CN103239240B - 一种消除光程长差异的血氧饱和度提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除光程长差异的血氧饱和度提取方法，方法包括以下步骤：同步采集血氧饱和度检测所需的多波长光电容积脉搏波，并作对数变换，分别获取上升沿和下降沿区域并去除基线漂移，获取预处理后对数脉搏波；查找选定波长各周期上升沿满足预设固定幅值的所有差值，提取其他波长对应差值，并对各波长差值分别按周期进行叠加平均；通过剔除粗大误差和滑动平均对平均差值进行处理，获得各波长各周期最终差值，并提取血氧饱和度。本方法有效提高了对数脉搏波的信噪比，并通过统计平均效应剔除异常波形和异常值的影响，提高了血氧饱和度测量的信噪比和稳定性，为提高血氧饱和度的检测精度提供了有效方法。

Description

一种消除光程长差异的血氧饱和度提取方法

技术领域

本发明涉及光谱分析技术领域，特别涉及一种消除光程长差异的血氧饱和度提取方法。

背景技术

临床医学中人体血氧饱和度的检测是非常重要的检测项目，人体血氧状况与人的心肺功能及呼吸、循环系统有着重要关系，对它的检测在手术麻醉、监护室急救病房、病人运动和睡眠研究、以及氧疗中都有着非常重要的作用。基于修正的朗伯比尔定律的血氧饱和度检测，通过同步获取多波长下的光电容积脉搏波，借助动态光谱理论可有效去除皮肤、脂肪、骨骼等其他组织的影响，能够克服个体差异和测量条件的影响，然而由于不同个体或同一个体不同测量部位动脉的充盈程度不同，以及光散射效应造成在进行血氧饱和度测量中存在光程长的差异，该差异会对血氧饱和度的检测精度造成不利的影响。

现有的血氧饱和度检测技术中均对光程长差异进行忽略不计或进行血氧饱和度定标时实现一定程度的校正，对光程长信息进行校正的同时也损失了一定的有效信息。

发明内容

本发明提供了一种消除光程长差异的血氧饱和度提取方法，本方法减少了有效信息的损失，提高了血氧饱和度的提取精度，详见下文描述：

一种消除光程长差异的血氧饱和度提取方法，所述方法包括以下步骤：

（1）同步采集血氧饱和度检测所需的多波长光电容积脉搏波，并作对数变换，分别获取上升沿和下降沿区域并去除基线漂移，获取预处理后对数脉搏波；

（2）查找选定波长各周期上升沿满足预设固定幅值的所有差值，提取其他波长对应差值，并对各波长差值分别按周期进行叠加平均；

（3）通过剔除粗大误差和滑动平均对平均差值进行处理，获得各波长各周期最终差值，并提取血氧饱和度。

所述同步采集血氧饱和度检测所需的多波长光电容积脉搏波，并作对数变换，分别获取上升沿和下降沿区域并去除基线漂移，获取预处理后对数脉搏波的步骤具体为：

同步采集待测部位血氧饱和度测量所需的多波长光电容积脉搏波；

对多波长光电容积脉搏波作对数运算获取多波长对数脉搏波，查找各周期对应的峰谷值及坐标；

对多波长对数脉搏波各周期进行上升沿和下降沿区域划分；

对多波长对数脉搏波分别进行自适应去除基线漂移，获取预处理后对数脉搏波。

所述对多波长对数脉搏波分别进行自适应去除基线漂移，获取预处理后对数脉搏波的步骤具体为：

划分对数脉搏波的各个周期；

提取对数脉搏波各周期所含采样值的叠加平均值并设定其坐标值；利用对数脉搏波各周期的叠加平均值及其设定坐标获取对数脉搏波漂移基线；

对数脉搏波与漂移基线按坐标位置进行对应相减，获取去除基线漂移的对数脉搏波。

所述查找选定波长各周期上升沿满足预设固定幅值的所有差值，提取其他波长对应差值，并对各波长差值分别按周期进行叠加平均的步骤具体为：

选定预处理后对数脉搏波中任一波长，对选定波长预设固定幅值F；

依次以选定波长各周期上升沿各采样点为起点，在上升沿查找与各起点对应的满足固定幅值的终点，并记录各起点与终点坐标位置及二者差值，对选定波长获取差值按周期进行叠加平均；

