一种无线连续血氧饱和度监测系统

2018-08-28霍东风谭励夫

激光与红外 2018年8期

霍东风,谭励夫,刘腾

(黑龙江省食品药品检验检测所,黑龙江哈尔滨 150001)

1 引言

有线通信的方式存在移动性和灵活性差等缺陷[1],无线通信技术的提出解决了有线通信技术存在的诸多问题。现有无线血氧饱和度监护仪在强干扰环境中容易受到干扰,导致计算血氧饱和度不准确,且功耗过高。本文提出了一种无线连续血氧饱和度监测系统,设计出无线通信的连续血氧饱和度监测设备,具有准确度高、连续监测、低功耗、移动灵活、抗干扰能力强、具有高度自适应能力等优点,通过实际血氧饱和度测试效果良好。

2 无线血氧饱和度监测

2.1 血氧饱和度测量原理

血氧饱和度计算是以光电容积脉搏波描记法(Photoplethysmogra-phy,PPG)为基本原理[2],人体血管中存在大量还原血红蛋白,其与氧气结合后形成氧合血红蛋白,还原血红蛋白为暗红色,氧合血红蛋白为鲜红色,两者对波长为660 nm的红光和波长为940 nm的红外光的吸收能力不同。当心脏进行收缩和舒张时,引起动脉血管容积的脉动变化,形成光吸收的脉动波[3-5]。测量660 nm的红光和940 nm的红外光穿过动脉血管组织后的光强度及其变化,利用光吸收的比率系数R可得到血氧饱和度饱和度值S[6-8]。

光吸收的比率系数R的计算公式为:

R=(IACR/IDCR)/(IACIR/IDCIR)

式中,IACR是波长660 nm红光照射时测得的光强度脉动分量；IDCR是波长660 nm红光照射时测得的光强度直流分量；IACIR是波长940 nm红外光照射时测得的光强度脉动分量；IDCIR是波长940 nm红外光照射时测得的光强度直流分量。

生物组织是一种非常复杂的介质,其特性不是完全符合Lambert-Beer定律,在血氧饱和度值计算时,通过定标曲线的方法由光吸收的比率系数R确定血氧饱和度值S。在此,文中采用拟合的线性经验公式来计算血氧饱和度值S,其计算公式为:

S=a+bR

式中,a和b为经验常数。

2.2 无线连续血氧饱和度监测系统

无线连续血氧饱和度监测系统由血氧饱和度监测主机和无线集中器组成。血氧饱和度监测主机主要功能是监测血氧饱和度数值,通过无线通信技术将血氧饱和度数据上传至无线集中器。无线集中器与监护仪电气连接,无线集中器将血氧数字信号转变成模拟信号,传递给监护仪。其结构图如图1所示。

图1 无线连续血氧饱和度监测系统结构图

Fig.1 Structure chart of wireless oxygen saturation monitoring system

血氧血氧饱和度监测主机和无线集中器在均采用低功耗元器件,在控制程序上进行低功耗优化,使设备的功耗非常低。

血氧饱和度监测主机的硬件系统由电源部分、CPU部分、无线通信电路部分和血氧饱和度检测部分组成,其结构图如图2所示,血氧饱和度检测部分由血氧饱和度检测电路和血氧饱和度监测探头组成。血氧饱和度监测探头由红光和红外光双向发光二极管和光源探测器组成。血氧饱和度检测电路驱动发光二极管按着红光—不发光—发红外光—不发光交替工作,与此同时光源探测器接收光信号并将其转换为电信号,电信号被血氧饱和度检测部分放大后,转化为数字信号,数字信号被CPU采集,CPU将数字信号通过无线通信电路上传至无线集中器。CPU内植入血氧数据分析算法,具有数字血氧数据处理分析能力。通过对数据分析可以调整驱动发光二极管的电流,使主机自适应患者手指情况；实时判断患者手指是否脱离,及时发出警报。系统电路设计时,注重设备的抗干扰能力,在信号电路中加入信号保护和抗干扰器件,提升信号的稳定性,设备可以在强干扰的环境下稳定运行。

图2 血氧饱和度监测主机结构图Fig.2 Blood oxygen saturation monitoring host structure diagram

无线集中器的硬件系统由电源部分、CPU部分、无线通信电路部分、血氧饱和度模拟电路和血氧线组成，如图3所示。无线集中器的无线通信电路接收到血氧饱和度监测主机上传的血氧饱和度数据后,CPU将接收到的血氧饱和度数据转化后,控制血氧饱和度模拟电路输出模拟信号,通过血氧线与监护仪进行模拟信号交互。血氧饱和度模拟电路经过特殊设计,使无线集中器可以适用国内大部分监护仪。CPU的控制程序存在血氧数字信号转换模拟信号算法,提高了设备输出血氧模拟信号的准确度。

图3 无线集中器系统结构图Fig.3 Wireless concentrator system structure diagram

3 测试分析

3.1 无线通信距离测试

将血氧饱和度监测主机和无线集中器进行无线连接后,两者的无线通讯距离在5 m、20 m、40 m分别进行通信是否畅通测试,结果是在5 m、20 m和40 m时,两者的无线通信畅通,传输数据准确无误,结果表明系统的无线通讯距离满足使用需求。

3.2 准确度分析

将血氧饱和度监测主机的血氧饱和度监测探头与血氧模拟仪输出端物理连接,无线集中器与监护仪电气连接,开启血氧饱和度监测主机、无线集中器、监护仪和血氧模拟仪。

将血氧模拟仪的血氧饱和度在80%～100%范围内步长2%进行调节,记录监护仪显示血氧值,结果如表1所示,表1中x表示血氧模拟仪输出的血氧饱和度数值,y表示监护仪显示血氧饱和度数值。通过表1分析可得出,血氧饱和度监测误差≤2%,准确度良好。

表1 不同血氧数值测试记录Tab.1 Different blood oxygen test records

将血氧模拟仪的血氧饱和度设定在96%,脉冲幅值分别设定为5%、4.5%、4%、3.5%、3%、2.5%、2%、1.5%、1%、0.5%、0.3%,结果如表2所示,表中p表示血氧模拟仪输出的血氧饱和度的脉冲幅值,y表示监护仪显示血氧饱和度数值。通过表2分析可得出,脉冲幅值低至0.3%,设备的准确度良好。

表2 不同脉冲幅值血氧数值测试记录Tab.2 Different pulse amplitude blood oxygen test records

在医院进行了20组临床数据对比,以便对无线连续血氧饱和度监测设备的实际使用效果做出评测。医院采用的是迈瑞T8监护仪,用迈瑞T8的有线血氧探头监测病人左手食指。使用对无线连续血氧饱和度监测设备监测病人左中指或者无名指。每个病人测试时间为3 h,记录两种监测方式误差的最大值,测试结果如表3所示,其中a表示病人序号,e表示两种监测方式的血氧数据误差。通过表3分析可知,临床血氧饱和度监测误差≤1%,临床使用准确度高。