專利名稱：：消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧飽和度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種血氧飽和度的測(cè)量方法，具體涉及一種消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧飽和度測(cè)量方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)在被測(cè)者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量動(dòng)脈血氧飽和度。
背景技術(shù)：
：由于PPG信號(hào)易受到運(yùn)動(dòng)干擾，使血氧飽和度測(cè)量在便攜式和可穿戴式測(cè)量設(shè)備中使用受到限制。目前較為常用的方法有FFT法、運(yùn)動(dòng)加速度法、三光源傳感器法以及各類信號(hào)處理方法，這些方法都是通過(guò)信號(hào)處理的方法，從受干擾PPG信號(hào)中提取出理想的PPG信號(hào)再進(jìn)行血氧飽和度的測(cè)量，實(shí)踐證明這些方法對(duì)運(yùn)動(dòng)干擾消除有限。Masimo公司提出的離散飽和度變換算法(DST)，由于具有較低的失敗率和假陽(yáng)性率被廣泛認(rèn)為是一種較理想的抗運(yùn)動(dòng)干擾血氧飽和度測(cè)量方法。由于DST算法中需要不斷的根據(jù)參考信號(hào)構(gòu)造自適應(yīng)濾波器并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字濾波計(jì)算，所以其計(jì)算量極大。針對(duì)DST方法的不足Yong-ShengYan等人在2008年5月提出了最小相關(guān)離散飽和變換算法(MCDST)。由于MCDST算法主要依賴干擾信號(hào)與理想信號(hào)正交這一假定，導(dǎo)致此算法對(duì)消除周期性干擾能力較弱。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于，提出一種消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧飽和度測(cè)量方法，在受到一定運(yùn)動(dòng)干擾情況下，保持較高的測(cè)量精度，同時(shí)使計(jì)算效率較現(xiàn)有方法有所提高。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧飽和度測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟:(1)建立PPG運(yùn)動(dòng)干擾模型=77+S+M=77+0。x。+OvxM)其中，7表示由于傳感器探頭與接觸皮膚間耦合系數(shù)所引起的干擾部分，S和M分別表示理想的PPG信號(hào)和運(yùn)動(dòng)加速度對(duì)靜脈血液影響所引起的干擾部分，"。和^分別由動(dòng)脈及靜脈血液的血氧飽和度所決定；(2)從傳感器獲取兩波長(zhǎng)PPG信號(hào)iv和>^，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；使用數(shù)字信號(hào)處理的方法，分別得到兩PPG信號(hào)的交流和直流分量，而后對(duì)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，即取各PPG信號(hào)的交流分量和直流分量之比；(3)使用上述兩標(biāo)準(zhǔn)化PPG信號(hào)之差作為理想信息，分別對(duì)兩標(biāo)準(zhǔn)化PPG信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理，提高信噪比；(4)按照動(dòng)脈血氧飽和度從0到100%所對(duì)應(yīng)的,，根據(jù)等式及S=A/i-/JD構(gòu)建一系列參考信號(hào)，將參考信號(hào)的快速付里葉變換系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)IR的快速付里葉變換系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，得到一系列相關(guān)系數(shù)構(gòu)成的相關(guān)系數(shù)曲線；(5)從相關(guān)系數(shù)曲線中提取兩極小值，分別對(duì)應(yīng)著動(dòng)脈血氧飽和度和靜脈血氧飽和度，對(duì)相關(guān)系數(shù)從100%處開(kāi)始搜索至第一個(gè)極小值，其所對(duì)應(yīng)的血氧飽和度即為動(dòng)脈血氧飽和度。本發(fā)明首先利用兩波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)化PPG信號(hào)/y和朋之差作為理想信號(hào)構(gòu)建自適應(yīng)濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波以消弱部分干擾，提高了信號(hào)信噪比；而后按照0100%的血氧飽和度分別構(gòu)建參考信號(hào)系列，使用參考信號(hào)與原始信號(hào)的FFT系數(shù)間的相關(guān)性作為動(dòng)脈血氧飽和度的識(shí)別方法計(jì)算出動(dòng)脈血氧飽和度。圖1是本發(fā)明的消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧飽和度測(cè)量方法流程圖2為自適應(yīng)濾波消除部分傳感器與接觸皮膚間干擾后的DST效果仿真圖。其中圖(a)為在沒(méi)有引入傳感器與接觸皮膚間干擾的DST計(jì)算結(jié)果圖；圖(b)為加入傳感器與接觸皮膚間干擾的DST計(jì)算結(jié)果圖，圖(c)為進(jìn)行自適應(yīng)濾波后的DST結(jié)果圖。圖3為當(dāng),取不同值情況下的參考信號(hào)與原始信號(hào)間的FFT系數(shù)及參考信號(hào)與原始信號(hào)間FFT系數(shù)間的相關(guān)系數(shù)曲線仿真圖。