提取其他对数脉搏波各周期对应坐标位置各起点与终点的差值；对各波长对数脉搏波各周期的差值分别按周期进行叠加平均。

所述固定幅值F的设定大于预定波长对数脉搏波上升沿相邻采样点的最大差值，并且小于预定波长对数脉搏波各周期最小峰峰值。

所述通过剔除粗大误差和滑动平均对平均差值进行处理，获得各波长各周期最终差值，并提取血氧饱和度的步骤具体为：

剔除平均差值中的粗大误差，获取有效差值；

对有效差值进行滑动平均滤波，获取各波长各周期最终差值；

建立各波长各周期最终差值与血氧饱和度之间的相关关系，提取血氧饱和度。

本发明提供的技术方案的有益效果是：通过查找对数脉搏波的峰值、谷值及其坐标实现了对数脉搏波的各周期以及各周期上升沿与下降沿的有效分割，并利用对数脉搏波的平均效应拟合出基线漂移，有效提高了对数脉搏波的信噪比；充分利用去除漂移的对数脉搏波的信噪比较高的上升沿的数据提取定幅值差值，并通过统计平均效应剔除异常波形和异常值的影响，提高了血氧饱和度测量的信噪比和稳定性；更重要的是通过定幅值方法可有效降低不同个体或者同一个体不同测量部位被测血层厚度不同引起的光程长差异造成的影响，为提高血氧饱和度的检测精度提供了有效方法。

附图说明

图1为本发明提供的一种消除光程长差异的血氧饱和度提取方法的流程图；

图2为本发明提供的获取预处理后对数脉搏波的流程图；

图3为本发明提供的对周期进行叠加平均的流程图；

图4为本发明提供的输出血氧饱和度的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了减少有效信息的损失，提高血氧饱和度的提取精度，本发明实施例提供了一种消除光程长差异的血氧饱和度提取方法，参见图1、图2、图3和图4，详见下文描述：

101：同步采集血氧饱和度检测所需的多波长光电容积脉搏波，并作对数变换，分别获取上升沿和下降沿区域并去除基线漂移，获取预处理后对数脉搏波；

其中，该步骤具体包括1011-1014，详见下文描述：

1011：同步采集待测部位血氧饱和度测量所需的多波长光电容积脉搏波；

其中，待测部位可以为手指、耳垂、额头等身体脉搏波比较明显的部位；脉搏波测量方式可以为反射式、透射式或透反式采集；波长的个数根据实际应用中的需要进行设定，具体实现时本发明实施例对此不作限制。

1012：对多波长光电容积脉搏波作对数运算获取多波长对数脉搏波，查找各周期对应的峰谷值及坐标；

其中，脉搏波各周期的峰值和谷值的查找为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做限制。

1013：对多波长对数脉搏波各周期进行上升沿和下降沿区域划分；

其中，上升沿区域为谷值与其后相邻峰值所夹的区域；下降沿区域为峰值与其后相邻谷值之间所夹的区域。

1014：对多波长对数脉搏波分别进行自适应去除基线漂移，获取预处理后对数脉搏波。

其中，对数脉搏波的基线漂移去除是对多个波长对数脉搏波分别进行实现，而对多个波长自适应去除基线漂移的步骤是一致的，详见下文描述：

10141：划分对数脉搏波的各个周期；

其中，对数脉搏波一个周期的划定以对数脉搏波相邻的两个峰值点或谷值点作为分界点，本发明实施例在此不做赘述。

例如：以谷值作为分界点，设定对应某一波长下的对数脉搏波的采样点序列如式(1)所示，n代表脉搏波的采样点个数；

(X₁  X₂  ...  X_n)   (1)

若查找到3个峰值和谷值表示为(2),

$\left(\begin{array}{cccccc}{N}_1^g& N_1^f& N_2^g& N_2^f& N_3^g& N_3^f\end{array}\right)---\left(2\right)$

则可根据式(2)划分得到两个完整的周期，表示为式(3),

$\left(\begin{array}{ccc}{X}_{N_1^g}& \·\·\·& X_{N_2^g}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}{X}_{N_2^g}& \·\·\·& X_{N_3^g}\end{array}\right)---\left(3\right)$

10142：提取对数脉搏波各周期所含采样值的叠加平均值并设定其坐标值；

例如：对式(3)所表示的两个完整周期按照式(4)和式(5)分别进行叠加平均，分别得到两个周期的叠加平均值和其对应坐标分别表示为d1，d2，具体形式如式(6)，(7)所示，

$\stackrel{\‾}{X_{d1}}=\underset{i=A}{\overset{B}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i/B-A+1,$ 其中 $A=N_1^g,B=N_2^g---\left(4\right)$

