3石梅生，赫宪令.无创脉搏血氧仪的研制J.医疗卫生装备，1995;6:1-3.
