CN110755089A - 血氧检测方法、血氧检测装置和终端设备 - Google Patents

血氧检测方法、血氧检测装置和终端设备 Download PDF

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潘江妮
屈哲
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Hangzhou Rougu Technology Co ltd
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Zhejiang Heqing Flexible Electronic Technology Co Ltd
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    • A61B5/14551—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases

Abstract

本申请公开了一种血氧检测方法、血氧检测装置和终端设备，其中，血氧检测方法包括：获取血氧检测的两路交流信号；对交流信号进行频谱分析，获得频率能量分布；根据频率能量分布从交流信号中提取出脉搏基信号；确定两路脉搏基信号的幅值比；根据幅值比计算血氧饱和度。该血氧检测方法通过频域分析提取出脉搏基信号，再根据两路脉搏基信号的幅值比计算血氧饱和度，可以有效降低或消除运动伪差及噪声等干扰因素的影响，准确计算出血氧饱和度。

Description

血氧检测方法、血氧检测装置和终端设备
技术领域
本申请涉血氧检测技术领域，特别涉及一种血氧检测方法、一种血氧检测装置、一种终端设备。
背景技术
人体所消耗的氧，主要来源于血红蛋白所携带的氧，可穿戴式血氧检测产品可用于检测血氧饱和度，不仅在临床医学，家庭健康护理有广泛的应用，而且在运动医学，野外探险，航空飞行等领域均有广泛应用。
可穿戴式无创血氧检测是利用血红蛋白和氧合血红蛋白对光的吸收量随动脉波动而变化的原理，主要手段是光电容积脉搏波描记法，利用PPG信号，通过波长为660nm和940nm的反射或透射光强度计算血氧饱和度。血氧饱和度计算一般先计算比率值R，再根据R来计算血氧饱和度，血氧饱和度测量的关键也就在于R值的计算。
目前普遍存在的问题是，当被检测者处于运动状态时，运动伪差及噪声等干扰因素的影响，会导致R值计算不准确。因此，如何消除运动伪差及噪声等干扰因素的影响，一直是血氧检测仪的技术难点。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请的一个目的在于提出一种血氧检测方法，该血氧检测方法通过频域分析提取出脉搏基信号，再根据两路脉搏基信号的幅值比计算血氧饱和度，可以有效降低或消除运动伪差及噪声等干扰因素的影响，准确计算出血氧饱和度。
本申请的第二个目的在于提出一种血氧检测装置。
本申请的第三个目的在于提出一种终端设备。
为达到上述目的，本申请一方面实施例提出了一种血氧检测方法，包括：获取血氧检测的两路交流信号；对所述交流信号进行频谱分析，获得频率能量分布；根据所述频率能量分布从所述交流信号中提取出脉搏基信号；确定两路所述脉搏基信号的幅值比；根据所述幅值比计算血氧饱和度。
根据本申请实施例的血氧检测方法，先获取血氧检测的两路交流信号，然后对交流信号进行频谱分析，获得频率能量分布，再根据频率能量分布从交流信号中提取出脉搏基信号，确定两路脉搏基信号的幅值比，最后根据幅值比计算血氧饱和度。由此，该血氧检测方法通过频域分析提取出脉搏基信号，再根据两路脉搏基信号的幅值比计算血氧饱和度，可以有效降低或消除运动伪差及噪声等干扰因素的影响，准确计算出血氧饱和度。
另外，根据本申请上述实施例提出的血氧检测方法还可具有如下附加技术特征：
根据本申请的一个实施例，所述对所述交流信号进行频谱分析，包括：采用小波变换方式对所述交流信号进行频谱分析。
根据本申请的一个实施例，所述采用小波变换方式对所述交流信号进行频谱分析，包括：采用db6小波基函数对所述交流信号进行频谱分析，获得不同频率的脉搏波分解信号；计算所述不同频率的脉搏波分解信号对应的能量，获得所述频率能量分布。