$\stackrel{\‾}{X_{d2}}=\underset{i=C}{\overset{D}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i/D-C+1,$ 其中 $C=N_2^g,D=N_3^g---\left(5\right)$

$d1=\frac{N_1^g+N_2^g}{2}---\left(6\right)$

$d1=\frac{N_2^g+N_3^g}{2}---\left(7\right)$

10143：利用对数脉搏波各周期的叠加平均值及其设定坐标获取对数脉搏波漂移基线；

例如：利用两个周期的叠加平均值和及其对应坐标d1、d2，计算得到与之间拟合曲线Y_i，表示为式(8)，

$Y_i=\frac{\stackrel{\‾}{X_{d2}}-\stackrel{\‾}{X_{d1}}}{d2-d1}(i-d1)+\stackrel{\‾}{X_{d1}},$ 其中i∈(d1,d2)    (8)

根据式(8)计算获取漂移基线在范围内漂移基线序列表示为式(9)，

10144：对数脉搏波与漂移基线按坐标位置进行对应相减，获取去除基线漂移的对数脉搏波。

例如，通过式(10)可得到去除基线漂移的对数脉搏波表示为式(11)，

D_i=X_i-Y_i,其中

其中，公式（9）、（10）和（11）中的表示对d1进行向上取整；表示对d2进行向下取整。

102：查找选定波长各周期上升沿满足预设固定幅值的所有差值，提取其他波长对应差值，并对各波长差值分别按周期进行叠加平均；

该步骤具体包括1021-1025，详见下文描述：

1021：选定预处理后对数脉搏波中任一波长，对选定波长预设固定幅值F；

在对不同个体或同一个体不同部位采集得到的多波长对数脉搏波进行处理时需固定采用同一波长，从而保证一致性。

固定幅值的设定原则：固定幅值F的设定应大于预定波长对数脉搏波上升沿相邻采样点的最大差值，并且小于预定波长对数脉搏波各周期最小峰峰值。

1022：依次以选定波长各周期上升沿各采样点为起点，在上升沿查找与各起点对应的满足固定幅值的终点，并记录各起点与终点坐标位置及二者差值，对选定波长获取差值按周期进行叠加平均；

例如：设预定波长某一周期上升沿区域采样点序列表示为：

(X₁  X₂  ...  X_k)

其中，X₁和X_k分别为上升沿的起点和终点，k为上升沿的采样点个数；首先以X₁为起点，在(X₁  X₂  ...  X_k)区域查找得到X_n1，使|(X_n1-X₁)-F|最小，则认为X_n1即为以X₁为起点满足固定幅值F的终点，并记录二者的坐标位置及其差值|X_n1-X₁|；依次类推，以X₂、X₃等采样点为起点，重复上述操作得到若干差值，并对获取的全部差值进行叠加平均。

1023：提取其他对数脉搏波各周期对应坐标位置各起点与终点的差值；对各波长对数脉搏波各周期的差值分别按周期进行叠加平均。

例如：步骤1022中得到的预定波长某一周期起点(1,X₁)、终点坐标分别为(n1,X_n1)，则本步骤获取其他波长λ下和之间的差值；并分别对各波长对数脉搏波获取的差值以周期为单位进行叠加平均，获取各波长对数脉搏波各周期平均差值。

103：通过剔除粗大误差和滑动平均对平均差值进行处理，获得各波长各周期最终差值，并提取血氧饱和度。

该步骤具体包括1031-1033，详见下文描述：

1031：剔除平均差值中的粗大误差，获取有效差值；

其中，粗大误差的剔除通过自适应设置阈值范围实现，具体方式如下：假设第i个平均差值不包含粗大误差，以第i个平均差值A为中心，将±30%平均差值A为阈值建立阈值范围，即阈值范围为[A+0.3A，A-0.3A]；若第i+1个平均差值处于阈值范围则为有效差值；否则，认为含有粗大误差并予以剔除。

1032：对有效差值进行滑动平均滤波，获取各波长各周期最终差值；

其中，若某波长对数脉搏波第i周期存在有效差值B1，第i周期之前的3～5个周期都存在有效差值，则将该些周期的有效差值叠加平均，获取最终差值并输出。以4个周期为例，分别为第i周期、第i-1周期、第i-2周期和第i-3周期，第i周期、第i-1周期、第i-2周期和第i-3周期都存在有效差值，则对第i周期、第i-1周期、第i-2周期和第i-3周期的有效差值(分别为B1、B2、B3和B4)叠加平均，得到的最终差值为(B1+B2+B3+B4)/4。

