一种高效实时脉搏血氧监测系统的研究

张根选，石 波，刘胜洋，陈建方，TSAU Young

（1.蚌埠医学院医学影像学系，安徽蚌埠233030；2.深圳迪美泰数字医学技术有限公司，广东深圳518067）

一种高效实时脉搏血氧监测系统的研究

张根选1，石 波1，刘胜洋1，陈建方1，TSAU Young2

（1.蚌埠医学院医学影像学系，安徽蚌埠233030；2.深圳迪美泰数字医学技术有限公司，广东深圳518067）

针对传统的脉搏血氧监测存在光电检测电路复杂、实时性差等缺点，本文提出了一种高效实时的监测方法。以光电容积脉搏波描记法（PPG）为基本原理，构建了以光频转换技术为核心的全数字硬件系统，采用零相移数字滤波和小波分析技术实现脉搏血氧信号的预处理，运用线性回归分析完成血氧饱和度的计算。采用Fluke的Index 2血氧模拟仪产生的标准信号进行测试，在70%～100%范围，误差小于2%。结果表明，该方法切实有效，具有电路简单、数据利用率高等优点，可以实现血氧值的秒级更新。

脉搏血氧饱和度；光电容积脉搏波描记法；光频转换；线性回归分析

1 引 言

脉搏血氧计是一种无创连续监测血氧饱和度（SpO2）的设备，现已广泛应用于手术室、恢复室、急救病房、危重病房等。现有的脉搏血氧计大多是以光电容积脉搏波描记法（Photoplethysmography，PPG）为基本原理［1－3］。在测量中，SpO2的计算是以特征值R的准确提取为基础的。传统的R值提取方法大多采用脉搏波的峰谷值法［4－5］，不能算是一种严格意义上的实时监测。此外，在这些设备中，脉搏血氧信号的硬件采集系统大多都是采用模拟电路［6－7］，主要由光电探测器、电流—电压转换电路、模拟放大器、模拟滤波器等部分组成。这种设计存在电路复杂、抗干扰能力差、内部噪声大、体积大、功耗高等各项不足。由此可见，脉搏血氧饱和度监测作为发展中的一项技术，在数据采集和血氧信号处理等方面还需要进一步改进和完善。本文以PPG为基本原理，构建了以光频转换技术为核心的全数字硬件系统，采用光频转换技术、零相位数字滤波和小波分析技术实现脉搏血氧信号的预处理以及线性回归算法的使用实现了血氧的高效实时监测。

2 方 法

2.1 测量原理

PPG是血氧饱和度的一种无创检测方法，它是基于Lambert-Beer定律，利用氧合血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（Hb）在红光和红外光区的光吸收系数差异来进行的。基于PPG原理所测得的血氧饱和度一般用SpO2表示，计算公式可表示为：

其中，CHbO2和CHb分别表示动脉血液中HbO2和Hb的浓度。

假设波长为λ，光强为Io的单色光垂直入射指端时，透射光强可分为两部分：一部分是直流成分，主要反映指端组织中各种非脉动成分，如肌肉、骨骼、色素、脂肪、水和静脉血等对光的吸收；另一部分为交流成分，是由血管随心脏搏动而产生的收缩和舒张引起，主要反映动脉血中HbO2和Hb对光的吸收。如果忽略散射、反射等因素造成的衰减，根据Lambert-Beer定律，透光强度I可以表示为：

其中，εo，Co和L为组织内各种非脉动成分的总吸光系数、光吸收物质的浓度和光路径长度；εHbO2，εHb分别为动脉血液中HbO2和Hb的吸光系数。

当动脉搏动时，入射光穿过指端的光路径长度会随之发生变化，假设变化为L＋ΔL，对应的透射光强度变化为I＋ΔI，这时式（1）可以写成：

由于透射光中交流成分占直流成分的百分比很小，即ΔI／I＜＜1，这时，将式（2）和式（1）相除，并对两边取对数，可写成：

如果采用660 nm的红光和940 nm红外光作为光源，则用这两种特定波长的光照射手指时，可以得到：

将（5）和（6）两式相除可得：

式中，A和B为经验常数，可以通过实验定标得到；特征值R本文采用线性回归算法来提取。

2.2 光频全数字硬件系统的设计

硬件系统采用光频转换技术［8－9］，结构如图1所示。整个系统由电源模块、微处理器模块、电光模块、光频转换模块（TSL230RD）以及通信接口模块等组成。

图1 硬件系统框图Fig.1 Hardware system block diagram

为了保证运算速度，微处理器选择微芯公司的PIC32MX4XXL。微处理器的I／O接口输出脉冲控制光源驱动电路，其中光源为660 nm和940 nm的双波长发光二极管。光频转换器选择德州仪器的TSL230RD，将穿过人体组织吸收衰减后的透射光转换为频率信号。微处理器将脉冲频率捕捉并进行数字滤波预处理，然后完成血氧信号的计算。

