專利名稱：一種測量血氧飽和度的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量人體血氧飽和度的方法和裝置，尤其涉及一種 無創(chuàng)傷、采用光譜分析技術(shù)、在頻域測量血氧飽和度的方法和裝置。
背景技術(shù)：
10 血氧飽和度是指人體動脈血液中氧合血紅蛋白分子數(shù)占血紅蛋白分
子總數(shù)的百分比，是反映人體氧供應(yīng)狀況的重要生理參數(shù)，是一項重要 的臨床指標(biāo)。目前主要采用無創(chuàng)技術(shù)進(jìn)行血氧飽和度的測量和監(jiān)控，克 服了原來抽取血樣、增加病人痛苦和感染率高的有創(chuàng)方法。無創(chuàng)測量血 氧飽和度的基本原理是采用光譜分析方法，將兩種發(fā)出不同光譜的光電
15管放置在被檢測部位的同一側(cè)， 一種為發(fā)紅光， 一種為發(fā)紅外光，在被 測部位的另 一側(cè)放置光電接收裝置，然后根據(jù)得到的兩種光電流的交流 分量比計算血氧飽和度。但是，在獲得的這兩種光電流分量時，經(jīng)常會 含有噪音信號，例如電磁噪聲、背景光噪聲和運(yùn)動噪聲等。這些噪音信
號使血氧飽和度的測量不準(zhǔn)確。目前針對不同的噪聲影響，有不同的噪 20音消除方法，例如采用光屏蔽或改變光照表面吸光系數(shù)的方法消除背景 光噪音，采用電磁屏蔽消除電磁干擾，以及改善探頭的機(jī)械抗運(yùn)動性能 消除被測者與探頭之間的運(yùn)動干擾，特別是對于運(yùn)動噪聲，目前只有類 似上述機(jī)械式的方法對噪音進(jìn)行消除，而沒有從儀器本身的電路信號處 理來改善抗運(yùn)動噪音的能力。
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發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了一種血氧飽和度測量方法和 裝置，不僅有效地消除了運(yùn)動噪音的干擾，提高了儀器的測量精確度， 而且結(jié)構(gòu)簡單，加上信號抽取技術(shù)，大大減小了內(nèi)存的使用和運(yùn)算量， 30增加了測量速度。
根據(jù)本發(fā)明測量血氧飽和度的方法，包括以下步驟
a)由光電接收裝置接收被測位置的兩個不同波長的信號，該信號被 放大后，經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；
b) 上述信號再經(jīng)過濾直流的預(yù)處理，得到交流信號；
c) 對所述交流信號進(jìn)行抗混疊濾波器濾波和信號抽取，其中抗混疊 濾波器的截止頻率選取不能影響人體的正常信號；
d )對抽取后的信號進(jìn)行快速傅立葉FFT變換，在頻域上判斷是否有 5運(yùn)動狀態(tài)的信號，如果出現(xiàn)運(yùn)動狀態(tài)的頻譜，剔除運(yùn)動干擾信號，得到兩 個對應(yīng)不同波長的月永率；
e)根據(jù)上述兩個剔除運(yùn)動干擾后的脈率，計算血氧飽和度。 進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明測量血氧飽和度的方法，在剔除運(yùn)動干擾信號 后以及計算血氧飽和度前可包括，消除2倍頻幅度高過1倍頻的步驟。 io其中，消除2倍頻幅度過高的步驟具體包括
A) 設(shè)定初始化脈率ratel,賦給其大于350的數(shù)值，優(yōu)選為 350-1000j
B) 將每次得到的人體脈率，存入rate變量，然后和ratel作比較， 如果rate等于ratel 二倍附近的數(shù)值，則判定此次脈率4全測出現(xiàn)2倍頻
15 過高的錯誤，拋棄結(jié)果rate值，并用上次結(jié)果ratel賦給rate,作為本 次結(jié)果輸出。如果沒有發(fā)生以上情況，則直接輸出本次計算結(jié)果rate。
C) 將rate賦給ratel，作為下次脈率的參考值。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，本申請?zhí)峁┮环N測量血氧飽和度的裝置， 包括中央控制處理單元、多波長光驅(qū)動單元、光發(fā)射裝置、光電接收裝 20置、信號放大器、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換單元以及顯示裝置，其特征在于，
