CN115089172A - 新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置 - Google Patents

新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于涉及新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置，属于医疗器械领域。新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置，包括LED光源、光电二极管、光电驱动模块、信号处理模块、控制模块和蓝牙模块；所述LED光源，包括胆红素浓度检测光源和血氧饱和度检测光源，所述胆红素浓度检测光源为交替闪烁的蓝光和绿光，所述血氧饱和度检测光源为交替闪烁的红光和红外光；所述光电二极管，用于接收LED光源照射在皮肤上后反射的检测光信号。本发明通过接收并分析新生儿皮肤反射的检测光信号，对新生儿的胆红素浓度和血氧饱和度进行实时监测，实现了高精度的对胆红素浓度和血氧饱和度的检测。

Description

新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置
技术领域
本发明属于医疗器械领域，涉及新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置。
背景技术
新生儿黄疸是一种生理现象，发生在80％以上的新生儿中，可以通过良好的预后进行治疗。
检测新生儿黄疸实质是检测新生儿体内的胆红素浓度。目前医院通常以静脉血检验方法测得的胆红素浓度或微量血测定的的血清总胆红素浓度(TSB)作为主要指标。静脉血和微量血检验属于有创检测，检测过程需取新生儿足跟血或者静脉血，通过重氮试剂法、氧化酶法及化学氧化法等获得血清胆红素浓度，这种检测方法的优点在于其精度很高，约为± 5.13umolL，但由于需要采血，增加了新生儿感染的风险，对黄疸症状反复的新生儿需重复采血，影响新生儿健康。并且现有的黄疸监测装置都无法同时实现血氧饱和度监测。因此，鉴于现有测量方法的弊端，研究一种能够实时检测新生儿体内胆红素浓度且检测精度较高，并且兼顾血氧饱和度监测的新型监测设备，对新生儿的健康成长，提高新生儿家庭幸福指数和减轻医护人员的工作压力均有重要的意义。
发明内容
本发明提出一种能够实时监测新生儿体内胆红素浓度且检测精度较高的、同时兼顾血氧饱和度监测的新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置。
新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置，包括LED光源、光电二极管、光电驱动模块、信号处理模块、控制模块和蓝牙模块；所述LED光源，包括胆红素浓度检测光源和血氧饱和度检测光源，所述胆红素浓度检测光源为交替闪烁的蓝光和绿光，所述血氧饱和度检测光源为交替闪烁的红光和红外光；所述光电二极管，用于接收LED光源照射在皮肤上后反射的检测光信号；所述光电驱动模块，用于控制LED光源和光电二极管的启闭；所述信号处理模块，用于接收光电二极管发送的检测光信号，并对检测光信号进行信号放大、滤波去噪、模数转换处理；所述控制模块，用于接收信号处理模块发出的数字量检测光信号，并通过蓝牙模块传递到上位机。
进一步的，所述上位机接收到胆红素浓度检测光信号后，对胆红素浓度检测光信号进行滤波去噪、去除基线漂移、交直分离、去除环境光干扰、数据处理、多元线性回归分析。
进一步的，上位机通过计算得到胆红素浓度特征值，其中：S1、滤波去噪采用滑动平均滤波对胆红素浓度检测光信号中的高频噪声进行滤波去噪处理；S2、去除基线漂移使用多项式拟合法，对含有线性趋势的信号进行多项式拟合，将基线拟合出来，再将原始信号减去拟合信号，得到去除基线的信号；S3、交直分离采用均值法提取胆红素浓度检测光信号中的直流分量，即求取信号的平均值，得到直流分量；S4、去除环境光干扰是将测得信号减去环境光干扰；
S5、对蓝光、绿光采集得到的信号进行差分处理，得到一个胆红素浓度特征值W；
S6、依据公式与参考胆红素值进行多项式拟合,得到胆红素浓度C。
Figure BDA0003719011520000021
其中ε为胆红素摩尔吸光系数，L为光程长，且ε和L均为常数。
进一步的，所述上位机接收到血氧饱和度检测光信号后，从采集到的信号中计算血氧饱和度特征值，其中：
S1、先对血氧饱和度检测光信号进行滑动平均滤波；