根据本申请的一个实施例，所述根据所述频率能量分布从所述交流信号中提取出脉搏基信号，包括：根据所述频率能量分布，将所述交流信号中能量值最大的频率对应的信号提取出来，作为所述脉搏基信号。
根据本申请的一个实施例，所述确定两路所述脉搏基信号的幅值比，包括：采用斜率法确定所述幅值比。
根据本申请的一个实施例，所述采用斜率法确定所述幅值比，包括：确定两路所述脉搏基信号的强度分布；采用最小二乘法对所述强度分布进行拟合，得到所述幅值比。
为达到上述目的，本申请的第二方面实施例提出的一种血氧检测装置，包括：获取模块，用于获取血氧检测的两路交流信号；分析模块，用于对所述交流信号进行频谱分析，获得频率能量分布；提取模块，用于根据所述频率能量分布从所述交流信号中提取出脉搏基信号；确定模块，用于确定两路所述脉搏基信号的幅值比；计算模块，用于根据所述幅值比计算血氧饱和度。
本申请实施例的血氧检测装置，获取模块获取血氧检测的两路交流信号，分析模块对交流信号进行频谱分析，获得频率能量分布，提取模块根据频率能量分布从交流信号中提取出脉搏基信号，确定模块确定两路脉搏基信号的幅值比，计算模块根据幅值比计算血氧饱和度。由此，该装置通过频域分析提取出脉搏基信号，再根据两路脉搏基信号的幅值比计算血氧饱和度，可以有效降低或消除运动伪差及噪声等干扰因素的影响，准确计算出血氧饱和度。
根据本申请的一个实施例，所述分析模块具体用于：采用小波变换方式对所述交流信号进行频谱分析，以获得不同频率的脉搏波分解信号，计算所述不同频率的脉搏波分解信号对应的能量，以获得所述频率能量分布。
为达到上述目的，本申请的第三方面实施例提出的一种终端设备，包括本申请第二方面实施例所述的血氧检测装置。
根据本申请实施例的终端设备，通过上述的血氧检测装置，通过频域分析提取出脉搏基信号，再根据两路脉搏基信号的幅值比计算血氧饱和度，可以有效降低或消除运动伪差及噪声等干扰因素的影响，准确计算出血氧饱和度。
根据本申请的一个实施例，所述终端设备为可穿戴设备。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，
图1a是被检测者处于静止状态PPG信号的示意图；
图1b为被检测者处于无规律运动状态下PPG信号的示意图；
图2是根据本申请一个实施例的血氧检测方法的流程图；
图3是根据本申请一个实施例的交流信号的分解图；。
图4是是根据本申请一个实施例的交流信号的频率能量分布图；
图5是根据本申请一个实施例的原始交流信号和提取的脉搏基信号的对比图；
图6a是根据本申请一个实施例的没有干扰的脉搏基信号的数据分布图；
图6b是根据本申请一个实施例的有干扰的脉搏基信号的数据分布图；
图7是根据本申请一个实施例的血氧检测装置的方框示意图。
具体实施方式
本申请是发明人基于对以下问题的研究和认知做出的：
无创式血氧检测是一种基于光电传感器的实时、连续的光化学方法。目前检测装置分为透射式和反射式两种，根据Lambert-Beer定律(朗伯比尔定律)，血液中的不同血红蛋白对于不同波长的照射光吸光度不同，研究表明血红蛋白Hb和氧合血红蛋白HbO2两种物质对波长为940nm和660nm光的吸光度差别最大。因此可穿戴式无创血氧检测可通过波长为660nm和940nm的反射或透射光强度计算血氧饱和度，主要手段是光电容积脉搏波描记法(PPG，Photo Plethysmo Graph)。
本申请即采用波长为660nm和940nm的LED(Light Emitting Diode，发光二极管)光照射检测部位，得到PPG信号。光电探测器接收的PPG信号，分为直流信号(DC)和交流信号(AC)。当处理静止状态时，理论上由于皮肤、骨骼、静脉、以及组织物体吸收是恒定不变，即为DC信号，AC信号部分是由跟着人体心脏同时变化的血管收缩和扩张得到的。采用660nm波长的LED照射检测部位获得的第一AC信号与采用940nm波长的LED照射检测部位获得的第二AC信号，所述第一AC信号与所述第二AC信号是脉搏波信号。当血氧饱和度出现变化时，第一AC信号与第二AC信号的幅值的比值(即AC660/AC940)也发生变化，信号幅值的比值，也就是信号能量的比值或者说功率的比值，比值的大小就是血氧饱和度的特征值R。