中央控制處理單元用于發(fā)出對多波長光驅(qū)動單元的控制信號，使該 單元發(fā)出驅(qū)動信號；
多波長光驅(qū)動單元用于驅(qū)動光發(fā)射裝置發(fā)出兩個不同波長的光信
號；
25 光電接收裝置接收獲得的被檢測信號，該被檢測信號經(jīng)過信號放大
器(5 )被放大；
A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換單元用于將放大后的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，進(jìn)而在 中央控制處理單元中進(jìn)行信號處理和計算；
顯示裝置用于顯示最終得到的血氧飽和度；
30 其中，中央控制處理單元中進(jìn)行的信號處理和計算包括
a) 將上述數(shù)字信號進(jìn)行濾直流預(yù)處理，得到數(shù)字交流信號；
b) 對所述數(shù)字交流信號進(jìn)行抗混疊濾波器濾波和信號抽取，其中抗
混疊濾波器的截止頻率選取不能影響人體的正常信號；
c )對抽取后的信號進(jìn)行快速傅立葉FFT變換，在頻域上判斷是否有
運(yùn)動狀態(tài)的信號，如果出現(xiàn)運(yùn)動狀態(tài)的頻譜，剔除運(yùn)動干擾信號，得到兩
個對應(yīng)上述不同波長的脈率； 5 d)根據(jù)剔除運(yùn)動千擾后的脈率，計算血氧飽和度。
進(jìn)一步，中央控制處理單元中進(jìn)行的信號處理和計算還包括，在剔
除運(yùn)動干擾信號后以及計算血氧飽和度前的步驟，進(jìn)行消除2倍頻幅度
高過l倍頻的信號處理。
此外，中央控制處理單元在計算血氧飽和度前，還可進(jìn)一步包括截 io止頻率為0. 5Hz的硬件高通濾波器，濾除低頻干擾。


圖l是本發(fā)明血氧飽和度測量裝置的構(gòu)造示意圖； 圖2是本發(fā)明測量血氧飽和度測量過程的流程15圖3 (a)是一普通信號在時域和頻域表示的示意圖； 圖3 (b)是信號抽取后在時域和頻域表示的示意圖； 圖4為本發(fā)明對信號進(jìn)行抗混疊濾波和樣本抽取處理時信號在時域 和頻域上變化的示意圖5 (a)為在無運(yùn)動干擾時人體脈搏信號的頻譜；
20圖5 (b)為在有運(yùn)動干擾時人體脈搏信號的頻譜；
圖6 (a)為Ird頻譜，其顯示出人體脈搏的正常頻語；
圖6 (b)中為Iir頻譜，其顯示出2倍頻峰值超過了 1倍頻峰值。
具體實(shí)施例方式
25 下面結(jié)合附圖具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。如圖1所示，為本發(fā)
明血氧飽和度測量裝置的構(gòu)造示意圖。本發(fā)明裝置包括中央控制處理單
元1、多波長光驅(qū)動單元2、光發(fā)射裝置3、光電接收裝置4、信號放大 器5、 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換單元6以及顯示裝置7，其中，中央控制處理單元l 發(fā)出對多波長光驅(qū)動單元2的控制信號，使該單元發(fā)出驅(qū)動信號，驅(qū)動 30光發(fā)生裝置3發(fā)出光信號，在本實(shí)施例中，使用兩個光發(fā)射裝置，其中 一個發(fā)出紅光，波長為660nm，另一個發(fā)出紅外光，波長為820-940nm， 這兩束光照射被檢測部位，在檢測部位的另一側(cè)具有光電接收裝置4,光
電接收裝置獲得的電信號經(jīng)過信號放大器5被放大后，經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換 單元6將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，進(jìn)而在中央控制處理單元1中處理 計算，最終得到的血氧飽和度在顯示裝置7上顯示。
下面結(jié)合圖2-圖5詳細(xì)描述中央處理單元中進(jìn)行的信號處理過程。 5 如圖2所示，為本發(fā)明測量血氧飽和度測量過程的流程圖。從A/D模數(shù) 轉(zhuǎn)換單元6出來的信號在中央控制處理單元1主要經(jīng)過以下幾個步驟的 處理(l)濾直流的預(yù)處理；(2)抗混疊濾波器濾波和信號抽??；(3) 快速傅立葉FFT變換，剔除運(yùn)動干擾信號；(4)計算血氧飽和度。其中， 判斷脈率是否為上次脈率2倍左右，與下次測量結(jié)果進(jìn)行比較，是為了 io消除2倍頻過高的問題，加上用低通濾波器消除偏移的步驟，都是對本 發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)。
