基于msp430的反射式血氧飽和度無創(chuàng)檢測系統(tǒng)的研究

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀動脈無創(chuàng)傷血氧飽和度監(jiān)測廣泛應用于臨床風險患者的監(jiān)督、手術(shù)中麻醉的監(jiān)督、手術(shù)后患者的恢復、呼吸和睡眠的研究、社區(qū)醫(yī)療監(jiān)督等領(lǐng)域。它具有安全可靠、連續(xù)實時、無創(chuàng)傷的特點。對其原理的不斷深入研究以及測量方法的不斷改進,促進了血氧飽和度儀的發(fā)展。無創(chuàng)脈搏血氧測定法的研究國內(nèi)外均在進行,具有廣泛的研究價值和應用前景。目前,透射光法(傳輸型)血氧計的技術(shù)相對比較成熟,國內(nèi)外的許多研究機構(gòu)對透射型血氧計的測量方法和軟硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)做了充分的探索,并已開發(fā)出很多較為成熟的產(chǎn)品。但由于透射型血氧儀的光傳感器安放的位置比較單一,不可能監(jiān)測人體多個部位的血氧飽和度(如前額、胸部、背部等部位),尤其是對新生兒和胎兒血氧的監(jiān)測等方面有其自身的局限性。因此,在探索透射型血氧儀的同時,有很多的科研機構(gòu)和研究人員開始了對反射型血氧儀的研究。相對于透射型血氧計,目前關(guān)于反射型血氧計臨床監(jiān)測數(shù)據(jù)的報告比較少,無論從傳感器的設(shè)計、軟硬件結(jié)構(gòu),還是測量方法等方面均值得進行深入探索。本文基于擴散傳輸理論,推導出了應用反射式傳感器對脈搏血氧飽和度檢測的理論計算公式,以MSP430為開發(fā)平臺,研制了一種反射式血氧飽和度的檢測系統(tǒng),并給出了該系統(tǒng)血氧飽和度計算的經(jīng)驗公式。2反射式血氧飽和度檢測原理透射式血氧飽和度檢測中,光檢測器與光敏二極管分別置于被檢測部位的兩側(cè)表面上,主要接收的是穿透組織透射過來的光;而反射式血氧飽和度檢測中,光檢測器與光敏二極管均置于被檢測部位的同一表面上,主要接收的是在組織中反射過來的光。光在生物組織中的傳播規(guī)律可用傳播理論的粒子描述來說明:依據(jù)光的擴散傳輸理論,光子的傳播行為可以用組織光學特性參數(shù)來描述,這些特性參數(shù)定量地描述了組織的光學效應,如用吸收系數(shù)和散射系數(shù)來描述組織對入射光的吸收能力和散射能力,用有效透射深度表示光在組織中的穿透能力等。20世紀90年代初,Sevick和Chance等人針對近紅外光譜法在組織血氧飽和度檢測領(lǐng)域的應用和發(fā)展,詳細闡述了在時域和頻域光譜技術(shù)中確定血氧飽和度的理論計算公式;20世紀90年代末,Lago及Lugara等人認為,時域光譜技術(shù)中得出的結(jié)論,可以推廣應用至以Lambert-Beer定律為基礎(chǔ)的連續(xù)光譜技術(shù)中,Casavola和Cicco等人分別將時域和頻域光譜技術(shù)的理論嘗試應用于實際檢測中。在上述理論以及實踐的指導下,本研究考慮采用擴散傳輸理論來解釋光在組織中的行為,并用此理論對反射式血氧飽和度檢測原理進行推導。根據(jù)Lambert-Beer定律,利用光通過一段已知路徑L后的衰減可以定量描述吸光物質(zhì)濃度C及吸收系數(shù)μa:其中,ε為吸光系數(shù);C為吸光物質(zhì)濃度;I0和I分別為入射光和檢測到的光強;μa是吸收系數(shù),即光子在單位路徑內(nèi)被吸收的概率。根據(jù)擴散傳輸理論得到組織或渾濁介質(zhì)中位置r處、時間t時的通用光子擴散方程為:其中,#(r,t)為(r,t)點處的光密度,μa為吸收系數(shù),S(r,t)為光源量,c為光子行進速度(常數(shù)),D為擴散系數(shù),是從宏觀上反映生物組織漫射特性的一個基本的特性參數(shù),單位為m或cm;對光子遷移來說,擴散系數(shù)表達式為:其中,μs是散射系數(shù),g為散射角余弦的平均值,稱為散射各向異性因子;(1-g)μs項稱為有效散射系數(shù)或等效各向同性散射系數(shù)。