反射式小鱼际脉搏血氧计的研制及人体实验校准

反射式小鱼际脉搏血氧计的研制及人体实验校准 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 反射式小鱼际脉搏血氧计的研制及人体实验校准 第35卷第1期 郭1，22232涛，曹征涛，吕沙里，帅万钧，俞梦孙* (1(北京航空航天大学生物与医学工程学院北京100191;2(中国人民解放军空军航空医学研究所 北京100048)北京100142;3(中国人民解放军总医院第一附属医院 摘要:脉搏血氧计是用于无创监测人体动脉血氧饱和度的常用仪器，其中大多数采用透射式工作模式，因此只能应用于指端，耳垂等肢体末端部位。此类脉搏血氧计存在着长期监测时佩戴不舒适以及肢体末端低灌注情况下测量准确度低的问题。针对上述问题，基于反射式测量动脉血氧饱和度的原理研制了一种应用于手掌小鱼际处的手套式脉搏血氧计，并采用人体低氧实验的方式对光吸收比例系数与血氧饱和度的关系曲线进行了定标，实验结果表明该脉搏血氧计的准确度较高，可以用于动脉血氧饱和度的监测。 关键词:脉搏血氧计;反射式;小鱼际;校准 中图分类号:,318(6TH77文献标识码:A国家学科分类代码:310(61 Developmentofareflectivehypothenarpulseoximeterand itscalibrationinhumanhypoxiaexperiment 2GuoTao1，，CaoZhengtao2，LvShali2，ShuaiWanjun3，YuMengsun2 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ (1(SchoolofBiologicalScienceandMedicalEngineering， BeihangUniversity，Beijing100191，China;2(InstituteofAviation MedicineofPLA，Beijing100142，China;3(TheFirstAffiliatedHospital， GeneralHospitalofPLA，Beijing100048，China) Abstract: Pulseoximeterisacommon-useddevicetomonitorthehumanbodyarterialoxygensaturation(SaO2)non-invasively， whichusuallyworksintransmissionmode(Therefore， thiskindofoxymeterscanonlybeappliedtothepe-ripheralpartsofthebody， suchasfingerendsandearlobes， whichleadstothediscomfortintheseareasinlongtermmonitoringorinaccuratemeasurementsinthesituationoflowperfusion(Aimingattheseproblems， areflectivepulseoximeterinthegloveformfortestingthearterialSaO2atthehypothenarwasdesigned(Ahypoxiaexperimentstudyonhealthyparticipantswasconductedtocalibratetherelationcurveofthered-to-infraredabsorbanceratio(,)vs(thepulseoxygensaturation (SpO2)(TheexperimentresultsshowthatthisnewpulseoximeterhashighaccuracyandcanbeusedtomonitorthearterialSaO2( Keywords:pulseoximeter;reflective;hypothenar;calibration SaO2的监测主要采用脉搏血氧计(pulseoximetry)，其测 1引言SpO2)与量的脉搏血氧饱和度(pulseoxygensaturation， SaO2高度相关。脉搏血氧计依据工作原理分为透射式 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 和反射式2种,4,SaO2)是动脉血氧饱和度 (arterialoxygensaturation， 反映人体缺氧与否的重要指标，因此监测SaO2在临床医 学中具有重要的意义，已广泛应用于临床的很多场合，例 如麻醉,1,。透射式脉搏血氧计要求被测部位必须具有透光性，因此能够应用此类脉搏血氧计的部位有限，通常是手指或者耳垂等末梢部位。在寒冷环境中，末梢组织会出现低灌注的情况，这会显著影响脉搏血氧仪的、睡眠监测,2,、重症监护,3,等。医疗实践中对于 09收稿日期:2013-,eceivedDate:2013-09 *基金项目:国家科技支撑计划项目(2011BAI02B08)、JL2-025)资助项目军事医学计量科研专项(2011- 准确性 ,5-7, ;为了保证信号质量，透射式脉搏血氧计的探 头需夹住被测部位并保持一定的紧度，在长时间佩戴的 情况下，易造成被测部位的疼痛。