以下是對以上每個步驟進(jìn)行的詳細(xì)說明。
(1 )濾直流的預(yù)處理 從A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換單元6出來的信號是五路串行的背景光信號、紅光 15綜合信號、紅外光綜合信號、紅光濾波后信號和紅外光濾波后信號。這 些信號進(jìn)入中央控制處理單元1后，首先進(jìn)行預(yù)處理，即對上述信號濾 直流處理，得到兩路串行的紅光交流信號和紅外光交流信號，它們分別 以Ird和Iir表示。
(2)構(gòu)造抗混疊濾波器，對Ird、 Iir信號進(jìn)行濾波并抽取 20 此步驟是為了在抽取樣本時在頻域上不產(chǎn)生混疊。由于人體信號的
頻譜分量主要集中在低頻部分，如果直接對信號進(jìn)行抽取，就會產(chǎn)生混 疊。如圖3 (a)所示，圖3 (a)是一普通信號在時域和頻域表示的示意 圖；圖3 (b)是信號抽取后在時域和頻域表示的示意圖；左側(cè)的圖為時 域表示，右側(cè)的圖為頻域表示。從圖3(b)的頻譜可以看到，抽取樣本 25后，發(fā)生了混疊現(xiàn)象，這樣將對測量結(jié)果產(chǎn)生4艮大的影響。其中z;表示原 始抽樣時間，r2表示抽取后的抽樣時間。
為了防止產(chǎn)生混疊，構(gòu)造如下的抗混疊濾波器
其中N為抽取的倍數(shù)。加入抗混疊濾波器后，混疊干擾被抑制掉，而感 興趣的低頻部分保留了下來。
如圖4所示，為本發(fā)明對信號進(jìn)行抗混疊濾波和樣本抽取處理時信 號在時域和頻域上變化的示意圖。上述經(jīng)過預(yù)處理的信號經(jīng)過抗混疊濾 波器后，得到在一定范圍內(nèi)的低頻信號。此處的抗混疊濾波器的截止頻 率選取原則是不能影響人體正常信號。之后，再對信號進(jìn)行抽取，抽取
5 比例要和抗混疊濾波器互相匹配。
(3) FFT快速傅立葉變換，剔除運(yùn)動干擾信號 在通常情況下，人體的脈率在30 - 300次附近的范圍，脈率是指人 體脈搏每分鐘跳動的次數(shù)，如圖5 (a)所示，為在無運(yùn)動干擾時人體脈 搏信號的頻譜；但在有運(yùn)動干擾后，人體脈率在頻譜上的反映變得難以 io檢測，如圖5(b)所示，在人體脈率60次附近，幾乎沒有信號，而在遠(yuǎn)離 人體脈率的370次附近，有一個突出的信號，而該信號只是反映由于運(yùn) 動帶來的結(jié)果，不是真正的人體脈率信號，如果根據(jù)此信號進(jìn)行測量， 必然不能得出正確的結(jié)果。
依據(jù)經(jīng)驗以及人體信號的特點(diǎn)可以知道，對于人體脈搏信號，在頻 15鐠上的能量不單單集中在人體脈率頻率上；而對于運(yùn)動干擾信號，它在 頻譜上的能量分布卻集中在運(yùn)動頻率上。通過這個特點(diǎn)可以判別是否是 運(yùn)動狀態(tài)。
如果檢測出為運(yùn)動狀態(tài)，則在強(qiáng)行消除運(yùn)動所帶來的頻譜干擾后， 再次檢測頻譜上最大值，檢測得出即為人體脈率i普峰。 20 這樣，通過以上對抽取后的樣本信號進(jìn)行FFT快速傅立葉變換，得
到頻域序列進(jìn)行波形分析，進(jìn)而剔除運(yùn)動干擾信號，得到人體的脈率。
最后根據(jù)上述人體的脈率，計算血氧飽和度。
以上是針對運(yùn)動做的抗干擾性處理，除了運(yùn)動的影響，在某些時候 還會出現(xiàn)2倍頻幅度高過1倍頻的情況，從而影響脈率的判斷。 25 如圖6所示，給出了兩路信號Ird、 Iir的頻譜，圖6(a)中的Ird
顯示出人體的正常頻譜，然而圖6(b)中的Iir顯示出2倍頻峰值已經(jīng)超 過了 1倍頻峰值，這樣通過最大值判斷的人體脈率就會出錯。因此，將 每次得到的脈率存儲起來，和下一次的脈率進(jìn)行比較，利用其出錯總在2 倍頻的特點(diǎn)，還可進(jìn)一步做如下修正 30A.首先設(shè)定初始化脈率ratel,賦給其一個纟艮大的數(shù)值，如1000;