公式(1)是通用的熱量和質(zhì)量傳遞的擴散方程,是由描述不帶電粒子運動的輻射傳遞方程推導得到的,因此適用于光在強散射介質(zhì)中的傳播。根據(jù)光子擴散方程(2)以及時間分辨光譜技術(shù),Patterson等人按照實際的邊界條件給出了在一光脈沖激勵后的光子流量分布公式,主要包括透射式和反射式2種情況。其中,反射式光強的公式為:式中,z0等于[(1-g)μs]-1;ρ是坐標中光源與檢測器之間的距離。對式(4)求ln并對t求導,得到下面的公式:當經(jīng)過時間足夠長時,上式左邊將接近于-μac,即:因此,通過上述推導可以得出反射光強的變化率與吸收系數(shù)成正比的關(guān)系。即:式中,W表示光強的變化率。下面分析如何將吸收系數(shù)和吸光物質(zhì)濃度C(主要是氧和血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度)聯(lián)系起來,以便獲得雙波長血紅蛋白氧飽和度的測量方法。有研究表明,在近紅外光區(qū),由水、細胞色素等物質(zhì)引起的吸收與脫氧血紅蛋白跟氧和血紅蛋白相比要小得多。因此,當選擇波長位于近紅外光區(qū)的兩束光探測組織時,僅考慮脫氧血紅蛋白和氧和血紅蛋白的影響,在2個波長下的吸收系數(shù)可按公式(1)寫成下式:結(jié)合公式(7),根據(jù)雙光束法得到下面的公式:式中的均為常數(shù),可采用時域或頻域的光譜分析法獲得。那么公式(11)可改寫為:式中As、Bs為經(jīng)驗常數(shù),可通過實驗定標獲得。光通過組織和血管時,可分為非脈動成分(如皮膚、肌肉、骨骼、靜脈血等)和脈動成分(如動脈血),即可稱為直流量和交流量。因此,光強在組織中的變化率,可表示為:W=IAC/IDC,由此,血氧飽和度公式(11)可改寫為:式(13)是作為血氧飽和度測量的線性關(guān)系的經(jīng)驗公式。而在實際應用中,考慮到作為光源的發(fā)光二極管的個體差別以及人體生理組織的較大差異等因素,大多數(shù)商品化的脈搏血氧計都采用經(jīng)驗化的計算公式,也就是通過對實驗的統(tǒng)計分析所獲得的經(jīng)驗公式。通過對雙波長光強變化和血氧飽和度之間的相關(guān)分析產(chǎn)生了二次函數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗公式,可分別表示為:式中As、Bs、Cs為經(jīng)驗常數(shù),可通過實驗定標獲得。大多數(shù)的研究表明,在反射式血氧飽和度的測量中,二次函數(shù)的擬合要比線性擬合的結(jié)果好,具體采用哪個經(jīng)驗公式作為血氧飽和度的計算公式需要根據(jù)定標的結(jié)果來確定。3光電容積脈沖調(diào)制基于微型化、便攜式和低功耗設(shè)計的考慮,脈搏血氧飽和度檢測采用MSP430F149單片機作為硬件電路控制和數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)暮诵摹Ｕ麄€系統(tǒng)包括電源管理電路、光電傳感器、探頭驅(qū)動電路、放大電路、濾波電路、自動增益控制電路、積分控制電路、串口通訊模塊和液晶顯示模塊等。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。進行血氧飽和度檢測時,由MSP430F149單片機周期性地發(fā)送2路脈沖到探頭驅(qū)動模塊,2路脈沖經(jīng)過探頭驅(qū)動模塊進行功率放大后,送到光電傳感器的紅光和紅外光光電二極管上,使其周期性地發(fā)射紅、紅外光脈沖,形成光調(diào)制。調(diào)制光脈沖信號通過組織后被光敏二極管接收后重新轉(zhuǎn)化為電壓信號。