謝彥文

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脈搏血氧飽和度監(jiān)測(cè)中運(yùn)動(dòng)干擾消除算法

謝彥文

肖克利信息科技股份有限公司，上海 200442

在脈搏血氧飽和度測(cè)量的時(shí)候，經(jīng)常使用的是光電容積脈搏波（PPG）測(cè)量方法，然而在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，監(jiān)測(cè)血氧飽和度會(huì)受到嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)干擾的影響，在這種影響的情況中，PPG信號(hào)就會(huì)很容易受到外界的影響產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽跡，比如說(shuō)被測(cè)者身體移動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)偽跡是無(wú)規(guī)律的，它們會(huì)直接影響血氧飽和度測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，為了改善這一狀況必須采取一定有效的運(yùn)動(dòng)干擾消除算法，從而保證測(cè)量值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

脈搏；血氧飽和度；監(jiān)測(cè)；運(yùn)動(dòng)干擾；消除算法

在測(cè)量脈搏血氧飽和度的時(shí)候，經(jīng)常使用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備是脈搏血氧飽和計(jì)。它在臨床和手術(shù)中占據(jù)著重要的位置，這種設(shè)備它主要運(yùn)用的就是光電容積脈搏波（PPG），通過(guò)它來(lái)測(cè)量、計(jì)算，然后得出血氧飽和度和灌注指數(shù)等信息。脈搏血氧飽和計(jì)在測(cè)量的過(guò)程中，PPG信號(hào)會(huì)很容易受到運(yùn)動(dòng)的干擾影響，因此通常它使用的前提條件就是在病人處于靜止的情況，只有這樣才能得出準(zhǔn)確、可靠的測(cè)量結(jié)果。在測(cè)量的過(guò)程中所受到的運(yùn)動(dòng)干擾的頻率譜與正常的頻譜部分是重疊的，因此，運(yùn)用傳統(tǒng)的濾波器等信號(hào)處理方法都很難將運(yùn)動(dòng)干擾徹底地消除掉。面對(duì)這種情況，可以使用 PPG 信號(hào)的包絡(luò)線信息，提取所得到的PPG信號(hào)中的交流分量，在此基礎(chǔ)上分析其中兩種光色之間的關(guān)系，并設(shè)定出與干擾信號(hào)相關(guān)的信號(hào)作為一種計(jì)算結(jié)果的參考信號(hào)，最后在自適應(yīng)濾波的輔助下消除干擾影響，這種方法克服了傳統(tǒng)信號(hào)處理器的弊端，能夠有效地抑制運(yùn)動(dòng)的干擾，得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

1 PPG信號(hào)分析

在測(cè)量脈搏血氧飽和度的時(shí)候往往會(huì)受到多種因素的干擾，比如電氣干擾、運(yùn)動(dòng)干擾、環(huán)境光干擾，這些干擾都會(huì)直接影響測(cè)量的結(jié)果，在動(dòng)態(tài)環(huán)境中對(duì)脈搏血氧飽和度的影響主要是運(yùn)動(dòng)干擾，它可以直接影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，也是影響因素中最重要的因素，因此消除運(yùn)動(dòng)干擾是測(cè)量脈搏血氧飽和度中最重要的任務(wù)[1]。

PPG信號(hào)對(duì)于脈搏血氧飽和度的測(cè)量有重要的影響，它包含著交流分量、直流分量，而且在測(cè)量的時(shí)候往往會(huì)受到干擾：

如公式（1）所示，其中在采集PPG信號(hào)中會(huì)包含干擾信號(hào)N，以及目標(biāo)信號(hào)S，而其中的ac以及dc則是指PPG信號(hào)中的交流成分、和直流成分。

公式中的Sac以及Sdc是兩個(gè)重要的參數(shù)，即用來(lái)計(jì)算血氧飽和度的參數(shù)，且二者之間存在著一定的關(guān)系，，其中二者相比得出的值r為紅光或者是紅外光的光強(qiáng)比值，然后在此基礎(chǔ)上，結(jié)合朗伯比爾定律會(huì)得出第二個(gè)公式：

這個(gè)公式中的R是光密度比值比，它對(duì)應(yīng)的是相應(yīng)的血氧飽和度[2]。

在PPG信號(hào)中，信號(hào)Ndc以及Nac，它們主要是由于運(yùn)動(dòng)干擾引起的附在PPG信號(hào)上交流、直流分量上的干擾信號(hào)，主要存在的公式為：

干擾信號(hào)Nac是附在PPG信號(hào)的交流分量上的，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)這種干擾是一種高頻感干擾，主要是由于這種干擾的頻帶范圍中含有一些與目標(biāo)信號(hào)重疊的干擾，甚至還有一些更高頻率的干擾，而且在這些具有高頻率的干擾因素中，還存在與目標(biāo)PPG信號(hào)頻帶重疊的現(xiàn)象，它們的產(chǎn)生主要是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)干擾，而且由于運(yùn)動(dòng)干擾所形成的這種重疊很難被消除；此外附于PPG信號(hào)直流分量上的Ndc干擾信號(hào)則是一種較低頻率的干擾，這種頻率不高的干擾的形態(tài)呈現(xiàn)一種低頻漂移的狀態(tài)，而且這種干擾比較容易清除，只需要用頻率濾波的方法就可以很容易地將其消除。