理论上，红光和红外光强度信号必须是相同时刻采集才能准确计算出血氧饱和度的值，但是技术上由于两种光同时照射相互干扰而难以实现，实际上对两种光强度信号的采样为交替式而不是完全同步，即使发光二极管按照一定的时序交替发光。对这两种波长的光强度信号采样通常采用恒定采样间隔，其时间差应当越小越好。

2.3 信号预处理

在血氧信号采集过程中，光频转换器接收到的光信号除了包含脉搏信息里的投射光信号，还包含测量环境下的背景光信号、运动伪差、工频和其他仪器如高频电刀等产生的干扰等。传统的设计都是采用模拟滤波或者是模拟滤波和数字滤波并用的方法。本文采用零相位数字滤波和小波分析去除噪声信号。

2.3.1 零相位滤波去除血氧信号中的基线漂移

以红光为例信号进行分析（红外光分析方法相同），红光信号的采样点数设为M＝3000，红光原始信号如图2和图3所示，信号中除了有严重的基线漂移以外，还严重存在各种频率的干扰信号。经过零相位数字滤波去除基线漂移后信号描如图4和图5所示。

图2 原始信号的整体波形Fig.2 overall signal waveform of the original signal

图3 原始信号的局部波形Fig.3 local signal waveform of the original signal

图4 去除基线漂移后的整体信号波形Fig.4 the whole waveform after remove baseline drift

图5 去除基线漂移后的局部整体信号波形Fig.5 the localwaveform after remove baseline drift

2.3.2 小波分析去噪

根据小波变换的理论可知，由于小波变换具有多分辨率的特性，因此可先将其分解，然后重构有用信号，经过实验数据分析，将a5与d5两层信号重构得到的信号效果最好。图6和图7为采用小波去噪方法对去除基线漂移后的血氧信号处理后的结果。通过比较小波消噪前后的波形图，可见噪声得到了明显的去除，尤其是高频噪声。

图6 去噪后的整体信号波形Fig.6 The overall signal after rejecting noise

2.4 血氧饱和度的实时计算

图7 小波去噪后的局部信号波形Fig.7 The local signal after rejecting noise

线性回归是利用数理统计中的回归分析，来确定两种或者两种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法，应用十分广泛。对于生物组织这种强散射性、各向异性的复杂介质，不完全符合Lambert-Beer定律，散射效应一方面会改变一部分光的出射方向，另一方面使得光在介质中的传播路径变长，被吸收的几率增加。这些都会导致生物组织对入射光衰减的改变。如果两束透射光强度之间的具有相关性，就可以使用连续采样过程产生的大量样本数据进行线性回归提取R值，从而大幅度提高精度［10］。

假设红光和红外光的透射光强信号序列分别为x＝｛x1，x2，x3，……，xN｝和y＝｛y1，y2，y3，……，yN｝。如果证明两个信号序列之间存在相关性，则可以建立一元线性回归模型，即：

其中，a，b为回归系数，利用最小二乘法可以求出：

其中，N为参与运算的样本点的个数。经过推倒可以得到R的表达式为：

由此可见，R值的提取仅取决于参与运算的采样点的个数而不依赖于峰谷值，只需要少量的普通采样点就可以完成血氧值的计算，大大提高了数据使用效率，降低了硬件系统的负担，可以实现了真正意义上的血氧饱和度实时测量。

3 结 果

对公式（9）中的两个常数进行定标后，用线性回归算法计算的R值计算出血氧饱和度。实验采用Fluke的Index 2血氧模拟仪产生不同血氧饱和度结果与标准信号间的误差如表1所示。

表1 血氧饱和度测试结果Tab.1 oxygen saturation of blood test results

在70%～100%范围，误差小于2%。

4 结 论

本文提出并验证了一种高效实时的脉搏血氧监测系统，该系统是运用线性回归算法实现数据利用率的高效性和血氧值更新的实时性；同时光频转换技术和数字滤波技术的应用具有模拟滤波技术无与伦比的优点。该系统可用于心电监护仪中的血氧监测模块以及穿戴式血氧设备。

［1］ John A Crowe，Damianos Damianou.The wavelength dependence of the photoplethysmogram and its implication to pulse oximetry［C］.14thAnnual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society，1992，6：2423－2424.

