一种人体动脉血氧饱和度无创检测方法研究

河北大学硕士学位论文一种人体动脉血氧饱和度无创检测方法研究姓名：张志鹏申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：王永清2011-05摘要I摘要本文介绍了一种实现人体动脉血氧饱和度无创检测的方法。自行设计出一种动脉血氧饱和度无创检测电路，提高运动状态下检测的精确度，抑制人体散射作用影响。通过研究人体组织吸光物质成分及其近红外吸收光谱，综述了氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对近红外光的吸光量随脉搏波动而变化，而其它人体组织成分吸光量基本保持不变。本文提出将修正朗伯比尔方程中的光子传播平均路径长度和散射介质常数损耗因子引入血氧饱和度计算公式的推导过程，并且与计算公式配合选择对人体散射作用影响较小的730nm和940nm近红外二极管作为检测光源，利用综合手段降低人体散射作用引起的检测误差。根据光电容积脉搏波描记法的检测原理设计出一种人体动脉血氧饱和度无创检测电路。其特点是使用基于频域的方法抑制杂散光和工频干扰。利用DSP时序信号控制光源驱动电路和信号分离电路，实现信号同步发送和分离接收。设计压控电压源二阶高通滤波电路和低通滤波电路，分别提取血氧交流信号和血氧直流信号。并依据生理信号特点设计信号放大、反相电路，提高了血氧饱和度计算的精度。研究利用自适应滤波器消除了与有用信号频域重叠的运动伪迹干扰噪声，提高了运动状态下血氧饱和度检测数据的精确度。本文提出了使用血氧交流延时信号作为自适应滤波器输入参考噪声信号的方法，有利于简化硬件设计结构。关键词血氧饱和度脉搏波光电容积描记法无创检测运动伪迹AbstractIIAbstractThepaperintroducesthenon-invasivedetectionmethodofArterialOxygenSaturation.Thenoninvasivetestingcircuitofarterialoxygensaturationisdesigned.Andmakingeffortstoimprovethetestaccuracyinmotion,restraintheimpactofhumanscatteringprocess.Bystudythecontentofabsorbingsubstanceinhumantissueanditsnear-infraredabsorptionspectrum,itdiscusesthenear-infraredlightabsorptiveamountofoxyhemoglobinanddeoxygenatedhemoglobincanbechangedduetopulsation,buttheabsorptiveamountofotherhumantissuekeepsmostlyunchangeable.ThepaperputsforwardthatthephotonpropagationaveragepathlengthinmodifiedLambert-Beerequationisintroducedintothecalculationformuladerivationofoxygensaturation,andthe730nmand940nmnear-infraredledwhichhaslittleinfluenceonthehumanscatteringprocessisusedfortestinglightsource,inordertoreducethetesterrorwhichiscausedbyhumanscatteringeffect.Thenoninvasivetestcircuitofbodyarterialoxygensaturationisdesignedaccordingtothephotoplethysmographyofpulsewave.Thehighfrequencyinterferenceofthestraylightisattenuatedwhichisbasedonthemethodoffrequencyrange.Thedrivingcircuitoftestingsourceandanti-RossicircuitofcompoundsignalarecontrolledbyDSPsequencesignal,sothesendingtestingsignalissynchronouswiththeseparation-receivingsignal.Theconstantandpulsatingsegmentisextractedrespectivelyfromsecond-orderhigh-passfilterandlow-passfilter.Accordingtothecharacteristicofthephysiologicalsignal,thereversephasecircuitandACsignalamplifyingcircuitisusedrespectivelyforraisingthetestingprecision.TheadaptiveLMSfilterisadoptedtoeliminatethemotionartifactofwhichthefrequencydomainoverlapstheusefulsignal,thusraisingthetestingprecisioninmotion.Thepaperproposesusingthedelaysignalofpulsatingquantityasinputreferencesignaloftheadaptivefilter,thusbenefitingsimplifiedthedesignofhardwarestructure.KeywordsOxygenSaturationpulsewavethephotoplethysmographynoninvasivetestmotionartifact第1章前言1第1章前言1.1血氧饱和度的概念足够的氧是所有生命活动的基础。