其中圖(a)為,等于r。時(shí)參考信號(hào)與原始信號(hào)間的FFT系數(shù)；圖(b)為r'即不等于r。也不等于^時(shí)參考信號(hào)與原始信號(hào)間的FFT系數(shù)；圖(c)為,等于^時(shí)參考信號(hào)與原始信號(hào)間的FFT系數(shù)；圖(d)為0-100%所對(duì)應(yīng)的,所構(gòu)成的參考信號(hào)與原始信號(hào)間FFT系數(shù)的相關(guān)系數(shù)曲線。圖4為跑步狀態(tài)下實(shí)際測(cè)量得到的PPG信號(hào)及本算法與MCDST方法之間結(jié)果比較圖。其中圖(a)、圖(b)分別為測(cè)量得到的兩波長(zhǎng)PPG標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；圖(c)為使用MCDST方法計(jì)算結(jié)果圖；圖(d)為本算法計(jì)算結(jié)果圖。圖5為對(duì)長(zhǎng)度為8秒至24秒的數(shù)據(jù)進(jìn)行MCDST和本方法兩種方法的計(jì)算時(shí)間比較。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。具體實(shí)施例方式將本發(fā)明的消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧飽和度測(cè)量方法實(shí)施于實(shí)際血氧飽和度測(cè)量中(1)根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)確定動(dòng)脈血氧飽和度與H司的關(guān)系，其中〃=^^,〃DC可通過(guò)血氧飽和度儀分析儀進(jìn)行標(biāo)定得到，本方法的關(guān)系為&02=110-25xr。(2)從傳感器獲取兩波長(zhǎng)PPG信號(hào)i7和^，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。使用高通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波得到信號(hào)的交流部分，而后將原始信號(hào)減去交流信號(hào)得到信號(hào)的直流部分。將兩波長(zhǎng)PPG信號(hào)的交流部分除以信號(hào)的直流部分，即進(jìn)行"和W"信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化；(3)使用上述兩標(biāo)準(zhǔn)化PPG信號(hào)之差作為理想信息分別對(duì)兩標(biāo)準(zhǔn)化PPG信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理。由于傳感器與接觸皮膚之間的干擾不受測(cè)量光的影響，在兩波長(zhǎng)PPG信號(hào)中具有等量的成份，所以兩標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)之差將只包含有理想的PPG信號(hào)和由于靜脈血液在運(yùn)動(dòng)加速度影響下產(chǎn)生的干擾兩部分的頻率成份，以此信號(hào)作為理想信號(hào)對(duì)兩波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)化PPG信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)濾波將消除由于傳感器與接觸皮膚間相對(duì)位移所引起的干擾部分，提高信號(hào)的信噪比；(4)按照動(dòng)脈血氧飽和度從0到100%所對(duì)應(yīng)的,，根據(jù)等式及S=r'x/i-^構(gòu)建一系列參考信號(hào)，將參考信號(hào)的快速付里葉變換系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)的快速付里葉變換系數(shù)在分別進(jìn)行數(shù)據(jù)加窗處理后進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。當(dāng),=^時(shí)i^=(0)><S+(,-rv)XM，則及S只包含運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)M，其與原始信號(hào)頻譜特性如圖3(a)所示，在大部分頻段內(nèi)兩信號(hào)的FFT系數(shù)不具有相關(guān)性；而當(dāng),=。時(shí)^=("'-OxS+(0)xM，則i5中只包含有動(dòng)脈波動(dòng)信號(hào)S，其頻譜曲線如圖3(c)所示；而當(dāng),不等于"?；騘時(shí)，則RS都將或多或少的由正常信號(hào)S和運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)M信號(hào)構(gòu)成，其頻譜特性如圖3(b)所示。圖3(d)顯示,所對(duì)應(yīng)的血氧飽和度從0100%所對(duì)應(yīng)的參考信號(hào)與原始信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)曲線。當(dāng)"'=/"。和"'=^時(shí)，由于參考信號(hào)的部分FFT系數(shù)為零，能量相對(duì)于集中于某一頻段內(nèi)，則參考信號(hào)的FFT系數(shù)與原始信號(hào)的FFT系數(shù)的相關(guān)性相對(duì)較小，即相關(guān)系數(shù)值較小。而當(dāng),既不等于"。也不等于~時(shí)，參考信號(hào)的FFT系數(shù)相對(duì)分散，與原始信號(hào)的FFT系數(shù)具有較高的相關(guān)性。這樣在相關(guān)系數(shù)曲線中可以明顯看到兩處極小值，分別對(duì)應(yīng)著動(dòng)脈血氧飽和度"。和靜脈血氧飽和度^。(5)相關(guān)系數(shù)曲線將出現(xiàn)兩極小值分別對(duì)應(yīng)著靜脈血氧飽和度和動(dòng)脈血氧飽和度，對(duì)相關(guān)系數(shù)從100%處開(kāi)始搜索至第一個(gè)極小值，其所對(duì)應(yīng)的橫作標(biāo)即為測(cè)量所得到動(dòng)脈血氧飽和度。