［2］ Webster JG.Design of pulse oximeters［M］.British：Institute of Physics Publishing，1997.

［3］ Luo Zhichang，Zhang Song，Yang Yimn.Engineering analysis for pulse wave and its application in clinical practice［M］. Beijing：Science Press，2006：165－179.（in Chinese）罗志昌，张松，杨益民.脉搏波的工程分析与临床应用［M］.北京：科学出版社，2006：165－179.

［4］ Reichelt S，Fiala J，Werber A，et al.Development of an implantable pulse oximeter［J］.IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2008，55（2）：581－588.

［5］ Hong Lei，Chang Jinyi，Guan Yujing.A-trous and immune genetic algorithm based resrarch on blood oxygen signal［J］.Journal of Changshu Institute Technology：Natural Sciences，2009，23（2）：106－110.（in Chinese）洪蕾，常晋义，关玉景.动态血氧饱和度监测算法的研究［J］.常熟理工学院学报：自然科学版，2009，23（2）：106－110.

［6］ Wu Xiaoling，Cai Guiyan.The development of a wearable pulse oximeter sensor and study of the calibration method［J］.Journal of Biomedical Engineering，2009，26（4）：731－738.（in Chinese）吴小玲，蔡桂艳.可穿戴式血氧传感器的设计和定标方法研究［J］.生物医学工程学杂志，2009，26（4）：731－738.

［7］ Xu Xiaofeng，Li Zhe，Ling Zhenbao.Design of blood oxygen saturation measure system based on reflection type［J］.Journal of Jinlin University：Information Science Edition，2013，31（3）：260－265.（in Chinese）许晓峰，历哲，凌振宝.反射式血氧饱和度测量系统设计［J］.吉林大学学报：信息科学版，2013，31（3）：260－265.

［8］ Yang Tao，Lin Wanhua，Weng Yujie，etal.Design of digital pulse oximeter with high resolution based on opticalfrequency converter［J］.Beijing Biomedical Engineering，2011，30（1）：73－77.（in Chinese）杨涛，林宛华，翁羽洁，等.基于光－频转换器的高精度数字脉搏血氧仪的设计［J］.北京生物医学工程，2011，30（1）：73－77.

［9］ Gong Yushun，Wu Baoming，Gao Dandan，et al.Design of an anti-noise wearable pulse oximetry［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2012，25（1）：6－10.（in Chinese）龚渝顺，吴宝明，高丹丹，等.一种抗干扰穿戴式血氧饱和度监测仪的研制［J］.传感技术学报，2012，25（1）：6－10.

［10］Shi Bo，Liu Shengyang，Chen Jianfang，et al.Features extraction from pulse oximetry signals through linear regression methods：a preliminary experimental study［J］.Chinese Journal of Medical Physics，2013，30（1）：3913－3916.（in Chinese）石波，刘胜洋，陈建方，等.线性回归算法提取脉搏血氧特征值初步验证［J］.中国医学物理学杂志，2013，30（1）：3913－3916.

Efficient real-time pulse oximetry monitoring system

ZHANG Gen-xuan1，SHIBo1，LIU Sheng-yang1，CHEN Jian-fang1，TSAU Young2
（1.Department of Medical Imaging，Bengbu Medical College，Bengbu 233030，China；2.Dimetek Digital Medical Technologies Ltd，Shenzhen 518067，China）

To solve the problems of the circuit complexity and poor real-time performance existed in traditional pulse oximetrymonitoring system，an efficient real-time method is proposed.Based on the photoplethysmograph（PPG），a digital hardware system is constructed with the light to frequency conversion technology.This system adopts zero phase digital filter and wavelet analysis technology to realize pulse oximetry preprocessing，and employs linear regression algorithm to complete the pulse oxygen saturation（SpO2）calculation.By using thismethod，the standard signals in the range of70%～100%derived from Fluke Index 2 XL oxygen simulator have acquired error rate less than 2%.The results indicate that，this efficientmethod has the advantages of low complexity of circuit and high utilization rate of data，and can refresh the SpO2value at the level of second.

pulse oxygen；saturation（SpO2）；PPG；optical frequency conversion；linear regression analysis

TN29

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0187-05

国家级大学生创新训练资助项目（No.201210367013）资助。

张根选（1976－），男，硕士，讲师，主要从事生物医学信号检测、生物医学仪器研究。E-mail：cyzgx123＠163.com

2013-07-04；

2013-09-12