CN104545942A - 监测静脉血氧饱和度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种监测静脉血氧饱和度的方法，包括：增强静脉血液的信号强度；采集激励信号，分离人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号；通过所述人工添加激励信号中包含的静脉信号获得静脉血氧饱和度。本申请还公开了一种监测静脉血氧饱和度的装置。在本申请的具体实施方式中，先增强静脉血液的信号强度，再采集激励信号，分离人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号，并通过所述人工添加激励信号中包含的静脉信号获得静脉血氧饱和度。本申请可实现连续无创静脉血氧饱和度的测量，和现有的有创监测方法相比，不仅节省成本，应用简单，而且还显著地降低了应用风险。

Description

监测静脉血氧饱和度的方法及装置

技术领域

本申请涉及医疗领域，尤其涉及一种监测静脉血氧饱和度的方法及装置。

背景技术

血液中O2的含量，对临床医生在OR(手术室)、ICU(重症监护病房)中采取的治疗手段具有重要的参考意义，临床表明这些成分异常的发病率超乎人们的想象，不能及时正确的测量会导致误诊甚至危机病人的生命。因此患者血气的监测，已经成为危重病人监护室、心脏病人监护室、手术室和急诊等部门必不可少的测试项目，对临床医生在OR、ICU中采取的治疗手段具有重要的参考意义。

临床监护中的很多参数已经可以做到连续无创监测。例如，ICU等科室的指南中已经将SpO2(动脉氧饱和度)作为必测参数。同时由于SpO2测量方法的成熟发展，也使得SpO2的检测可以实时、无创方便地进行，通过其可以准确反应病人的供氧情况，进而对病人的呼吸及循环是否正常做出直接或间接的实时判断。然而事实上SpO2的测量只反应了氧供的情况，若要正确判断病人组织器官的氧耗情况、氧代谢是否正常，则必须测量SvO2(静脉氧饱和度)，通过两者的差判断氧代谢情况。关于供氧与耗氧有许多相关的论述，目前为止国内外临床中采用的测量SvO2的方法都是有创的测量方法，通过采血或漂浮导管，采用光谱比对的方法。这类方法要求很高，不仅操作复杂而且加重了病人的痛苦，测量成本非常高，无论作为耗材的漂浮导管或者测量采集到的患者血样需要的试剂都需要很高的费用，而且加重了医护人员的操作负担也增加的相应费用，应用的风险也很大。

发明内容

本申请提供一种监测静脉血氧饱和度的方法及装置。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种监测静脉血氧饱和度的方法，包括：

增强静脉血液的信号强度；

采集激励信号，分离人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号；

通过所述人工添加激励信号中包含的静脉信号获得静脉血氧饱和度。

上述方法中，所述增强静脉血液信号，包括：

通过发出激励信号的方式增强静脉血液的信号强度。

上述方法中，所述通过发出激励信号的方式增强静脉血液的信号强度，具体包括：

在肢体末端增加周期性的压力信号，静脉血管受到挤压产生规律的收缩及舒张放大静脉血液的信号强度。

上述方法中，所述分离人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号，包括：

通过调整激励信号，使所述人工添加激励信号与由心脏泵血产生的所述脉搏波信号处于不同的频域；

通过滤波、加窗分离所述人工添加激励信号与所述脉搏波信号。

上述方法中，所述分离人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号，还包括：

使用分离后的血液实际接收到的激励信号作为反馈,去调整所述人工添加激励信号的强度与频率。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种监测静脉血氧饱和度的装置，包括：

激励模块，用于增强静脉血液的信号强度；

信号采集模块，用于采集激励信号，分离人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号；

计算模块，用于通过所述人工添加激励信号中包含的静脉血液信号获得静脉血氧饱和度。

上述装置，所述激励模块，还用于通过发出激励信号的方式增强静脉血液信的号强度。

上述装置，所述激励模块还用于在肢体末端增加周期性的压力信号，静脉血管受到挤压产生规律的收缩及舒张放大静脉血液的信号强度。

上述装置，所述信号采集模块，还用于通过调整激励信号，使所述人工添加激励信号与由心脏泵血产生的所述脉搏波信号处于不同的频域，通过滤波、加窗分离所述人工添加激励信号与所述脉搏波信号。