在人体血液中，血红蛋白是运输氧气的主要载体[1]。血红蛋白以四种形式存在：氧合血红蛋白（HbO2），脱氧血红蛋白(Hb)，一氧化碳结合血红蛋白(CoHb)和高铁血红蛋白(MetHb)[2]。当血液流过肺部时，脱氧血红蛋白会与肺泡中的氧气结合称为氧合血红蛋白，而一氧化碳结合血红蛋白和高铁血红蛋白不能与氧气相结合。这些氧经由动脉血运送给组织，供给人体生命活动，也就是说氧合血红蛋白是组织中的氧的主要存在形式。在临床医学中把氧合血红蛋白的含量占血红蛋白总量的百分比称为血氧饱和度（SO2）[3]。通过测量血氧饱和度来描述人体动脉血液中氧的含量。其在医学中有两种表现形式[3]，即（1）功能饱和度%100222×+=HbHbOHbOCCCSaO（1-1）（2）自然饱和度%100222×+++=MetHbCoHbHbHbOHbOCCCCCSaO（1-2）其中，CHbO2指氧合血红蛋白浓度，CHb指脱氧血红蛋白浓度，CCoHb指一氧化碳结合血红蛋白浓度，CMetHb指高铁血红蛋白浓度。由于在人体血液中，一氧化碳结合血红蛋白浓度与高铁血红蛋白浓度均很低，因此在临床应用过程中，一般采用功能饱和度来描述动脉血氧饱和度[4]。1.2课题来源及研究背景人体血氧饱和度检测在医学治疗领域具有重要意义[11]。人的生命活动能否正常进行，关键之一在于人体是否能够吸入足够的氧气，动脉血液系统是否能够融入足够的氧[5]。但是，氧气在由外界环境进入人体内部组织细胞的过程中，任何一个环节出现障碍河北大学工学硕士学位论文2都会引起氧供给不足，严重时甚至会危及生命，因此可通过检测人体动脉血液内氧合血红蛋白的含量，即血氧饱和度，分析肺泡内含氧量和血液组织灌注量是否正常[6]。近几年来，随着人民生活水平的不断提高，餐桌饮食的不断丰富，人们“坐下来”的时间多了，“站起来”的时间少了，“静下来”的时间多了，“动起来”的时间少了，肥胖现象日益严重，人群身体素质明显下降，人体呼吸和血液循环系统慢性病患病率显著升高。根据今年我国医疗部门对呼吸循环系统疾病——慢性缺氧血性肺源性心脏病（简称肺心病）的统计，其平均患病率已达到为0.41%~0.47%，并且有逐年上升和得病人群年轻化的趋势[7]。因此，对于呼吸和循环系统疾病的及时发现和提早预防变得越来越重要。以肺心病为例，其致病原因主要有两种——支气管病变、肺泡病变等呼吸系统病理性障碍所引起的肺通气和换气功能异常，心脏病变、肺血管病变等血液循环系统病理性障碍所造成的人体内供血量不足[8]，这两项致病原因都事必引起动脉血氧饱和度的变化。因此，在临床应用中，通常将动脉血氧饱和度作为初步诊断呼吸循环系统疾病的重要生化指标。为了降低医疗成本，节省大型医疗资源，缓解看病难，看病贵的问题，我国政府逐步加大对社区卫生医疗机构的资金投入和政策支持。社区小型医疗站的技术水平显著提高，已成为广大群众进行常见病、慢性病常规治疗和保健的重要场所。血氧饱和度作为呼吸循环系统疾病诊断的重要生化指标，其检测仪器是社区医疗站的必备医疗设备，并且随着近几年呼吸循环系统慢性病患病率逐年增多，在使用频次和拥有数量上将逐步提升，在百姓日常医疗保健中发挥起越来越重要的作用。此外，在呼吸和循环系统疾病紧急救护和麻醉手术中，血氧饱和度也是不可缺少的检测项目。及时检测病人血氧饱和度，了解人体血液氧合情况，提早发现低氧血症，可以有效减少危重病人救护和手术过程中的意外死亡，提高治疗过程的安全性。例如脑梗塞作为一个高致残率和死亡率的脑血管疾病，患者体内经常会出现氧气供给障碍，需要在临床治疗过程中，配合使用血氧饱和度检测仪，实时监测动脉血氧饱和度，提早发现生命体征异常变化，便于对患者及时采取有效救治措施[9]。在早产儿监测方面，通过监测早产儿血氧饱和度，为新生儿的治疗和监护提供重要信息，控制对早产儿的给氧量，避免过度给氧对早产儿的视网膜和肺脏产生毒副作用[10]。第1章前言3本课题系科技部国际科技合作项目①子课题。根据项目内容要求实现信号检测和预处理的生理指标检测仪的设计和开发，实现动态检测，使系统承载对象（人）在运动过程中的生理反应可作为反馈量对机器人运动及虚拟环境的情景变化进行调节控制。设计出血氧饱和度检测方法应适应本课题研究需要，并能够推广到医疗领域使用。1.3研究目的和意义动脉血氧饱和度作为表征人体呼吸循环系统是否存在病理性障碍的重要生化参数，对提早发现、及时诊治呼吸循环系统疾病具有重要意义。无论是在疾病的日常预防保健中，还是在紧急救护、大型手术过程中，都发挥着重要的作用。目前，人体动脉血氧饱和度测量有两种测量方法，即有创测量和无创测量。有创测量方法主要有两种，即VanSlyke检压法和氧电极法。VanSlyke检压法是将溶解在血液中的氧通过真空抽取的方法变为气体氧，然后将这些气体氧输入到容积固定的容器中，通过检测容器内气压变化，算出含氧量[12]。氧电极法是将氧合血红蛋白中的结合氧通过一氧化碳或者铁氰化钾等解离试剂溶液的作用变为解离氧，然后测定其氧分压，进而测出血液中的氧含量[12]。上述血氧饱和度有创测量方法均需要通过穿刺等手段采集人体血液，并使用血气分析仪对采集到的血液进行物理或化学分析，计算得出血氧饱和度值。血氧饱和度有创测量方法检测结果较为精确，应用于对检测数据要求较为严格的场合，如深低温停循环、产程中胎儿监护等[13]。但是有创测量需要动脉插管或者穿刺，操作不当还会引发测试部位感染，对患者造成附加的痛苦；并且分析过程复杂，周期较长，检测结果缺乏时效性和连续性[13]；此外，电化学分析仪器体积庞大、价格昂贵，不适合小型医疗机构的一般性检测需要和低成本运营。因此需要一种能够避免对患者造成检测痛苦，实现连续实时检测，仪器成本低廉的动脉血氧饱和度检测仪器。由于氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白在近红外光区具有独特的吸收光谱[14]，因此可利用光电技术对动脉血液中氧合血红蛋白含量进行