血氧饱和度采用以下公式(1)计算：
SpO2＝AR+B，
其中，SpO2是血氧饱和度，A，B是常数。
因此准确计算血氧饱和度的特征值R是血氧饱和度计算的关键。
当处于运动状态时，一方面采集光路会发生变化，导致接收信号受干扰，另一方面由于人体的运动，皮肤、骨骼、静脉、以及组织物体的吸收不再是恒定不变的信号，对脉搏波信号造成干扰。如图1a-1b所示，图1a为被检测者处于静止状态PPG的信号，图1b为被检测者处于无规律运动状态下PPG的信号。
在受到干扰的情况下，对原始PPG信号的处理，提取有效的脉搏波信号，是准确计算血氧饱和度的特征值R的关键。一方面需要对原始PPG信号进行频谱分析，提取有效的脉搏基信号；另一方面目前计算血氧饱和度的特征值R，即第一AC信号和第二AC信号的幅值。大多计算第一AC信号和第二AC信号的幅值是基于脉搏波峰和波谷值的查找，即分别找出第一AC信号和第二AC信号的最大值和最小值，计算出两路信号的最大值和最小值的差值的比值即幅值，然后求血氧饱和度的特征值R，此方法易受运动等干扰，容易出现漏检和误检的情况。
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图来描述本申请实施例提出血氧检测方法、血氧检测装置和终端设备。
图2是根据本申请一个实施例的血氧检测方法的流程图。如图2所示，该方法包括以下步骤：
S1，获取血氧检测的两路交流信号。
所述两路交流信号分别为采用660nm波长的光照射检测部位获得的第一AC信号以及采用940nm波长的光照射检测部位获得的第二AC信号。
S2，对交流信号进行频谱分析，获得频率能量分布。
分别对第一AC交流信号以及第二AC交流信号进行频谱分析，获得与第一AC交流信号对应的第一频率能量分布以及与第二AC交流信号对应的第二频率能量分布。
具体的，对交流信号进行频谱分析是指对交流信号进行分解获得不同频率的信号，计算获得的不同频率的信号对应的能量从而获得频率能量分布，所述能量在一个信号的波形中表现为波形的幅值。
进一步地，根据本发明的一个实施例，对交流信号进行频谱分析获得不同频率的脉搏波分解信号，具体可以包括：采用小波变换方式对交流信号进行频谱分析，获得不同频率的脉搏波分解信号。然后计算不同频率的脉搏波分解信号的能量，得到脉搏波分解信号对应的频率能量分布。
根据本发明的一个实施例，对第一AC交流信号进行频谱分析获得第一脉搏波分解信号，所述第一脉搏波分解信号包括若干根据第一AC交流信号分解得到的频率不同的信号，以及对第二AC交流信号进行频谱分析获得第二脉搏波分解信号，第二脉搏波分解信号包括若干根据第二AC交流信号分解得到的频率不同的信号。
更进一步地，采用小波变换方式对交流信号进行频谱分析，可以包括：采用db6小波基函数对交流信号进行频谱分析。
具体地，小波变换的实质是滤波运算，通过低通滤波器后得到逼近原始信号的数据；通过高通滤波器后得到信号边缘细节信息的数据，将不同频率信号的时频信息分解。
S3，根据频率能量分布从交流信号中提取出脉搏基信号。
进一步地，根据本申请的一个实施例，根据频率能量分布从交流信号中提取出脉搏基信号，可以包括：根据频率能量分布，将交流信号中能量值最大的频率对应的信号提取出来，作为脉搏基信号。具体的，对交流信号进行频谱分析后，从两路交流信号对应的不同频率的脉搏波分解信号中分别获得能量最大的脉博波分解信号作为脉搏基信号。
根据本发明的一个实施例，分别从第一频率能量分布中提取能量最大的脉搏波分解信号获得第一脉搏基信号，以及从第二频率能量分布中获得第二脉搏基信号。
S4，确定两路脉搏基信号的幅值比。
根据本发明的一个实施例，计算第一脉搏基信号与第二脉搏基信号的能量比，也即幅值比，获得血氧饱和度的特征值R。
S5，根据幅值比计算血氧饱和度。
具体地，采用波长为660nm和940nm的LED光照射检测部位，得到PPG信号。通过光电探测器可以接收PPG信号，当处理静止状态时，理论上由于皮肤、骨骼、静脉、以及组织物体吸收是恒定不变，即为DC信号，AC信号部分是由跟着人体心脏同时变化的血管收缩和扩张得到的，因此可通过光电探测器获取660nm光的交流信号和940nm光的交流信号(两路交流信号)。