上述装置，所述信号采集模块还用于使用分离后的血液实际接收到的激励信号作为反馈,去调整所述人工添加激励信号的强度与频率。

由于采用了以上技术方案，使本申请具备的有益效果在于：

在本申请的具体实施方式中，先增强静脉血液的信号强度，再采集激励信号，分离人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号，并通过所述人工添加激励信号中包含的静脉信号获得静脉血氧饱和度。本申请可实现连续无创静脉血氧饱和度的测量，和现有的有创监测方法相比，不仅节省成本，应用简单，而且还显著地降低了应用风险。

附图说明

图1为本申请的方法在一种实施方式中的光源控制时序图；

图2为静止条件下手指末端光谱吸收模型的信号频谱示意图；

图3为静止条件下手指末端光谱吸收模型的传感器接收信号示意图；

图4为运动条件下手指末端光谱吸收模型的信号频谱示意图；

图5为运动条件下手指末端光谱吸收模型的传感器接收信号示意图；

图6为本申请的方法在一种实施方式中的流程图；

图7为红光红外光信号频谱示意图；

图8为本申请模拟动脉搏动产生静脉搏动的示意图；

图9为本申请的装置在一种实施方式中的控制过程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

本申请通过人工添加激励的方法，增强在正常情况下原本信号非常弱的静脉信号的强度。正常情况下由于静脉信号很弱，所以很难采集到，通过人工添加激励的方法增强了原本信号强度很弱的静脉信号，使不容易采集的静脉信号变的容易采集，增强了静脉信号的信噪比。

一般情况下，静脉血氧信号都是作为噪音存在于动脉血氧信号的背景之中，在测量SpO2的过程中是当作噪音信号需要加以滤除的。而本项目的目的恰恰是要测量这一通常被认为是背景的静脉血氧信号。而且由于脉搏波动的存在，SvO2信号强度远远小于SpO2信号强度。如何提取背景之中微弱的静脉血氧信号是非常困难的也是本项目要解决的核心问题之一。以往SpO2测量的经验表明，只有在病人肢体存在严重抖动的条件下，静脉信号作为干扰信号才表现的比较强烈，本专利将利用这一现象，使用气囊、震动电机等设备来引入外部激励信号以增加被测部位静脉运动的信号强度，以达到连续无创测量SvO2的目的。本项目将采用类似SpO2测量的方法，无创测量静脉氧饱和度SvO2。

安静条件下人体手指末端的光谱吸收模型如图1所示。其中，Δt1表示红光驱动电平持续时间，Δt3表示红外光驱动电平持续时间，Δt2、Δt4表示环境光驱动电平持续时间，静脉、骨骼肌肉等的信号都作为基底信号而存在，只有动脉中的脉搏波动为周期的运动信号。图2中可以看到，其频谱为典型的周期信号频谱，各谐波反应的信号信息是完全一致的。由于动脉的波动远强于静脉的波动，所以图中实线表示的曲线为静脉搏动光谱吸收信号强度，远远小于虚线表示的曲线为动脉搏动光谱吸收信号强度，静脉搏动光谱吸收信号强度远远小于动脉搏动光谱吸收信号强度。一般条件下在动脉氧饱和度测量过程中，采集的静脉氧饱和度SvO2信号为背景噪音信号，不足以满足稳定连续测量的需要。因此要采取特殊的方法以提高信噪比。图3为静止条件下手指末端光谱吸收模型的传感器接收信号示意图。

运动条件下人体手指末端的光谱吸收模型如图4、图5所示，骨骼等组织的吸收仍然为基底，静脉血对光谱的吸收不再是基底而是与运动同步的波动。手指的运动与脉搏的波动合成后的信号如图5所示，其对应频谱为图4。可见运动造成的频谱与动脉波动的频谱是不一致的。

临床实验发现，当患者被测部位存在运动的时候，这种运动可以增强静脉血氧信号。患者的肢体运动是一种完全不自觉的运动，因此也是一种毫无汇率的干扰运动，这种运动不但在测量动脉血氧饱和度的过程中，是一种非常恶劣的干扰信号，经常导致动脉氧饱和度测量错误；而且由于其不规律性，也很难提取这种信号来测量静脉氧饱和度。

