CN109157224B - 一种增加参考光源校准的脉搏血氧监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过增加参考光源实现更精确校准的脉搏血氧监控系统及方法，属于脉搏血氧监控技术领域；可以解决现有计算过程中近似处理造成精度较低的问题。采用的方法：在现有血氧探头采用660nm和940nm光作为测量光源的基础上，加入波长为800nm的参考光源用于系统校准，在系统校准时信号获取部分采用改进后的三光源探头，避免信息处理部分计算过程公式化简中出现近似处理，使得到的血氧饱和度计算公式更加精确。在进行校准时分别使用800nm和660nm、800nm和940nm、660和940nm光源，在实际测量时仍使用660nm和940nm光源。本发明的优点是：获得更加精确的系统参数，使血氧含量的测定值更加准确。

Description

一种增加参考光源校准的脉搏血氧监控系统及方法

技术领域

本发明涉及一种增加参考光源校准的脉搏血氧监控系统及方法，用于脉搏血氧监控，属于脉搏血氧监控技术领域。

背景技术

脉搏血氧监控系统，一般指指夹式血氧仪，是一种通过测定手指的光传导强度获得动脉血的光吸收参数，进行血氧含量计算的测量系统。因其无创、测量方便、可实时监控的特点，被广泛应用与临床和运动监控领域。监控系统的传感器，即指夹式血氧探头，测量时固定在人体手指端，以手指作为血红蛋白的容器，将透过手指的光信号传递给信号处理系统。处理器计算吸光比率，并将结果与存储器中的饱和度对照表进行对应，得到相应的血氧饱和度。

血氧仪在投入市场前必须进行校准，获得正常的饱和度对照表，保证仪器达到目标精度。而经过一段时间的使用后，由于电磁干扰、精密零件移动、水气和尘埃的影响，血氧仪的饱和度对照表与真值会发生一定程度的偏移，当偏移超过精度，为保证测试准确需要再次进行仪器校准，更新饱和度对照表。因此，血氧仪的校准是保证测量精度的关键。

目前的血氧仪使用波长660nm的红光和940nm的近红外光作测试光源，运用血液中含氧血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)对两束光的吸收特性不同的原理，通过分析手指分别对两束光的透光曲线，计算血氧饱和度(SpO2)的值。而在系统校准过程中，在计算时不可避免地对其中一束光的吸光特性进行了取0的近似操作，造成参数误差。

申请公布号为CN1107714050A的专利申请，三波长血氧饱和度检测方法与装置以及可穿戴设备，用于消除活动引起的噪声导致的检测误差。具体通过增加等吸收点波长光源，利用等吸收点波长光源通过光电容积描记法分别检测用户静止状态下和活动状态下的归一化交流光信号，将检测到的活动状态下的归一化交流光信号减去静止状态下的归一化交流光信号得到活动噪声信号。在实际测量中先减去活动噪声信号再进行血氧饱和度计算以减小误差。但本方法得到的血氧饱和度的测量仍然不精确。

发明内容

本发明的目的在于：提出了一种增加参考光源校准的脉搏血氧监控系统及方法，解决现有三波长血氧饱和度检测方法对血氧饱和度的测量仍然不精确的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种增加参考光源校准的脉搏血氧监控方法，其特征在于：

步骤1、获取三束交替工作的脉搏血氧信号，三束脉搏血氧信号为两束测试光源和一束参考光源；

步骤2、基于血氧饱和度原始计算公式，将获取的脉搏血氧信号做精确处理；

步骤3、输出精确处理的结果。

进一步，所述步骤1中，两束测试光源分别为660nm和940nm，参数光源为800nm。

进一步，所述步骤2中，精确处理后得到的血氧饱和度计算公式为：

其中，

式中A₁，A₂，B₁，B₂，B，C分别为：

进一步，一种增加参考光源校准的脉搏血氧监控系统包括，

血氧探头：血氧探头包括三个沿手指宽度方向并列设置的发光二极管和一个正对发光二极管的光敏二极管。信号获取部分主要获取三束交替工作的脉搏血氧信号，三束脉搏血氧信号为两束测试光源和一束参考光源；