然后，使用非对称的db6小波基函数对两路交流信号进行频谱分析，原始信号采样率为100Hz，信号分为7层，对原始信号的分解结果参照图3所示，图3中横轴代表频率，纵轴代表幅值。然后，根据分析结果计算不同频率信号的能量，即频率能量分布，频率能量分布图可参照图4所示。
然后根据频率能量分布从交流信号中提取出脉搏基信号，可以对不同频率的信号的幅值做计算，假设干扰信号并没有淹没脉搏基信号，那么幅值大的频率信号就是要提取的出脉搏基信号，由此，通过频域分析，可以准确的提取脉搏基信号。原始交流信号和提取的脉搏基信号的对比可参照图5所示。
提取出脉搏基信号后计算脉搏基信号的幅值比即血氧饱和度的特征值R，再根据公式SpO2＝AR+B计算血氧饱和度。由此，该血氧检测方法通过频域分析提取出脉搏基信号，再根据两路脉搏基信号的幅值比计算血氧饱和度，可以有效降低或消除运动伪差及噪声等干扰因素的影响，准确计算出血氧饱和度。
根据本申请的一个实施例，确定两路脉搏基信号的幅值比，可以包括：采用斜率法确定幅值比。
进一步地，根据本发明的一个实施例，采用斜率法确定幅值比即血氧饱和度的特征值R，可以包括：确定两路脉搏基信号的强度分布；采用最小二乘法对强度分布进行拟合，获取拟合后直线的斜率得到幅值比即血氧饱和度的特征值R。
具体地，提取出脉搏基信号，使用斜率法计算R值，如图6a-6b所示，图中横坐标X为第二AC交流信号的强度值，纵坐标Y为第一AC交流信号的强度值。则幅值比即血氧饱和度的特征值R可通过以下公式(2)获取：
Figure BDA0002236995740000061
其中，Xa为图6b中A点的横坐标，Ya为图6b中A点的纵坐标；Xb为图6b中B点的横坐标；Yb为图6b中B点的纵坐标。
其中，图6a是没有干扰的脉搏基信号的能量分布图；图6b是有干扰的脉搏基信号的能量分布图。图中的每个点由两个数据组成，即(第二AC交流信号的强度，第一AC交流信号的能强度)。
对于有干扰的脉搏基信号，使用最小二乘法做数据拟合，结果如图6b中直线所示。可以理解的是，A点的横坐标Xa为拟合后直线的第二AC交流信号的强度的最大值，A点的纵坐标Ya为第一AC交流信号的强度的最大值；B点的横坐标Xb为第二AC交流信号的强度的最小值，B点的纵坐标Yb为第一AC交流信号的强度的最小值。拟合后直线的斜率K为：
Figure BDA0002236995740000062
由于，Ya-Yb为第一AC交流信号的强度的最大值和最小值的差值，即为第一AC交流信号的幅值；Xa-Xb为第二AC交流信号的强度的最大值和最小值的差值，即为第二AC交流信号的幅值，因此即为第一AC交流信号与第二AC交流信号的幅值比，也即氧饱和度的特征值R。
对于没有干扰的脉搏基信号，两路脉搏基信号的幅值分布为一条直线，直接求取直线的斜率即为幅值比即血氧饱和度的特征值R。
可以看到对于因干扰产生的数据，通过最小二乘法进行拟合，可以降低干扰数据点的影响。同时斜率法无需查找极值点，通过获取拟合后直线的斜率即可获取血氧饱和度的特征值R，避免了极值法漏检和误检的情况，从而可以准确的获取脉搏基信号的幅值比，提高血氧饱和度计算的准确度。
综上所述，根据本申请的血氧检测装置，采用小波变换方式对交流信号进行频谱分析，通过计算不同频率对应的能量值，将交流信号中能量值最大的频率对应的信号提取出来，作为脉搏基信号，从而可以通过频域分析，准确的提取了脉搏基信。还根据两路脉搏基信号的幅值比分布，采用最小二乘法对幅值比分布进行拟合，得到幅值比，避免了查找极值而导致的极值漏检和误检的情况，而且通过最小二乘法拟合，可以降低干扰数据点的影响。由此，本申请的血氧检测方法可以有效降低或消除运动伪差及噪声等干扰因素的影响，准确计算出血氧饱和度。
与上述的血氧检测方法相对应，本申请还提出一种血氧检测装置。由于本申请的血氧检测装置与上述的血氧检测方法相对应，因此，对于本申请中装置实施例未披露的细节可参照上述的方法实施例，本申请不再进行赘述。
图7是根据本申请一个实施例的血氧检测装置的方框示意图。如图7所示，该血氧检测装置包括：获取模块1、分析模块2、提取模块3、确定模块4和计算模块5。