本申请通过主动产生激励信号，放大静脉波动信号使其测量成为可能；并且通过对激励信号的控制，使得静脉波动的信号变成有规律的周期信号并且频率、幅度可调，以达到静脉氧饱和度的测量过程中信号易于分离和提高信噪比的目的。

实施例一：

如图6所示，本申请的监测静脉血氧饱和度的方法，其一种实施方式，包括以下步骤：

步骤102：增强静脉血液的信号强度。

步骤104：采集激励信号，分离人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号。

步骤106：通过人工添加激励信号中包含的静脉信号获得静脉血氧饱和度。

步骤102中，可通过发出激励信号的方式增强静脉血液的信号强度。如在肢体末端增加周期性的压力信号，静脉血管受到挤压产生规律的收缩及舒张放大静脉血液的信号强度。

步骤104中，分离人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号，具体包括：

步骤1042：通过调整激励信号，使所述人工添加激励信号与由心脏泵血产生的所述脉搏波信号处于不同的频域；

步骤1044：通过滤波、加窗分离所述人工添加激励信号与所述脉搏波信号。

步骤104中，分离人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号后，还可以包括：

使用分离后的血液实际接收到的激励信号作为反馈,去调整所述人工添加激励信号的强度与频率。

如图7、图8所示，本申请首先通过气泵给激励指环11规律地充气放气，在手指根部添加周期性的压力信号。静脉血管受到挤压产生规律的收缩及舒张，从而模拟动脉搏动的形式产生静脉搏动。通过人为添加的静脉搏动信号，需要在频率上与心脏搏动而产生的动脉搏动信号区分开来，以便在频域上将动脉信号与静脉信号分离开来。

图8描述了探头驱动、激励控制、信号采集的过程。其中光源12与传感器13分别使用脉搏氧测量常用的660nm红光与880nm或940nm红外光以及光电二极管。首先按图1所示顺序控制光源的打开与关闭，然后通过信号采集通道分别放大、采集光电二极管对穿透人体组织后的红光、红外光的响应信号如式1所示，Y(F,I)表示采集端获得的输出信号，X_Artery(F,I)、X_Stimulate(F,I)分别表示动脉信号成份与激励信号成份。其中，在添加激励信号之前会将动脉信号做为参考，避免激励信号在频域上与动脉信号混叠。其中F是信号频率，I是信号强度。由于激励信号与动脉搏动信号在频域上是分离的，因此可以通过滤波、加窗分离动脉信号与激励信号，并且将分离后的信号做为反馈参数，控制激励信号的强度与频率，避免由于心率变换导致在频域上产生动脉与激励信号的混叠。如式3、4所示，通过计算上一时刻动脉信号与混合静脉信号频率差、信号强度差确定当前添加激励信号的频率、强度。F_Stimulate(t)表示激励信号频率，F_Artery(t)表示动脉信号频率，

Y(F,I)＝X_Artery(F,I)+X_Stimulate(F,I)    (1)

添加人工激励后的红光、红外光信号频谱如图9所示。其中在12HZ左右的峰是激励信号峰，在1HZ左右的则是动脉搏动的峰。激励峰实际即包含静脉信号和动脉信号，综合式2、3、4分别计算得到动脉峰的脉搏氧饱和度与激励峰的静脉氧饱和度，其中，SpO2代表动脉氧饱和度，SvO₂代表由激励信号产生的静脉氧饱和度，RED_AC代表红光交流值，RED_DC代表红光直流值，IR_AC代表红外光交流值，IR_DC代表红外光直流值，R是无量纲，R_a,R_v分别代表动脉氧饱和度和静脉氧饱和度对应的R值。

$R=\frac{\mathrm{RED}\_\mathrm{AC}}{\mathrm{IR}\_\mathrm{AC}}/\frac{\mathrm{RED}\_\mathrm{DC}}{\mathrm{IR}\_\mathrm{DC}}---\left(2\right)$