若某一周期不存在有效差值，则认为该周期的对数脉搏波信号质量较差，不对该周期对数脉搏波进行最终差值的提取。

1033：建立各波长各周期最终差值与血氧饱和度之间的相关关系，提取血氧饱和度。

其中，相关关系的建立通过以修正的朗伯比尔定律为理论基础建立相关联立方程进行实现；修正的朗伯比尔定律为光谱分析领域公知技术，本发明实施例在此不作赘述。

综上所述，本发明实施例提供了一种消除光程长差异的血氧饱和度提取方法，该方法结合了动态光谱差值提取的优势，通过查找对数脉搏波的峰值、谷值及其坐标实现了对数脉搏波的各周期以及各周期上升沿与下降沿的有效分割，并利用对数脉搏波的平均效应拟合出基线漂移，有效提高了对数脉搏波的信噪比；充分利用去除漂移的对数脉搏波的信噪比较高的上升沿的数据提取定幅值差值，并通过统计平均效应剔除异常波形和异常值的影响，提高了血氧饱和度测量的信噪比和稳定性；更重要的是通过定幅值方法可有效降低不同个体或者同一个体不同测量部位被测血层厚度不同引起的光程长差异造成的影响，为提高血氧饱和度的检测精度提供了有效方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种消除光程长差异的血氧饱和度提取方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)同步采集血氧饱和度检测所需的多波长光电容积脉搏波，并作对数变换，分别获取上升沿和下降沿区域并去除基线漂移，获取预处理后对数脉搏波；

(2)查找选定波长各周期上升沿满足预设固定幅值的所有差值，提取其他波长对应差值，并对各波长差值分别按周期进行叠加平均；

(3)通过剔除粗大误差和滑动平均对平均差值进行处理，获得各波长各周期最终差值，并提取血氧饱和度；

所述同步采集血氧饱和度检测所需的多波长光电容积脉搏波，并作对数变换，分别获取上升沿和下降沿区域并去除基线漂移，获取预处理后对数脉搏波的步骤具体为：

同步采集待测部位血氧饱和度测量所需的多波长光电容积脉搏波；

对多波长光电容积脉搏波作对数运算获取多波长对数脉搏波，查找各周期对应的峰谷值及坐标；

对多波长对数脉搏波各周期进行上升沿和下降沿区域划分；

对多波长对数脉搏波分别进行自适应去除基线漂移，获取预处理后对数脉搏波；

其中，所述对多波长对数脉搏波分别进行自适应去除基线漂移，获取预处理后对数脉搏波的步骤具体为：

划分对数脉搏波的各个周期；

提取对数脉搏波各周期所含采样值的叠加平均值并设定其坐标值；利用对数脉搏波各周期的叠加平均值及其设定坐标获取对数脉搏波漂移基线；

对数脉搏波与漂移基线按坐标位置进行对应相减，获取去除基线漂移的对数脉搏波。

2.根据权利要求1所述的一种消除光程长差异的血氧饱和度提取方法，其特征在于，所述查找选定波长各周期上升沿满足预设固定幅值的所有差值，提取其他波长对应差值，并对各波长差值分别按周期进行叠加平均的步骤具体为：

选定预处理后对数脉搏波中任一波长，对选定波长预设固定幅值F；

依次以选定波长各周期上升沿各采样点为起点，在上升沿查找与各起点对应的满足固定幅值的终点，并记录各起点与终点坐标位置及二者差值，对选定波长获取差值按周期进行叠加平均；

提取其他对数脉搏波各周期对应坐标位置各起点与终点的差值；对各波长对数脉搏波各周期的差值分别按周期进行叠加平均。

3.根据权利要求2所述的一种消除光程长差异的血氧饱和度提取方法，其特征在于，所述固定幅值F的设定大于预定波长对数脉搏波上升沿相邻采样点的最大差值，并且小于预定波长对数脉搏波各周期最小峰峰值。

4.根据权利要求1所述的一种消除光程长差异的血氧饱和度提取方法，其特征在于，所述通过剔除粗大误差和滑动平均对平均差值进行处理，获得各波长各周期最终差值，并提取血氧饱和度的步骤具体为：

剔除平均差值中的粗大误差，获取有效差值；

对有效差值进行滑动平均滤波，获取各波长各周期最终差值；

建立各波长各周期最终差值与血氧饱和度之间的相关关系，提取血氧饱和度。