本文基于反射式血氧测量原理设计了一种能够应用在手掌小鱼际处的手套式脉搏血氧计，小鱼际处的血供丰富，可有效提高寒冷环境下测量的准确度，同时，该血氧计的探头只需贴合小鱼际，不需夹紧，因此适用于长时间无创监测血氧饱和度。 由于受多种生理、物理因素的影响，脉搏血氧仪的光吸收比例系—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 数与血氧饱和度之间的关系很难建立一种准确的理论模型，因此脉搏血氧仪的定标只能通过实验的方法来解决 ,8, 其中静态部分(DC)的信号是经由皮肤、真皮、静脉 血等非脉动部分反射的光强度信号，而动态部分(AC)的信号则是由血液的动态灌注所引起的反射光强度信,11, 号。PPG中的AC信号相较于DC部分在幅度上很小，但该2组信号对于血氧饱和度的计算都是必须的。如 红外光的波长为为λ2，反射光设入射红光的波长为λ1， ,12, 强度信号为I，则光吸收比例系数,可由式(1)得到: IAC，λ/IDC，λ (1),= IAC，λ/IDC，λ 1 1 2 2 ,值与脉搏血氧饱和度之间存在着函数关系，即:SpO2=f(,) (2) 式(2)可以近似为一个线性在理论近似的条件下， ,值与函数。但是，由于假设模型过于简单，在实践中， —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ SpO2之间的函数关系或者关系曲线必须由实验校准得到。 2(2反射式小鱼际脉搏血氧计的设计2(2(1 LEDs与PD之间距离的合理设计 ,13, 。最为可靠的定标实验方法是人体实验， ,9, 本文按照相关国际标准对手套式脉搏血氧计进行了人 体定标实验，实验结果表明，手套式脉搏血氧计经过定标后具有较高的准确度，适用于血氧饱和度的监测。 2 2(1 反射式小鱼际脉搏血氧计的原理与设计 反射式脉搏血氧饱和度测量原理 血液中氧合血红蛋白与还原血红蛋白在红光区(400,700nm)和近红外光区(700,1000nm)对光的吸收特性存在明显的差异。因此，可利用红光和红外光照射血液，通过两 ,10, 者反射光的强度差异来计算血氧饱和度。图1为反射式脉搏血氧传感器的结构示意图，其中发光源(LEDs)发出2种波长的红光，而光电管(PD)则接收经由组织和血液的反射光，并将光强转换为电信号 。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 入射光进入组织后由于生物体组织是高散射体， 再穿透静以弧线路径传播，首先要穿透皮肤和皮下组织，脉和动脉(见图3)。固定在某一位置上的具有有限面积 的PD只能获得入射光的很小一部分。所以，为了测量动脉血氧饱和度，必须使部分光子到达动脉血管，同时，选择合理的穿透深度可以适当降低入射光强度，提高PPG信号的质量，在降低功耗的同时提高人体安全性。决定光子穿透深度的因素很多，如入射光波长、强度、介质的吸收系数、散射系数、皮肤黑色素成分的多少以及LEDs和PD之间的距离X等，因而，在传感器设计中因当根据不同生理部位所需的穿透深度，合理设计发射和接收之间的距离X 。 图1反射式脉搏血氧传感器结构图 Fig(1StructureofthereflectiveSpO2sensor 随着脉搏波的传导，动脉中的血液容积会发生周期 性的脉动，导致反射光强度信号周期性波动，该信号也称为光血液体积描记图(PPG)。PPG信号的示意图如图2所示 。 图3 组织中的光反射路径 Fig(3Thelightreflectivepathintissue 漫反射光在均匀介质内的最大穿透深度hmax和该介质所需发射接收距离L的关系可用式(3)来表达 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 图2 PPG信号示意图 ,14, : Fig(2PPGsignal L=2h2as(3)max式中:μa为介质的吸收系数，μs为介质的约化散射系数。手掌小鱼际处的皮层组织总厚度约3mm，可近似认为皮 32仪器仪表学报第35卷 层组织各层(表皮、真皮、皮下组织)所需的最大穿透深 若设皮层中第i层组织的μa和μs分别度hmax即为3mm， 代入式(3)可得到穿透该层组织所需的发射为μai和μsi， 与接收距离Li为: Li=18 则假定光在各层介质中漫反射的概率是平均分布， LEDs和PD之间的所需的距离X为各层Li的权重平均值即: 1X= 3似值 ,15, 3 aisi (4) —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ?LZ i=1 ii (5) 式中:Zi为各层的厚度，表1列出了各层参数的近 。 表1 小鱼际皮肤各层组织的参数hypothenarskinarea 分层(i)表皮(i=1)真皮(i=2)皮下组织(i=3) μai/mm,10(1560(5560(089 μsi/mm,1 1(731(731(14 Zi/mm0(10(72(2 图4反射式小鱼际脉搏血氧计实物图 pulseoximeter Table1Theparameterofeachlayerin Fig(4Aprototypeofthereflectivehypothenar 3人体校准实验 由于诸多因素无法定量，脉搏血氧计的,值与SaO2 将表1中的各层参数代入式(4)和(5)，可最终计算 出LEDs和PD之间所需的理论距离约为15mm，但是由于人体组织各向异性、高散射、个体差异大，同时μa和μs也存在波长误差、—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 个体误差等，所以该计算结果仅可提供指导，还需经过试验摸索得到。