2 運(yùn)動(dòng)干擾的引入

在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)脈搏血氧飽和度的時(shí)候，人體運(yùn)動(dòng)會(huì)給其帶來(lái)很大的影響，從而引入一些運(yùn)動(dòng)干擾，探頭、受測(cè)部位之間的運(yùn)動(dòng)以及靜脈博運(yùn)動(dòng)是引起這種干擾的主要原因，從根本上來(lái)說(shuō)，入射光光程的改變是引起這兩種引入干擾的途徑的根本原因。

首先，最重要的就是探頭與受測(cè)部位之間常常會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就會(huì)給組織中血管的分布帶來(lái)很大的影響，還會(huì)改變組織、探頭間的距離，這樣一來(lái)就會(huì)直接改變光經(jīng)人體組織后到傳感器之間的距離，繼而呈現(xiàn)出一種運(yùn)動(dòng)干擾。這種干擾由此可見(jiàn)就是由于傳感器的耦合而造成的，而且其強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化。這種干擾給血氧飽和度的監(jiān)測(cè)結(jié)果帶來(lái)了雙向的影響，因此這種值也是不穩(wěn)定的，或高或低[3]。

此外，在人體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，靜脈血液會(huì)逐漸變得充盈，血液的充盈會(huì)增大壓力，從而帶來(lái)運(yùn)動(dòng)干擾，靜脈的搏動(dòng)與壓力雖然比動(dòng)脈要弱很多，但是一旦人體發(fā)生了強(qiáng)烈的運(yùn)行，就會(huì)造成血液充盈的情況，血壓就會(huì)升高，從而搏動(dòng)的頻率就會(huì)加快，這就給監(jiān)測(cè)帶來(lái)了干擾。它的主要影響就是動(dòng)脈與靜脈混合血氧飽和度，通過(guò)計(jì)算得到的飽和度會(huì)偏低。

3 運(yùn)動(dòng)干擾自適應(yīng)對(duì)消算法

自適應(yīng)濾波的原理就是運(yùn)動(dòng)干擾自適應(yīng)對(duì)消算法使用的前提，它主要是對(duì)兩路色光PPG信號(hào)的采集和獲取，然后在此基礎(chǔ)上尋找合適的參考信號(hào)，利用其來(lái)濾波運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)，從而從根本上消除運(yùn)動(dòng)干擾對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響[4]。

（1）自適應(yīng)對(duì)消算法原理

兩種光源產(chǎn)生的交流以及直流比值之間的關(guān)系，對(duì)于計(jì)算血氧飽和度很重要，通常在動(dòng)態(tài)的環(huán)境中對(duì)血氧飽和度進(jìn)行測(cè)量，往往會(huì)受到很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)干擾，因此為了得到比較準(zhǔn)確的數(shù)值，就必須處理運(yùn)動(dòng)干擾，處理相應(yīng)的干擾信號(hào)，從而去除干擾對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。與PPG信號(hào)頻率相互重疊的運(yùn)動(dòng)干擾頻帶范圍，它所產(chǎn)生的主要影響就在于交流信號(hào)的變異上，想要消除這種影響和干擾，可以采用最小均方LMS法，從而自適應(yīng)消噪PPG交流分量中的干擾。

在消噪之后，結(jié)果中的誤差會(huì)在最小均方誤差的意義中抵消運(yùn)動(dòng)干擾，從而得到的值就會(huì)更加準(zhǔn)確，更加接近真實(shí)的信號(hào)，即目標(biāo)信號(hào)。與此同時(shí)，還要處理相應(yīng)的紅光以及紅外光的PPG交流信號(hào)，從而將混雜在其中的運(yùn)動(dòng)干擾的影響進(jìn)行消除，并將二者帶入相應(yīng)的計(jì)算公式中進(jìn)行運(yùn)算，從而得到較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

（2）參考信號(hào)的獲取

人體的血氧飽和度處于一種比較恒定的狀態(tài)是使用自適應(yīng)消噪法的前提與假設(shè)。

合適的參考信號(hào)在使用LMS自適應(yīng)消噪法有著重要的作用，只有擁有合適的參考信號(hào)才能幫助其處理干擾的PPG信號(hào)。當(dāng)所采集的PPG信號(hào)沒(méi)有受到運(yùn)動(dòng)干擾的影響的時(shí)候，那么在PPG信號(hào)的交流信號(hào)中就只有Sac目標(biāo)信號(hào)，而且會(huì)得到兩種色光之間的交流分量的差：

4 結(jié)語(yǔ)

脈搏血氧飽和度的計(jì)算受到運(yùn)動(dòng)干擾的影響很大，會(huì)直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度與精確性，因此為了消除運(yùn)動(dòng)干擾的影響就必須采取具有針對(duì)性的解決辦法，從而消除干擾，得出準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

[1]龔渝順.穿戴式抗運(yùn)動(dòng)干擾血氧飽和度監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D].重慶：第三軍醫(yī)大學(xué)，2012.

[2]吳寶明，龔渝順.用于消除血氧飽和度監(jiān)測(cè)干擾的方法：CN 102499694 A[P].2012.

TP274；R197.39

A

1009-6434（2016）02-0061-02