圖4為在跑步狀態(tài)下通過(guò)指夾式傳感器得到的PPG信號(hào)及計(jì)算結(jié)果，其絕對(duì)誤差為2個(gè)百分點(diǎn)。圖5為對(duì)長(zhǎng)度為8秒至24秒的數(shù)據(jù)進(jìn)行MCDST和本方法兩種方法的計(jì)算時(shí)間比較，可以看出采用本發(fā)明的方法計(jì)算時(shí)間明顯小于MCDST方法的計(jì)算時(shí)間。權(quán)利要求1、一種消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧飽和度測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟(1)建立PPG運(yùn)動(dòng)干擾模型<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mi>IR</mi><mo>=</mo><mi>&eta;</mi><mo>+</mo><mi>S</mi><mo>+</mo><mi>M</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>RD</mi><mo>=</mo><mi>&eta;</mi><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>r</mi><mi>a</mi></msub><mo>&times;</mo><mi>S</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>r</mi><mi>v</mi></msub><mo>&times;</mo><mi>M</mi><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced>]]></math></maths>其中，IR和RD分別表示標(biāo)準(zhǔn)化了的紅外光和紅光PPG信號(hào)，η表示由于傳感器探頭與接觸皮膚間耦合系數(shù)所引起的干擾，這部分干擾由于與測(cè)量光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，稱為與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)干擾，S和M分別表示理想的未受干擾的標(biāo)準(zhǔn)化PPG信號(hào)和運(yùn)動(dòng)對(duì)靜脈血液影響所引起的干擾部分，這兩部分與測(cè)量光波長(zhǎng)相關(guān)，ra和rv分別由動(dòng)脈及靜脈血液的血氧飽和度所決定；(2)從傳感器獲取兩波長(zhǎng)PPG信號(hào)，首先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；使用數(shù)字信號(hào)處理的方法得到信號(hào)的交流部分和直流部分，而后將兩部分信號(hào)之比作為標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)，以便后續(xù)計(jì)算，及消除信號(hào)中的部分乘積干擾；(3)使用上述兩標(biāo)準(zhǔn)化PPG信號(hào)之差作為理想信號(hào)，分別對(duì)兩標(biāo)準(zhǔn)化PPG信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理；(4)按照動(dòng)脈血氧飽和度從0到100％所對(duì)應(yīng)的r′，根據(jù)等式RS＝r′×IR-RD構(gòu)建一系列參考信號(hào)，將參考信號(hào)的快速付里葉變換系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)IR的快速付里葉變換系數(shù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算，得到一系列相關(guān)系數(shù)構(gòu)成相關(guān)系數(shù)曲線；其中，r′與動(dòng)脈血氧飽和度之間的關(guān)系與測(cè)量系統(tǒng)有關(guān)，可通過(guò)事先標(biāo)定得到；為盡量減小快速付里葉變換的旁瓣影響，在進(jìn)行快速付里葉變換前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理；(5)從相關(guān)系數(shù)曲線提取兩極小值，分別對(duì)應(yīng)著動(dòng)脈血氧飽和度和靜脈血氧飽和度，對(duì)相關(guān)系數(shù)從100％處開(kāi)始搜索至第一個(gè)極小值，其所對(duì)應(yīng)的血氧飽和度即為動(dòng)脈血氧飽和度。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種消除運(yùn)動(dòng)干擾的血氧飽和度測(cè)量方法，由于受到運(yùn)動(dòng)的影響，光電容積脈搏波(PPG)受到干擾，使無(wú)創(chuàng)血氧飽和度測(cè)量產(chǎn)生較大誤差。該方法首先利用兩波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)化PPG信號(hào)之差作為理想信號(hào)構(gòu)建自適應(yīng)濾波器，對(duì)兩波長(zhǎng)PPG信號(hào)進(jìn)行濾波以消弱部分干擾，而后按照0～100％的血氧飽和度分別構(gòu)建參考信號(hào)系列，使用參考信號(hào)與原始信號(hào)的FFT系數(shù)間的相關(guān)性作為動(dòng)脈血氧飽和度的識(shí)別方法計(jì)算出當(dāng)前動(dòng)脈血氧飽和度。文檔編號(hào)A61B5/145GK101632588SQ20091002349公開(kāi)日2010年1月27日申請(qǐng)日期2009年8月4日優(yōu)先權(quán)日2009年8月4日發(fā)明者峰付,坤張,雯張,騰焦,強(qiáng)舒,董秀珍申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)