脉搏血氧仪中光电容积脉搏波的软件检出方法

时间: 2017-10-22 14:00:09 来源:未知 作者:admin 点击:26 次
   【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 photoplethysmography 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 pulse 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)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,为此我们分析和总结了容积脉搏波在时频阈的一般特性:①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.②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.③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%.④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0~6Hz.所以,在对容积脉搏波进行低通滤波处理时,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.

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