根据理论计算以及试验，本文LEDs和PD之间的距离设计为9mm。2(2(2 多PD接收提高信噪比由于生物组织的漫反射，单个PD所接收到的反射光信号只占总入射光信号的很小一部分。美国伍斯特理 的关系无法建立准确的理论模型，目前，这一关系只能通过人体实验的方式来进行校准。人体实验的方法即由健康志愿者佩戴待评估的脉搏血氧计并人为降低健康志愿者的血氧饱和度，在这一过程中，利用参考设备(血气分析仪)测量被试者的SaO2值并同时记录脉搏血氧计的,值，从而可得到,值与SaO2的对应关系曲线。由于个体之间的差异性，每个个体的,值与SaO2的对应曲线是不同的，但根据医疗器械的使用要求，脉搏血氧计的准确度应是独立于样本的，因此，人体实验的志愿者应满足一定的数量以及性别要求，将所有志愿者的,值与SaO2合并后进行拟合，获得一个统一的曲线，并对其准确度进行评价。实验获得的,值与SaO2的曲线将被固化在脉搏血 从而完成脉搏血氧计的校准。氧计的SpO2计算单元中， 本文根据相关标准对人体评估实验的指导意见 ,9, ,16, 结果证明工学院实验室对多PD接收做过对比实验， 多PD接收可以明显提高PPG的信噪比，同时降低驱动 电流。多PD接收传感器由于增大了光感应面积，可增加PPG信—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 号中的AC成分，虽然PPG信号中的直流成分DC会变大，只要合理设计前级电路的放大倍数和后级电路去除直流就可以在人体血流灌注比较弱的地方得到较好的PPG信号。多PD接收提高信噪比的前提是各个接收传感器之间的距离不能太远，否则每个传感器处的光吸收比例系数与血氧饱和度的对应关系将存在较大差异，从而导致所接收到的多路信号无法合并增强。同时，过多的PD接收传感器又会导致DC过大，在第1级放大时即出现饱和。本文在兼顾传感器尺寸与信噪比的前提下，设计了单LEDs发射双PD接收的反射式脉搏血氧传 2个接收PD之间的距离为18mm，感器，均位于小鱼际处。图4(a)是反射式小鱼际脉搏血氧计的内侧实物图，图中圆圈处为脉搏血氧传感器，图4( b)是外侧实物图，图中的矩形盒体为信号处理单元。 ，对本 文设计的反射式小鱼际脉搏血氧计进行了定标和准确度 评估实验。3(1 实验设计 实验志愿者共10名，其中女性4名，男性6名，年龄处于18,32岁，身体健康，无吸烟史。该实验在中国人民解放军空军航空医学研究所进行，并经过了伦理委员会的许可，实验前获得了所有志愿者的知情同意。舱内的氧气本文设计了一种常压低氧舱(见图5)，浓度可调节，可以模拟海平面至海拔7000m的氧气环境，从而可以调控舱内被试者的血氧饱和度。该舱的舱壁全透明，可以观察舱内被—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 试者的状态，舱内的气压是常压，如果被试者出现不适，可随时开启舱门。 33 4实验结果 图7是一名被试者的,值曲线与采集到的血气分析 可以看到SaO2按照预设分5个平台期逐步下值SaO2， ,值与SaO2存在明显的相关性 。降， 图5低氧实验舱 Fig(5Thehypoxiaexperimentcabin 志愿者进入舱内后于沙发上坐卧，并将实验开始后， 一侧前臂通过舱壁上的相应开孔伸出舱外，平放于舱外的7操作台上，指端佩戴血氧饱和度指示设备Masimo,adical-脉搏血氧仪指套，该侧桡动脉用于采血，同时，对侧手掌佩戴反射式小鱼际血氧测量仪。Masimo血氧仪的测量值通过串口数据线传输至舱外监控电脑，反射式小鱼际血氧测量仪的测量值则通过蓝牙发送至舱外监控电脑。 实验中通过控制舱内的氧气浓度，使被试者的血氧饱和度从100%附近分5个平台期逐步下降到70%,77%，各平台期血氧饱和度范围如表2所示。 表2 各平台期血氧饱和度范围 Table2Thebloodoxygensaturationrangefor —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ eachSaO2plateauperiod 平台期 12345 血氧饱和度范围100%,97% 97%,92%92%,85%84%,78%77%,70% 图7某一个体的,值与SaO2 Fig(7,andSaO2foranindividualparticipant 在人体实验校准前，本文利用Masimo脉搏血氧模拟器对所设计的血氧计进行了初步校准，确定了一个,值与SpO2的函数关系。图8是经血氧模拟器校准的SpO2 Altman图。两数据与相应时刻采集到的SaO2的Bland-差值的标准者差值的均值μ为0(61%(图8中的实线)， ,9, 差Std为3(17%。按照标准对准确度Arms的定义: Arms= 由图 8准确度偏低。同时，可计算出Arms为3(22%， 可以看出经血氧模拟器校准后，测量值在SaO2低于90%时普遍偏高，而高于90%时普遍偏低，在测量范围内误差未随机均匀分布。 ?