基于反射式动态血氧测量模块算法研究

苏航，李召国

（中山大学深圳研究院，广东 深圳 518057）

0 引言

伴随着我国老龄化现象的日益严重，国家医疗体系正面临着医疗服务与成本的压力。可穿戴式智能设备的普及和应用，将医疗重点从医院向以社区（家庭、个人）为中心的健康模式转变。可穿戴式智能血氧运动检测系统是可以提供动态血氧饱和度（SpO2）和脉率（pulserate，PR）变化等正常生理信号的实时监测[1]，并且能够为疾病作出早期的预测，还能为多种慢性疾病的家庭监护提供帮助，这种情况的出现能够在实现全社会国民健康低成本上发挥着重要的意义。

1 可穿戴式智能设备的现状

1.1 可穿戴式智能设备的作用机制

可穿戴式智能设备是最近几年来在生物医学领域当中的一项新兴技术，其被广泛的应用在临床诊疗，健康管理，运动健身等多种领域当中。可穿戴式智能设备，能够在一定程度上将微型化的生物医学传感器以穿或者戴的形式放置在人体部位上，然后通过人的生命体征信号监测系统和人们生活的特定习惯进行适应，让可穿戴式智能设备能够更好的为人们所服务[2]。可穿戴式智能设备是能够在不影响佩戴者正常生活的情况下，可以对人体的生命体征进行实时的检测。可穿戴式智能设备的设计还包含了仪器的兼容性，信号检测的稳定性，抗干扰以及数据储存和传输的诸多功能。除此之外，由于可穿戴式智能设备是在没有医生的监督下所使用的，所以在一定程度上必须要让佩戴者感觉舒适，要最大限度的减少佩戴者身体上的负担。可穿戴式智能设备要在测量信号和结果上保持良好的稳定性。

1.2 可穿戴式智能设备的特点

可穿戴式智能设备具有以下特点[3]；①使用方便。对于一般的家庭佩戴者可能没有较为全面丰富的医学知识，所以可穿戴式智能设备必须要具备操作简单，硬件小巧等诸多特点。②可以在移动中进行操作，可穿戴式智能设备能够在佩戴者处于移动的状态下进行人体生命特征信息的采集。③其耗能低，信息容量储存较大。由于可穿戴式智能设备是面向家庭佩戴者，需要长时间且连续监测并且记录佩戴者的生命特征，这样能够对病患的疾病进行诊断和个人身体健康护理的主要目的。所以，可穿戴式智能设备的电池使用寿命必须要长，其监测的数据储存信息量必须要大，在一定程度上其耗能较低，并且其硬件配备有大容量的信息数据储存单元。④数据传输和自动报警功能。当佩戴者处于危险时，比如生理数值在非正常范围之内或者是发生异常波动时，可以自动提醒或报警，其监测数据是通过人体传感器进行网络传输，将这些信息传输到监测中心，这样能够为佩戴者身体健康提供实时的数据评估。

2 反射式SpO2的检测原理

反射式传感器是基于光电容积脉搏波描记法的动态血氧测量，一直是处于不断的发展中。充分使用两个不同波长LED光源照射人体，再通过监测到人体的双波长光电容动态血氧信号，再从中去提取出动态血氧中的饱和度和PR等。动态血氧信号中包括了心脏跳动所出现的流量，所以，在不严格考虑电生理期间，其动态血氧测量能够提供有效的PR检测，与此同时，动态血氧的信号还能够揭示出PR变异性，从而提供异味心脏跳动的相关检测[4]。测量SpO2过程中，还必须要得到实时PR的检测结果。

就反射式SpO2的检测方法来看，其主要是慢散射光，该种光束主要来自于组织表面的反射光，并需要要反复折射才能够形成，反射的光能够进入到人体的皮肤中，并能够完成散射，散射的方向不能够受到控制。在某种程度上会直接影响透射式SpO2检测，能够检测到的反射式SpO2的光强会变的非常微弱，并能够使噪音一定程度得到增加[5]。所以，通过反射式SpO2检测技术对于人体SpO2数值进行相应检测，对于相关信号提取方法和干扰处理方法变得更为严格。

