基于自适应LMS算法的无创动脉血氧饱和度

基于自适应LMS算法的无创动脉血氧饱和度监测方法研究王永清，张志鹏，王洪瑞，刘秀玲，孙荣霞（河北大学电子信息工程学院，河北保定市071002）摘要：本文研究了提高无创动脉血氧饱和度监测数据精确度的方法。依据Lambert-Beer定律和血红蛋白吸收光谱给出了动脉血氧饱和度计算公式的推导过程，并根据光电容积脉搏波描记法设计出一种人体无创脉搏血氧饱和度监测方法。使用基于频域的方法消除杂散光的高频干扰，分别提取出血氧脉动信号和恒定信号，并根据生理信号特点进行预处理。利用基于最小均方（LMS）算法的自适应滤波器消除血氧交流信号中存在的运动伪迹，并使用血氧脉动延时信号作为自适应滤波器输入参考信号，有利于简化硬件结构设计，提高血氧监测数据的精确度。实验证明，本研究方法能有效抑制杂散光干扰，非剧烈运动状态下测试误差小于1.3%。关键词：动脉血氧饱和度;光电容积脉搏波描记法;预处理;自适应LMS滤波器;运动伪迹;延时信号中图分类号：TP212.9R318.6文献标识码：A国家标准学科分类310.61StudyonInspectionMethodofNoninvasiveArterialOxygenSaturationonAdaptiveLMSAlgorithmWangYongqing，ZhangZhipeng，WangHongrui，LiuXiuling,SunRongxia(CollegeofElectronic&InformationalEngineering,HebeiUniversity,HebeiBaoding,071002)Abstract：Thepaperstudiesthemethodofincreasingnoninvasivemonitoringdateprecisionofarterialoxygensaturation.ThecalculationformuladerivationofarterialoxygensaturationisgivenaccordingtoLambert-Beerlawandtheabsorptionspectraofhemoglobin.Amonitoringmethodofbodynoninvasivearterialoxygensaturationisdesignedaccordingtothephotoplethysmographyofpulsewave.Basedonthemethodoffrequencyrangethehighfrequencyinterferenceofthestraylightisattenuated,andthepulsatingquantityandconstantsegmentisextractedrespectivelyfromtheoxyhemoglobinsignals.Thetestingsignalispretreatedaccordingtoitsfeatures.TheadaptiveLMSfilterisadoptedtoeliminatethemotionartifactwhichexistsinthepulsatingquantity,andusingthedelaysignalofpulsatingquantityasinputreferencesignaloftheadaptivefilter,thusbenefitingsimplifiedthedesignofhardwarestructureandraisingthetestingprecision.Theexperimentshowedthatthestraylightinterferenceissuppressedeffectively,andtesterrorislessthan1.3%innon-strenuousmovement.Keywords：arterialoxygensaturation;thephotoplethysmographyofpulsewave;pretreatment;adaptiveLMSfilter;motionartifact;delaysignal科技部国际科技合作项目(2008DFR10530)资助。1、引言氧是生命活动的物质基础，而血氧饱和度是反映人体血液携氧能力的重要参数[1]。由于心脏呈周期性收缩和舒张，当血液随脉搏波流过肺部时，血液中一定含量的还原血红蛋白（Hb）与肺泡中的氧气结合成为氧合血红蛋白（HbO2），然后这些氧被运载到全身的毛细血管，用以维持细胞组织的代谢。及时检测动脉中的血氧含量，是判断人体循环和呼吸系统是否出现障碍或者周围环境是否缺氧的重要指标[2]。在医学中一般通过测量动脉血氧饱和度（SO2）来描述人体动脉血液中氧的含量。动脉血氧饱和度是指氧和血红蛋白的含量占血红蛋白总量的百分比[1]，即%100222HbHbOHbOCCCSaO（1）血氧饱和度的测量方法可分为有创测量和无创测量。有创测量的方法多用于需要准确的血氧饱和度数据的场合，但是操作方法较为繁琐，检测结果缺乏时效性，还易对病患造成痛苦。但是利用光谱学的方法对生物组织进行无创监测具有连续、及时、安全等优点，因此在临床使用过程中，无创动脉血氧饱和度监测日益扮演起重要的角色。无创脉搏血氧饱和度的监测技术的研究早在20世纪初期就已经开始了，20世纪三、四十年代后期，各种血氧监测的技术开始大量涌现，但是并没有获得实际的应用。在50年代Wood和Coworker描述了一种无创检测血氧饱和度的方法，通过对耳垂加减压，并测量其透光强度，推导出血氧饱和度。1974年世界上第一台脉搏血氧饱和度仪OLV5100问世。但均无法抑制运动伪迹和弱灌注对于血氧饱和度测量的影响。目前，国外知名的血氧产品品牌有:Nelleor、Masimo、philips和CSI等，并且在一定程度上解决了运动噪声和弱灌注的问题，但是国外品牌血氧测试仪在国内市场价格昂贵，无法满足我国全民医疗保障需求。