當脈搏搏動時,流過組織的血液流量發(fā)生變化,紅光和紅外光的光強隨之相應地發(fā)生變化,變化的光強信號由光敏二極管接收并轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號,就得到了經(jīng)過調(diào)制的光電容積脈搏波信號。將2路調(diào)制信號先送入一個由三運放組成的差動放大電路進行第一級放大,然后經(jīng)過二階巴特沃斯低通濾波器濾波,隨后送入可控增益放大電路進行增益調(diào)節(jié),得到2路基線平穩(wěn)的信號,然后通過適當?shù)慕厝『笏腿肟煽胤e分放大電路,使2路信號得到均衡放大,即通過調(diào)整2路信號的放大倍數(shù),使得2路信號的幅度均等,隨后將這2路信號通過多路開關(guān)分時送入可控制的截取放大電路進行放大,然后送入單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,由單片機進行數(shù)據(jù)采集,采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字處理后提取脈搏波特征點,并計算血氧飽和度,由液晶屏顯示所測的血氧值。4預射血氧測量的軟件設(shè)計和信號處理方法4.1脈沖場監(jiān)控設(shè)計整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為2個部分:第一部分為基于單片機的血氧測量儀硬件控制的軟件設(shè)計;第二部分為脈搏波信號處理與分析。硬件控制的軟件設(shè)計主要包括界面顯示、時序控制、增益控制;信號處理與分析軟件設(shè)計包括在單片機中對光電容積脈搏波進行預處理和提取脈搏波特征點并計算血氧飽和度,以及在計算機上對通過串口傳輸上來的光電容積脈搏波數(shù)據(jù)進行分析。4.2信號通路的控制和血氧飽和度的計算MSP430單片機系統(tǒng)對硬件電路的控制主要包括對液晶顯示界面的控制。首先,主程序進入一個死循環(huán),在循環(huán)中完成主界面的顯示后,CPU進入休眠狀態(tài),等待定時器中斷處理。當定時器中斷掃描到有按鍵動作時,對動作的按鍵進行處理,通過控制模擬開關(guān)(MAX4522)的導通和截止,從而達到對信號通路的控制;通過單片機對增益信號的采樣,再進行數(shù)字低通濾波和移動平均,得到比較光滑的基線數(shù)據(jù),然后判斷所采到的增益信號的值是否低于所設(shè)定的閾值:如果低于閾值,則增加用來做反饋電阻的數(shù)字電位器的阻值,直到采樣得到的增益信號等于或大于所設(shè)定的閾值,達到對兩路信號增益的均衡放大;對積分脈沖信號的采樣值同樣進行數(shù)字低通濾波和移動平均處理,然后同所設(shè)定的閾值寬度進行比較,判斷是否在所要求的閾值范圍之內(nèi),如果超出閾值范圍,則通過增加或減少單片機PWM的占空比達到對截取電平高低的控制,保證所采集到的脈搏波信號不致于過低或飽和;最后對所采集到的脈搏波信號進行微分閾值算法的處理,找到脈搏波信號的最大、最小值,進行血氧飽和度的計算,并把所采集到的脈搏波信號與計算得到的血氧飽和度的值通過串口傳輸?shù)接嬎銠C上,以便在計算機上觀察脈搏波信號以及進一步的分析處理等;之后單片機進入休眠狀態(tài),完成一次血氧飽和度的測量,并等待按鍵的再一次動作。4.3脈沖波信號的處理和分析4.3.1基于承擔脈沖波的信號分析基于MSP430F149單片機的脈搏血氧飽和度儀所采集到的光電容積脈搏波信號,經(jīng)過第一級差分放大、硬件電路的濾波、增益控制、積分控制、截取控制后,經(jīng)單片機的AD端口采樣送入單片機,然后將采集到的紅光、紅外光的數(shù)據(jù)通過RS232串口傳入計算機,利用LabVIEW軟件實現(xiàn)計算機部分的顯示、存儲以及更深入的分析等?；趩纹瑱C所提取的脈搏波信號如圖2所示?？梢钥闯?信號不夠平滑,還需要進一步的處理。4.3.2數(shù)字低通濾波器脈搏波信號僅僅通過硬件電路的濾波后,波形不是很理想,仍需要進一步的處理,這里采用數(shù)字低通濾波器來盡量消除各種電磁波的干擾、電源噪聲等。圖3為經(jīng)過FIR低通濾波后的脈搏波信號。