B.每次計算出人體脈率，存入rate變量，然后和ratel作比較， 如果rate等于ratel二倍附近的數(shù)值，如從1. 9倍-2. 1倍的范圍，則
判定此次脈率檢測出現(xiàn)2倍頻過高的錯誤，拋棄計算結(jié)果rate,并用上 次結(jié)果ratel賦給rate，作為本次結(jié)果輸出。如果沒有發(fā)生以上情況， 則直接輸出本次計算結(jié)果rate。
C.將rate賦給ratel，作為下次脈率參考值。
5 以上算法可以糾正2倍頻過高的情況，而并不影響正常結(jié)果，通常
來講，人體脈率沒有在短時間突然提高一倍的情況。如果第一次測量結(jié) 果就輸出并存儲了 2倍頻的錯誤結(jié)果，那么第二次計算就可以糾正過來。 此外，根據(jù)硬件條件，如果輸出信號電平有整體緩慢飄移，在頻譜上 接近'0，頻率上幅度過大，會影響到脈率判斷，可加截止頻率為0. 5Hz
10 的高通濾波器，濾除低頻干擾。
這樣，通過以上方法得到正確的脈率之后，在兩路信號Ird、 Hr頻 譜上分別找到對應(yīng)人體脈率的極大值峰值，將處理后的結(jié)果分別存入變 量Irdlevel和Iirlevel,進(jìn)而計算比值r=Irdlevel/Iirlevel,然后根 據(jù)r和血氧濃度關(guān)系曲線計算血氧飽和度值。
15 本發(fā)明的有益效果是，利用頻域法檢測血氧飽和度，方法快捷有效，
并加以抽取技術(shù)，大大減小了內(nèi)存的使用和運(yùn)算量。利用頻域上的波形 識別，有效的濾除了運(yùn)動狀態(tài)的干擾，提高了儀器測量的準(zhǔn)確性。
權(quán)利要求
1、一種測量血氧飽和度的方法，包括以下步驟a)由光電接收裝置接收被測位置的兩個不同波長的信號，該信號被放大后，經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；b)上述信號再經(jīng)過濾直流的預(yù)處理，得到交流信號；c)對所述交流信號進(jìn)行抗混疊濾波器濾波和信號抽取，其中抗混疊濾波器的截止頻率選取不能影響人體的正常信號；d)對抽取后的信號進(jìn)行快速傅立葉FFT變換，在頻域上判斷是否有運(yùn)動狀態(tài)的信號，如果出現(xiàn)運(yùn)動狀態(tài)的頻譜，剔除運(yùn)動干擾信號，得到兩個對應(yīng)不同波長的脈率；e)根據(jù)上述兩個剔除運(yùn)動干擾后的脈率，計算血氧飽和度。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量血氧飽和度的方法，其特征在于，在剔除運(yùn)動干擾信號后以及計算血氧飽和度前可進(jìn)一步包括，消除2倍頻 幅度高過l倍頻的步驟。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量血氧飽和度的方法，其特征在于，所 述消除2倍頻幅度過高的步驟具體包括A) 設(shè)定初始化脈率ratel,賦給其一個大于350的數(shù)值；B) 將每次得到的人體脈率，存入rate變量，然后和ratel作比較， 如果rate等于ratel 二倍附近的數(shù)值，則判定此次脈率檢測出現(xiàn)2倍頻 過高的錯誤，拋棄結(jié)果rate值，并用上次結(jié)果ratel賦給rate,作為本 次結(jié)果輸出。如果沒有發(fā)生以上情況，則直接輸出本次計算結(jié)果rate。C) 將rate賦給ratel，作為下次脈率的參考值。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量血氧飽和度的方法，其特征在于，所 述ratel的數(shù)值小于或等于1000。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量血氧飽和度的方法，其特征在于，在 計算血氧飽和度前，如果脈率的信號電平有整體緩慢飄移，在頻譜上接2 近'0，頻率上幅度過大，會影響到脈率判斷，可加截止頻率為0. 5Hz的 硬件高通濾波器，濾除低頻干擾。