$\mathrm{SpO}2\⇔R_a---\left(3\right)$

$\mathrm{SvO}2\⇔R_v---\left(4\right)$

除了通过激励指环添加激励信号外，还可以通过安装有偏心快的直流电机添加激励信号。直流电机转动带动偏心块规律的运动，而偏心快的运动则会带动人体组织规律地运动。而运动的频率则可以通过控制直流电机的运动速度得到控制。通过在探头当中增加的激励振子模块，带动手指规律地运动。给静脉血液引入一个周期性的运动干扰信号，从而人为地控制运动干扰的频率。

实施例二：

本申请的监测静脉血氧饱和度的装置，其一种实施方式，包括：激励模块、信号采集模块和计算模块。激励模块，用于增强静脉血液的信号强度；信号采集模块，用于采集激励信号，分离人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号；计算模块，用于通过所述人工添加激励信号中包含的静脉血液信号获得静脉血氧饱和度。

在一种实施方式中，激励模块还用于通过发出激励信号的方式增强静脉血液信的号强度。

在另一种实施方式中，激励模块还用于在肢体末端增加周期性的压力信号，静脉血管受到挤压产生规律的收缩及舒张放大静脉血液的信号强度。

本申请的监测静脉血氧饱和度的装置，信号采集模块还用于通过调整激励信号，使人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号处于不同的频域，通过滤波、加窗分离人工添加激励信号与脉搏波信号。

在一种实施方式中，信号采集模块还用于使用分离后的血液实际接收到的激励信号作为反馈,去调整人工添加激励信号的强度与频率。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种监测静脉血氧饱和度的方法，其特征在于，包括：

增强静脉血液的信号强度；

采集激励信号，分离人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号；

通过所述人工添加激励信号中包含的静脉信号获得静脉血氧饱和度。

2.如权利要求1所述的监测静脉血氧饱和度的方法，其特征在于，所述增强静脉血液信号，包括：

通过发出激励信号的方式增强静脉血液的信号强度。

3.如权利要求2所述的监测静脉血氧饱和度的方法，其特征在于，所述通过发出激励信号的方式增强静脉血液的信号强度，具体包括：

在肢体末端增加周期性的压力信号，静脉血管受到挤压产生规律的收缩及舒张放大静脉血液的信号强度。

4.如权利要求3所述的监测静脉血氧饱和度的方法，其特征在于，所述分离人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号，包括：

通过调整激励信号，使所述人工添加激励信号与由心脏泵血产生的所述脉搏波信号处于不同的频域；

通过滤波、加窗分离所述人工添加激励信号与所述脉搏波信号。

5.如权利要求4所述的监测静脉血氧饱和度的方法，其特征在于，所述分离人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号，还包括：

使用分离后的血液实际接收到的激励信号作为反馈,去调整所述人工添加激励信号的强度与频率。

6.一种监测静脉血氧饱和度的装置，其特征在于，包括：

激励模块，用于增强静脉血液的信号强度；

信号采集模块，用于采集激励信号，分离人工添加激励信号与由心脏泵血产生的脉搏波信号；

计算模块，用于通过所述人工添加激励信号中包含的静脉血液信号获得静脉血氧饱和度。

7.如权利要求6所述的监测静脉血氧饱和度的装置，其特征在于，所述激励模块，还用于通过发出激励信号的方式增强静脉血液信的号强度。

8.如权利要求7所述的监测静脉血氧饱和度的装置，其特征在于，所述激励模块还用于在肢体末端增加周期性的压力信号，静脉血管受到挤压产生规律的收缩及舒张放大静脉血液的信号强度。

9.如权利要求8所述的监测静脉血氧饱和度的装置，其特征在于，所述信号采集模块，还用于通过调整激励信号，使所述人工添加激励信号与由心脏泵血产生的所述脉搏波信号处于不同的频域，通过滤波、加窗分离所述人工添加激励信号与所述脉搏波信号。

10.如权利要求7所述的监测静脉血氧饱和度的装置，其特征在于，所述信号采集模块还用于使用分离后的血液实际接收到的激励信号作为反馈,去调整所述人工添加激励信号的强度与频率。