4.3.3微分閾值檢測由于脈搏波是一種以低頻成分為主的生理信號,不像心電信號中有一個頻率相對比較高的QRS波群,加之受生理狀態(tài)、個體差異和傳感檢測手段等因素的影響,所以脈搏波信號在形態(tài)上往往差異很大,而且常常伴隨著比較大的基線漂移和噪聲干擾。如何對脈搏波進行有效的處理,準確識別脈搏波,以正確劃分脈搏波周期,并在相應周期內(nèi)提取脈搏波的峰—峰值,是計算血氧飽和度的基礎(chǔ)。微分閾值法是常用于脈搏波波形檢測的一種方法,這種方法利用脈搏波形態(tài)上具有陡峭上升沿的特點,通過微分運算將其突出出來,脈搏波的峰—峰值便很容易確定下來了。具體算法是,假定脈搏波信號的輸入序列為x(t),t對應時間序列,t=0,1,2…n,微分信號對應的序列為y(t),t同樣對應與時間序列,t=0,1,2…n,那么有:從以上公式及圖4中可以看出,y(t)事實上就是對脈搏波信號的輸入序列為x(t)一種特殊的微分,t代表采樣時間,k是步長,也就是相隔幾個點做一次微分。經(jīng)過這樣的微分化后,根據(jù)所得到的微分值比較容易確定脈搏波的周期以及最大最小值。在實際的應用過程中,從圖4中可以看出,在脈搏波的上升支到下降支的過程中,所對應的微分信號中有一個很明顯的信號增大的點,而其余的點所對應的信號都比較小,因此,在微分函數(shù)y(t)的基礎(chǔ)上,再減去一個閾值,原則上選取微分最大值的一半作為閾值,得到函數(shù)z(t),z(t)可表示如下:其中,H為x(t)-x(t-k)當中的最大值,微分閾值的信號如圖5所示。在圖4中,上面部分的脈搏波信號是經(jīng)MSP430的A/D端口采樣并經(jīng)過數(shù)字濾波后得到的,下面的信號是對脈搏波微分后得到的信號,微分閾值的信號如圖5所示。從該圖中可以看出,只要根據(jù)微分閾值后的信號,通過對該點的向前和向后預測,可以比較容易、準確地找出脈搏波信號的峰—峰值。5血氧飽和度的測定血氧飽和度檢測儀的定標校驗是一項比較復雜的工作。由于受各種生理、物理因素的影響,其定標并不是按照血氧飽和度與吸光度變化之間的公式來進行,而是僅由實驗測定常數(shù),并繪制定標曲線以確定紅光與紅外光強度變化率和血氧飽和度的一一對應關(guān)系,從而獲取經(jīng)驗定標曲線,確定血氧飽和度計算公式。脈搏血氧飽和度定標的方法大概有4種,本實驗研究中選用Bio-Tek生產(chǎn)的Index2SpO2脈搏血氧仿真器進行儀器定標。5.1定標曲線擬合在實際定標過程中,按照定標儀的操作說明設(shè)置好后,在每個血氧值的對應點上測量10次,取其平均值作為在這個點所測量到的紅光直流(RedDC)、紅光交流(RedAC)、紅外光直流(IRedDC)和紅外光交流(IRedAC)的值,然后計算R/IR,即,也就是紅光交直流的比值與紅外光交直流的比值之比,從血氧飽和度最大值100%開始定標,每次遞減2%,直到血氧飽和度為35%為止,根據(jù)所測的數(shù)值,將不同的血氧飽和度的值所一一對應的值,對公式(13)、(14)分別進行線性擬和及二次曲線擬合,即可得到定標曲線,并且可以確定經(jīng)驗常數(shù)的數(shù)值,然后將其帶入原公式中,就可以計算出血氧飽和度的值。利用SPSS軟件繪制出曲線擬合圖(如圖6所示)以及SPO2與R/IR一一對應的散點圖,即定標曲線圖(如圖7所示)。其中,縱坐標表示血氧飽和度(SPO2)的值,橫坐標表示(R/IR)的值。根據(jù)線性擬合和二次函數(shù)擬合,得到了血氧飽和度(SPO2)與(R/IR)之間的線性函數(shù)關(guān)系式和二次函數(shù)的關(guān)系式,即:根據(jù)對兩組公式的定標,很容易看出,二次曲線的擬合要好于線性擬合,從定標曲線圖中可以看出,在高血氧段(75%以上),公式所對應的定標曲線相對變化比較平緩,但低血氧段曲線要比高血氧段陡一些,說明所測得的R/IR值的較小的變化,可以引起血氧值比較大的變化,在本課題中,采用公式(2-14)作為計算血氧飽和度的經(jīng)驗公式。6血氧飽和度的測量本課題的研究主要是面向血氧飽和度的反射式測量,相對于透射型(傳輸型)血氧計,在實踐