国内市场也有很多科研单位和厂家从事血氧仪的研究，如中国航天工业总公司第一研究院的无创伤脉率血氧饱和度监护仪，北京超思技术公司的血氧饱和度监测仪，华中理工大学的脉搏血氧多波长测量方法，但是在处理运动伪迹和弱灌注方面，与国外一些知名产品存在明显差距。2、无创动脉血氧饱和度测量原理与方法2.1无创动脉血氧饱和度测量原理无创动脉血氧饱和度监测方法是根据光电容积脉搏波描记法设计的。当心脏收缩时，动脉血管充盈度为最高状态，测试光源的入射光受脉动动脉血液影响最大，入射光吸收量最高，因此出射光强最小；而心脏舒张时，动脉血管充盈度为最低状态，入射光没有受到脉动动脉血液的作用，光吸收量最小，出射光强最大，如图1所示[3]。图1光电脉搏信号示意图Fig.1Theschematicdiagramofphotoelectricpulsesignal在静态下静脉血、肌肉、骨骼和皮肤等其他组织对光的吸收是稳定不变的。并且在400~900nm波段，血液中水和细胞色素等物质对光的吸收与血红蛋白的吸收相比可忽略不计[4]。因此人体组织对400~900nm波段入射光的吸收变化主要是由动脉血液中的氧和血红蛋白和还原血红蛋白的含量变化引起的。实验中，把入射光被人体组织吸收基本稳定的信号称为恒定信号（即直流量IDC）。把由动脉血管搏动引起的入射光吸收量周期性变化的信号称为血氧脉动信号（即交流量IAC）。当以一个特定波长光照射测试部位时，按照Lambert-Beer定律，通过测试部位后的光强为[1]：LCLCLCDCHbHbHbOHbOeeeII22000(2)其中，I0为测试光源入射光强，ε0为人体组织和静脉血的总吸光系数，C0人体组织和静脉血中光吸收物质的浓度，L为光通过人体组织和静脉血的路径长度；εHbO2为动脉血液中氧合血红蛋白（HbO2）的吸光系数，CHbO2为动脉血液中氧和血红蛋白的物质浓度；εHb为动脉血液中还原血红蛋白（Hb）的吸光系数，CHb为动脉血液中还原血红蛋白的物质浓度。光路径长度L随动脉的搏动发生变化，假设当L增加△L时，透射光强变化量为IAC，式（2）可写为：))((02200LLCCLCACDCHbHbHbOHbOeeIII(3)将式（2）和式（3）相除，得LCCDCACDCHbHbHbOHbOeIII)(22(4)在血氧信号中脉动成份IAC远小于恒定成份IDC，对式（4）两边取对数，则LCCIIIIHbHbHbOHbODCACDCAC)()1ln(22(5)设动脉血氧饱和度SaO2为S，将式（1）代入式出射光强度IDCImaxImin动脉血静脉血组织无搏动血流搏动血流IAC（5）中，则)()]1([22HbHbOHbHbODCACCCLSSII(6)若使用两种波长为λ1和λ2的光束分别照射测试部位，则)()]1([211211HbHbOHbHbODCACCCLSSII(7))()]1([222222HbHbOHbHbODCACCCLSSII(8)将式（7）和式（8）相比，可得：)1()1(//2221122211SSSSIIIIHbHbOHbHbODCACDCAC(9)若选择合适的波长为λ2的入射光线，使得εHbO2λ2=εHbλ2，式（9）可写为：211122211)(//HbHbHbHbODCACDCACSIIII(10)令2211//DCACDCIIIIRAC，则动脉血氧饱和度SaO2为：11211122HbHbOHbHbHbOHbRS(11)2.2测量光波长和测试部位的选择由血氧饱和度计算公式（式11）可知，应依据氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收光谱曲线选择合适波长的测试光源，使得εHbO2λ2=εHbλ2，并使εHbO2λ1与εHbλ1相差较大，以便提高计算灵敏度。血液中氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）在红光和近红外光区吸收光谱如图2所示[5]，在波长650nm附近处，两种血红蛋白的吸光系数相差较大；在波长850nm~950nm的范围内，两物质吸光系数近似重合。综合考虑实验条件等因素，在试验中选择波长分别为660nm和940nm的两种发光二极管作为测试光源。此外，由于指尖部位毛细血管丰富，组织比较薄，且测试方便灵活，因此作为测试部位。图2氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收光谱曲线Fig.2Theabsorbencyspectrumcurveofoxyhemoglobinandreducedhemoglobin3、硬件设计及其工作原理人体动脉血氧饱和度监测仪电路框图如图3所示，由信号探测与转换部分、信号处理部分和DSP信号采集与数字滤波部分组成。图3动脉血氧饱和度监测仪电路框图Fig.3Thecircuitblockdiagramofarterialoxygensaturationmonitor3.1血氧信号探测与转换由DSP产生频率为200Hz的时序控制信号驱动血氧测试光源按红光-熄灭-红外光-熄灭的顺序周期性工作，如图4所示。光传感器采用硅光电池，其光谱响应范围为400nm~1100nm与测试光源波长660nm、940nm匹配[6]。光电池配接输入阻抗等效为0的I/V变换器，使光电池处于准短路状态（如图5（a）所示），以保证输出的电信号与血氧光信号成线性关系。此外，据图1可知，光电池采集到的脉搏血氧信号为反相信号，因此本测试方法采用了反相输入型I/V转换电路，输出信号UO1即为正相信号。图4DSP时序控制信号Fig.4DSPsequencecontrolsignal3.2杂散光干扰抑制与血氧复合信号分离根据对脉象信号的频谱分析可知，正常人脉搏信号的能量绝大部分集中分布在10Hz以内，病理性脉搏信号有一部分能量分布在10Hz以上[7]。故采用图5