6、 一種測量血氧飽和度的裝置，包括中央控制處理單元(1 )、多 5波長光驅(qū)動單元(2)、光發(fā)射裝置(3)、光電接收裝置(4)、信號放 大器(5) 、 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(6)以及顯示裝置(7)，其特征在于，中央控制處理單元(1)用于發(fā)出對多波長光驅(qū)動單元(2)的控制 信號，使該單元發(fā)出驅(qū)動信號；多波長光驅(qū)動單元(2)用于驅(qū)動光發(fā)射裝置(3)發(fā)出兩個不同波 io長的光信號；光電接收裝置接收獲得的被檢測信號，該被檢測信號經(jīng)過信號放大 器(5 )被放大；A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(6)用于將放大后的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號， 進(jìn)而在中央控制處理單元(1)中進(jìn)行信號處理和計算； 15顯示裝置(7)用于顯示最終得到的血氧飽和度；其中，中央控制處理單元(1)中進(jìn)行的信號處理和計算包括a) 將上述數(shù)字信號進(jìn)行濾直流預(yù)處理，得到數(shù)字交流信號；b) 對所述數(shù)字交流信號進(jìn)行抗混疊濾波器濾波和信號抽取，其中抗 混疊濾波器的截止頻率選取不能影響人體的正常信號；20 c )對抽取后的信號進(jìn)行快速傅立葉FFT變換，在頻域上判斷是否有 運(yùn)動狀態(tài)的信號，如果出現(xiàn)運(yùn)動狀態(tài)的頻譜，剔除運(yùn)動干擾信號，得到兩 個對應(yīng)上述不同波長的脈率；d)根據(jù)剔除運(yùn)動干擾后的脈率，計算血氧飽和度。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量血氧飽和度的裝置，其特征在于，中 央控制處理單元(l)中進(jìn)行的信號處理和計算進(jìn)一步包括，在剔除運(yùn)動 干擾信號后以及計算血氧飽和度前的步驟，進(jìn)行消除2倍頻幅度高過1 倍頻的信號處理。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的測量血氧飽和度的裝置，其特征在于，所 述消除2倍頻幅度過高的信號處理包括 A) i殳定初始化脈率ratel,賦給其一個大于350的數(shù)值；B) 將每次得到的人體脈率，存入rate變量，然后和ratel作比較， 如果rate等于ratel 二倍附近的數(shù)值，則判定此次脈率檢測出現(xiàn)2倍頻 過高的錯誤，拋棄結(jié)果rate值，并用上次結(jié)果ratel賦給rate,作為本5 次結(jié)果輸出。如果沒有發(fā)生以上情況，則直接輸出本次計算結(jié)果rate。C) 將rate賦給ratel,作為下次脈率的參考值。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量血氧飽和度的裝置，其特征在于，其 特征在于，所述ratel的凄t值小于或等于1000。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的測量血氧飽和度的裝置，其特征在于， 中央控制處理單元在計算血氧飽和度前，進(jìn)一步包括截止頻率為Q. 5Hz 的硬件高通濾波器，濾除低頻干擾。
全文摘要
本申請公開了一種測量血氧飽和度的方法，其包括以下步驟(1)對經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的被測數(shù)字信號進(jìn)行濾直流預(yù)處理；(2)抗混疊濾波器濾波和信號抽??；(3)快速傅立葉FFT變換，剔除運(yùn)動干擾信號；(4)計算血氧飽和度。其中，在剔除運(yùn)動干擾信號后以及計算血氧飽和度前可進(jìn)一步包括，消除2倍頻幅度高過1倍頻的步驟。本發(fā)明的方法中在計算血氧飽和度之前可進(jìn)一步包括用低通濾波器，消除偏移。本發(fā)明也公開了使用上述方法測量血氧飽和度的裝置。采用本發(fā)明方法和裝置測量血氧飽和度，快捷有效，并加以抽取技術(shù)，大大減小了內(nèi)存的使用和運(yùn)算量。利用頻域上的波形識別，有效地濾除了運(yùn)動狀態(tài)的干擾，提高了儀器測量的準(zhǔn)確性。
文檔編號G06F17/14GK101103921SQ20071012025
公開日2008年1月16日 申請日期2007年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月14日
發(fā)明者劉志文, 劉忠英, 龠 李, 群 王 申請人:北京麥邦光電儀器有限公司