穿戴式设备在使用过程中，应考虑到人体因素，该项技术主要应用于人体血氧动态检测过程中，并能够完成信号数据收集工作，该部分工作主要依靠硬件设施，并能够对收集到信号进行处理，这种处理方法能够在一定程度上减少所测量的出现误差。从某种意义上来说，入射光能够让以上两种干扰性能变得更强。人体在运动时引起的静脉血液充盈也会受到一定程度的影响。当人体发生强烈运动时很容易产生静脉血液充盈的现象，与动脉相比，静脉中的血压相对微弱[6]。从宏观上来看其静脉表现的跳动是属于在合理范围。

该种方式能够对计算结果产生影响，主要体现在动脉和静脉的混合SpO2两个方面，通常情况下，正常计算的结果会相对低于动脉SpO2。

动态运动血氧干扰是直接影响SpO2计算结果，其相关频带和目标信号频带相互重叠，传统频率滤波方式是很难消除这种情况。在处理运动氧化干扰之外，还是有很多的干扰叠加在一起共同影响检测结果，这对于检测结果的准确度，能够在一定程度上有所提升。所以，相关研究人员必须要有针对性的提出相关干扰消除的方法，从而去在某种程度上对计算的结果影响进行详细的分析，只有这样才能保证反射式动态血氧检测算法的结果不会出现误差[7]。

3 自适应中值滤波算法

自适应中值滤波算法是基于排序统计理论的一种有效抑制噪声的非线性信号处理技术，其能够在一定程度上很好的适用在动态血氧检测当中[8]。中值滤波器的概念主要是由于国外相关学者在进行时间序列分析时所提出的，提出的时间为1970年，随着科学技术的不断发展，逐渐将这一概念应用与动态血氧检测图像处理过程中，并取得了良好的临床效果。

这种滤波器的特点在使用动态血氧测量计算，其运算准确度较为精准，在滤波叠加白噪声与长尾叠加噪声方面能够显示出极好的性能。中值滤波器很容易自适应化，从而可以进一步提高其滤波性能。因此，它就非常适用于一些线性滤波器无法胜任的数字图像处理应用场合。中值滤波器的输出数值应将任意时刻窗口内所有观测值按其数值，并按照大小进行排列，取中位数值[9]。

中值滤波（Median Filter，MF）的主要特征有以下几点；①针对特定输出的信号，其均存在不变性，而MF具有一定特性，能够保持输入信号相一致，与其他种类相比，线性滤波器具有较高的应用价值，能够使图像的各种细节均得以保留，不让其遭到破坏。②MF主要通过非线性运算获得滤除噪声性能方面数据，随机性质的噪声输入存在影响，分析过程十分复杂。相较于零均值正态分布的噪声输入，MF输入与输出噪声的分布和密度存在相关性，输入噪声密度函数与输出噪声方差的平方成反比。对随机噪声的抑制能力，MF比均值滤波更差些。但相对于脉冲干扰，尤其是脉冲宽度小于滤波窗口长度的1/2，相距较远的窄脉冲，MF还是很有效的。③由于MF的频谱特性是非线性运算，在输出频率不能够与输入频率相互对应，主要为非对应关系，不能够采用一般线性滤波器频率特性进行计算、分析。经过大量临床实践证实可以发生，频率响应与中值滤波器输入信号的频谱存在一定联系，能够发现呈曲线表现为明显的波动，但是MF频谱而言，变化并不，明显，信号通过MF后，频谱基则不会再发生变化[10]。

4 结论

总而言之，反射式动态血氧测量模块算法是对国民身体健康的保证，有了准确、快捷的动态血氧测量能够让人们的生命健康得到一定程度上的保护。动态血氧饱和度是检测组织氧合功能的一个重要指标和生命体征的参数，在当前临床监护和心血管系统疾病中都有着十分重要的意义。对人们进行动态血氧测量模块计算能够在早期进行病情的诊断，也为个人健康护理提供非常大的帮助。