其中，获取模块1用于获取血氧检测的两路交流信号；分析模块2用于对交流信号进行频谱分析，生成频率能量分布；提取模块3用于根据频率能量分布从交流信号中提取出脉搏基信号；确定模块4用于确定两路脉搏基信号的幅值比；计算模块5用于根据幅值比计算血氧饱和度。
在本申请的一个实施例中，分析模块2进一步用于：采用小波变换方式对交流信号进行频谱分析。
进一步地，在本申请的一个实施例中，分析模块2采用db6小波基函数对交流信号进行频谱分析。
在本申请的一个实施例中，提取模块3进一步用于：根据频率能量分布，将交流信号中能量值最大的频率对应的信号提取出来，作为脉搏基信号。
在本申请的一个实施例中，确定模块4采用斜率法确定幅值比。
进一步地，确定模块4进一步用于确定两路脉搏基信号的强度分布，采用最小二乘法对强度分布进行拟合，获取拟合后直线的斜率得到幅值比。
综上所述，根据本申请的血氧检测装置，采用小波变换方式对交流信号进行频谱分析，通过计算不同频率对应的能量值，将交流信号中能量值最大的频率对应的信号提取出来，作为脉搏基信号，从而可以通过频域分析，准确的提取了脉搏基信。还根据两路脉搏基信号的幅值比分布，采用最小二乘法对幅值比分布进行拟合，得到幅值比，避免了查找极值而导致的极值漏检和误检的情况，而且通过最小二乘法拟合，可以降低干扰数据点的影响。由此，本申请的血氧检测装置可以有效降低或消除运动伪差及噪声等干扰因素的影响，准确计算出血氧饱和度。
此外，本申请还提出一种终端设备，包括本申请上述实施例所述的血氧检测装置。终端设备可以为可穿戴设备。
根据本申请实施例的终端设备，通过上述的血氧检测装置，通过频域分析提取出脉搏基信号，再根据两路脉搏基信号的幅值比计算血氧饱和度，可以有效降低或消除运动伪差及噪声等干扰因素的影响，准确计算出血氧饱和度。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种血氧检测方法，其特征在于，包括：
获取血氧检测的两路交流信号；
对所述交流信号进行频谱分析，获得频率能量分布；
根据所述频率能量分布从所述交流信号中提取出脉搏基信号；
确定两路所述脉搏基信号的幅值比；
根据所述幅值比计算血氧饱和度。
2.根据权利要求1所述的血氧检测方法，其特征在于，所述对所述交流信号进行频谱分析，包括：
采用小波变换方式对所述交流信号进行频谱分析，获得不同频率的脉搏波分解信号；
计算所述不同频率的脉搏波分解信号对应的能量，获得所述频率能量分布。
3.根据权利要求2所述的血氧检测方法，其特征在于，所述采用小波变换方式对所述交流信号进行频谱分析，包括：
采用db6小波基函数对所述交流信号进行频谱分析。
4.根据权利要求1所述的血氧检测方法，其特征在于，所述根据所述频率能量分布从所述交流信号中提取出脉搏基信号，包括：
根据所述频率能量分布，将所述交流信号中能量值最大的频率对应的信号提取出来，作为所述脉搏基信号。
5.根据权利要求1所述的血氧检测方法，其特征在于，所述确定两路所述脉搏基信号的幅值比，包括：
采用斜率法确定所述幅值比。
6.根据权利要求5所述的血氧检测方法，其特征在于，所述采用斜率法确定所述幅值比，包括：
确定两路所述脉搏基信号的强度分布；
采用最小二乘法对所述强度分布进行拟合；
获取拟合后直线的斜率得到所述幅值比。
7.一种血氧检测装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取血氧检测的两路交流信号；
分析模块，用于对所述交流信号进行频谱分析，获得频率能量分布；
提取模块，用于根据所述频率能量分布从所述交流信号中提取出脉搏基信号；
确定模块，用于确定两路所述脉搏基信号的幅值比；
计算模块，用于根据所述幅值比计算血氧饱和度。
8.根据权利要求7所述的血氧检测装置，其特征在于，所述分析模块具体用于：
采用小波变换方式对所述交流信号进行频谱分析，以获得不同频率的脉搏波分解信号，计算所述不同频率的脉搏波分解信号对应的能量，以获得所述频率能量分布。
9.一种终端设备，其特征在于，包括：如权利要求7或8所述的血氧检测装置。
10.根据权利要求9所述的终端设备，其特征在于，所述终端设备为可穿戴设备。
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