信号处理器：基于血氧饱和度原始计算公式，将获取的脉搏血氧信号作精确处理；

显示模块：输出精确处理的结果。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明中，一种增加参考光源校准的脉搏血氧监控方法，在两束原始测量光源基础上增加一束参考光源，进行校准时三束光源交替工作。血氧探头获取三束脉搏血氧光信号后转化为电信号并传递给信号处理部分，信号处理部分在处理器中进行计算时，血氧饱和度原始计算公式化简过程中将避免

这一近似处理，通过精确的化简步骤得到精确的系统参数，使得在实际测量时血氧饱和度计算公式更加精确。

2.本发明中，血氧探头中三个发光二极管沿手指宽度方向紧密并列放置，总面积不超过接收透过手指的光信号的光敏二极管的1/2，减小因手指形状和发光二极管位置不同造成的误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是脉搏血氧监控系统框图；

图2是增加参考光源后的血氧探头侧视图；

图3是发光二极管电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

一种增加参考光源校准的脉搏血氧监控系统及方法，解决现有三波长血氧饱和度检测方法，对血氧饱和度检测方法对血氧饱和度的测量仍然不精确的问题。

采用的方法如下：

一种增加参考光源校准的脉搏血氧监控方法，其特征在于：

步骤1、获取三束交替工作的脉搏血氧信号，三束脉搏血氧信号为两束测试光源和一束参考光源；

步骤2、基于血氧饱和度计算公式，将获取的脉搏血氧信号做精确处理；

步骤3、输出精确处理的结果。

进一步，所述步骤1中，两束测试光源分别为660nm和940nm，参数光源为800nm。

进一步，所述步骤2中，精确处理后得到的血氧饱和度计算公式为：

其中，

进一步，一种增加参考光源校准的脉搏血氧监控包括，

血氧探头：获取三束交替工作的脉搏血氧信号，三束脉搏血氧信号为两束测试光源和一束参考光源，血氧探头上的发光二极管沿手指宽度方向并列设置；

信号处理器：基于血氧饱和度计算公式，将获取的脉搏血氧信号作精确处理；

显示模块：输出精确处理的结果。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述，在校准时分别使用800nm和660nm、800nm和940nm、660和940nm光源，在实际测量时仍使用660nm和940nm光源。

如图1所示，一种增加参考光源校准的脉搏血氧监控主要分为人体信号获取和信号处理两个部分。信号获取部分主要由血氧探头组成，通过发光二极管发出光信号，处于发光二极管正对面的光敏二极管接收透过手指的光强度变化信号，并将光信号转化为电信号传递给信号处理部分。信号处理分别由滤波放大、采样和处理器分析计算几个步骤组成。最后由显示模块输出得到的血氧饱和度值。

如图2所示，本发明的指夹式血氧探头中包含三个发光二极管，在其正对面放置用于接收透过手指的光强度变化信号并将光信号转化为电信号的光敏二极管。为减小因手指形状和发光二极管位置不同造成的误差，三个发光二极管并列紧密放置且总面积不超过光敏二极管的1/2。

图3为三个发光二极管的电路图，发光波长分别为660nm,800nm和940nm。其中，660nm和940nm发光二极管两者反向并联，为实际使用时的测量管，800nm发光二极管仅用于系统校准。

在本实施案例中，三束光源分别采用λ₁＝660nm和λ₂＝940nm的原始测量光源和λ₃＝800nm的参考光源。

步骤1、获取脉搏血氧信号：血氧探头上的三个沿手指宽度方向发光二极管交替发光，光敏二极管接收透过手指的光强度变化信号并转化为电信号，然后传递到信号处理部分。

步骤2、在信号处理部分光敏二极管传递过来的电信号经过滤波放大和采样后通过处理器进行分析计算，计算过程如下：

双波长测量时，两束测量光源波长分别为λ₁＝660nm和λ₂＝940nm，两束光交替发光，血氧饱和度计算原始公式为：

公式化简：

做近似处理

得到：

参数化简：

最终化简结果为：

SpO₂＝A+B·R

因在化简过程中做了近似处理，参数A与B的值不精确。

为使系统参数更加精确，在使用两束波长分别为λ₁＝660nm和λ₂＝940nm作为测量光源的基础上增加参考光源，并且参考光源波长为λ₃＝800nm，三束光交替发光，