(SpO i=1 2i —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ,SaO2i) 2 n (6) 且当指示设备显示的血氧饱和度值处于某平台期， 稳定超过30s后，以20s为间隔分5次抽取动脉血样2mL(见图6)，并记录采血时间。由参考设备(ABL80FLEXCO-OX血气分析仪)分析动脉血样，得到SaO2值。动脉血采集方式为桡动脉处留置采血。参考设备在实验 前，利用质控液按照仪器质控程序进行多水平的质控测试并进行定标，质控与定标结果均正常 。 图8 图6 SaO2采集 Fig(6TheSaO2acquisitionprotocol Altman图经模拟器校准的SpO2与SaO2的Bland-SpO2andSaO2 Fig(8Bland-Altmanplotofthesimulator-calibrated 34仪器仪表学报第35卷 利用人体实验的SaO2数据以及同时记录的脉搏血氧计的,值，可以拟合得到新的SpO2与,值的函数关系(校正曲线)，提高脉搏血氧计的测量准确度。通常，这 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ,13, 一函数关系为二阶多项式: SpO2=A,2+B,+C (7) 由于个体之间的差异，每个个体的校正曲线必然存在差异，为考察这种差异性，将实验对象的数据随机分成2组，一组5个实验对象，每组数据生成一个校正曲线，同时，将所有实验对象的数据合并后拟合总的校正曲线，表3列出的是3条校正曲线的多项式系数(式(7)中的A、B、 2C)、确定系数(ρ)以及均方根误差(,MSE)。 各组方程的系数差异较小(差异最大的由表3所示， 图10Altman图经人体实验校准的SpO2与SaO2的 Bland-inhumanexperiment Fig(10Bland-AltmanplotofthecalibratedSpO2andSaO2 为系数C，其std与mean的百分比也仅为12(2%)， ,MSE一致性较好(std与mean的比值为3(5%)，因此可以认为合并组的校正曲线是独立于样本的，可用于本文脉搏血氧计的定标，合并组的数据分布及校准曲线如图9所示。 表3 组别第1组第2组合并组MeanStd A,0(001642,0(002036,0(001851,0(0018430(000200 5结论 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 各组校正曲线方程 B0(65450(77010(71540(71330(0578 C34(6827(1530(7530(863(77 ρ20(950(960(950(950(006 ,MSE(%)2(352(202(302(280( 08 本文研制了一种基于反射式血氧饱和度测量原理，应用于手掌小鱼际处的手套式脉搏血氧仪，可提高佩戴舒适性以及肢体末梢低灌注情况下测量的准确性，并通过人体有创实验的方式对该脉搏血氧计进行了校准。实验中，光吸收比例系数与血氧饱和度值之间的关系曲线得到了标定，实验结果表明该曲线的个体差异性较小，定标后的准确度较高。但是，仅仅依靠人体实验校正来提高准确度是不够的，如果能够改进脉搏波识别的算法，实现运动伪迹(图9)的准确判定，本文脉搏血氧计的准确度可以进一步提高。总之，经人体实验验证，该脉搏血氧计的准确度符合长期、无创监测血氧饱和度的需求。 Table3Thecalibratedequationforeachgroup 参考文献 ,1,胡寒冬，陈洪波，陈真诚(便携式睡眠呼吸暂停低通气 (电子测量与仪器学报，2011，监测仪的设计,J,25(9):812-816( HUHD，CHENHB， CHENZHCH(Designofportablesleepapneahypopneamonitorinstrumenta tion,J,(Jour-nalofElectronicMeasurementandInstrument，2011，25—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ (9):812-816( ,2,ALVA,EZD，HO,NE,O,，MA,COSJV，etal(Multivari- 图9 人体实验校准曲线 ateanalysisofbloodoxygensaturationrecordingsinobstruc-tivesleepapneadiagnosis,J,(BiomedicalEngineering，IEEETransactionson，2010，57 (12):2816-2824( ,3,COQUINJ，DEWITTEA，LEMY， 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InstituteofAviationMedicineofPLA(HeisalsoaprofessoranddoctoralsupervisorinBeihangUniversity(Hismainresearchinterestsincludemedicalelectronicinstrumentandsignalprocessing( ——————————————————————————————————————