血氧饱和度计算原始公式为：

式中：

可直接消去，化简得到：

参数化简：

式中C为常数；

将上述所得参数带入双波长测量时原始计算公式得：

式中,a,b,c均为精确值，

其中：

c＝C。

由上述计算过程可知，为将血氧饱和度原始计算公式化简，需要条件：

在双波长模型中，采用的两束测量光源λ₁＝660nm和λ₂＝940nm都无法满足上述条件，此时利用现有方法做近似处理

得到的系统参数A与B的值不精确。因此，我们增加λ₃＝800nm的参考光，含氧血红蛋白和还原血红蛋白对参考光吸光系数相同，满足

这一条件，原始计算公式通过精确化简，可以得到精确的系统参数。将所得精确参数带入双波长测量时原始计算公式得到精确的血氧饱和度计算公式。

得到上述精确的血氧饱和度计算公式后，在实际测量之前进行系统校准时，分别使用800nm和660nm、800nm和940nm、660和940nm光源：

1、交替导通660nm二极管和800nm二极管，对获得的一系列R值和实际的血氧饱和度(SpO2)值依据公式SpO₂＝A+B·R进行线性拟合，确定参数A₁,B₁。

2、交替导通940nm二极管和800nm二极管，对获得的一系列R值和实际的血氧饱和度(SpO2)值依据公式SpO₂＝A+B·R进行线性拟合，确定参数A₂,B₂。

3、交替导通660nm二极管和940nm二极管，对获得的一系列R值和对应的血氧饱和度(SpO2)值依据公式SpO₂＝A+B·R进行线性拟合，确定参数A，。

4、确定以上参数后，令常数

代入上述精确的血氧饱和度计算公式

通过此式，脉搏血氧饱和度监控系统在实际测量(采用660nm和940nm光源)时可得到更精确的血氧饱和度值。

步骤3、通过显示模块输出得到的血氧饱和度值。

本实施案例通过增加参考光源，避免处理器中计算过程的近似处理，优化血氧饱和度计算公式的化简过程，使得系统参数更加精确，最后得到精确的血氧饱和度计算公式。由此精确公式得到校准后仪器的饱和度对照表，此对照表更加精确，使系统实际测得的血氧饱和度准确度更高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神原

则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种增加参考光源校准的脉搏血氧监控方法，其特征在于：

步骤1、获取三束交替工作的脉搏血氧信号，三束脉搏血氧信号为两束测试光源和一束参考光源；

步骤2、基于血氧饱和度计算原始公式，将获取的脉搏血氧信号做精确处理；

步骤3、输出精确处理的结果；

所述步骤2中，精确处理后得到的血氧饱和度计算公式为：

其中，

式中A₁、A₂、B₁、B₂分别为：

2.根据权利要求1所述的一种增加参考光源校准的脉搏血氧监控方法：其特征在于：所述步骤1中，两束测试光源波长分别为660nm和940nm，参数光源波长为800nm。

3.一种增加参考光源校准的脉搏血氧监控系统，其特征在于：包括，

血氧探头：获取三束交替工作的脉搏血氧信号，三束脉搏血氧信号为两束测试光源和一束参考光源；

信号处理器：基于血氧饱和度计算公式，将获取的脉搏血氧信号作精确处理；

显示模块：输出精确处理的结果；

精确处理后得到的血氧饱和度计算公式为：

其中，

式中A₁、A₂、B₁、B₂分别为：

4.根据权利要求3所述的一种增加参考光源校准的脉搏血氧监控系统，其特征在于：所述血氧探头包括一个光敏二极管和三个发光二极管，三个发光二极管沿手指宽度方向并列设置，发光二极管的总面积不超过光敏二极管总面积的1/2。

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