S2、获取脉搏波的峰值和峰谷位置；采用差分阈值法来计算极大值与极小值，对脉搏前一个点和后一个点的光强计算；对连续多个有效值进行差分计算，当连续两个差分为正，后三个差分为负，取中间的点的值为极大值；当连续两个差分为负，后三个差分为正，取中位点的值为极小值；所有极大值进行筛选得到波峰点，设置一个大阈值，当极大值大于所述大阈值时，则为波峰点，否则不是波峰点应剔除；将所有极小值进行筛选得到最终的波谷点，设置一个小阈值，当极小值小于所述阈值时，则为波谷，否则不是波谷点应剔除；所述大阈值和小阈值分别取最大值与最小值区间的上下1/10区间；S3、用脉搏波形上的最大值与最小值分别表示脉搏波的直流分量和交流分量，
Figure BDA0003719011520000022
Figure BDA0003719011520000023
其中Iirmax为红外光反射回的脉搏波峰值，Iirmin为红外光反射回的脉搏波谷值，Iredmax为红光反射回的脉搏波峰值，Iredmin为红光反射回的脉搏波谷值，R为血氧饱和度特征值；
S4、依据公式得到血氧饱和度，
SPO2＝(A×R-B)×100％
其中A、B为常数，SPO2为血氧饱和度。
进一步的，所述蓝光的波长为460nm，所述绿光的波长为550nm，所述红光的波长为660nm，所述红外光的波长为880nm。
进一步的，所述蓝光和绿光交替闪烁的频率为200Hz。
进一步的，所述上位机为电脑或者手机。
进一步的，还包括供电模块，所述供电模块包括两个硬币电池，所述供电模块为LED光源、光电二极管、光电驱动模块、信号处理模块、控制模块和蓝牙模块供电。
有益效果：
本发明通过接收并分析新生儿皮肤反射的检测光信号，对新生儿的胆红素浓度和血氧饱和度进行实时监测，利用计算出的胆红素浓度特征值和血氧饱和度特征值对胆红素浓度和血氧饱和度进行计算，实现了同时对胆红素浓度和血氧饱和度的检测。这种装置在检测时不会对新生儿的身体造成影响，并且检测精度高。通过蓝牙连接手机或者电脑，可以更方便的读取检测数据。
附图说明
图1为本发明所提出的新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置的流程图；
图2为本发明所提出的新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置的胆红素浓度检测信号采集流程图；
图3为本发明所提出的新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置的血氧饱和度检测信号采集流程图；
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，以下结合附图和实施例对本发明进行描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置，包括LED光源、光电二极管、光电驱动模块、信号处理模块、控制模块和蓝牙模块；所述LED光源由黄疸检测探头和血氧检测探头组成，并且都封装于3D打印软硅橡胶外壳内，将两个探头部分使用PDMS胶附在被测部位。其中，当进行黄疸浓度检测时，打开黄疸检测探头并将装置胶附在新生儿的前额处；当进行血氧饱和度检测时，打开血氧检测探头并将装置胶附在新生儿的脚踝处、足大拇指处，所述血氧检测探头包括内部设置的红光LED和红外光LED发射红光和红外光。所述黄疸检测探头通过内部设置的蓝光LED和绿光LED发射蓝光和绿光，由控制模块控制蓝光和绿光以 200Hz的频率闪烁。控制模块控制光电驱动模块开启LED光源和光电二极管，当LED光源的光信号照射在新生儿皮肤上后，由光电二极管接收皮肤反射的光信号并传输到信号处理模块进行处理，经信号处理模块进行信号放大、滤波去噪、模数转换后传输到控制模块，控制模块将光信号数据通过蓝牙模块传递到上位机进行数据计算和显示。所述蓝光的波长为460nm，所述绿光的波长为550nm，所述红光的波长为660nm，所述红外光的波长为880nm。
供电：在开发的设备中，电池基于两个硬币电池。因为硬币电池更安全的医疗用途与锂电池。
在本实施例中，参照图2黄疸检测的信号处理模块采用AFE4490进行信号处理。控制模块的控制器NRF52832配置AEE4490的LED寄存器使蓝光和绿光以200Hz的频率交替闪烁,灯光照射到额头皮肤后，通过反射到达同侧的光电二极管，光电传感器把采集到的光信号转换为了电信号，并传输给模拟前端AFE4490，经过模拟前端AFE4490进行模数变换处理后，得到了通过光谱吸收获取的表征人体胆红素信号的蓝、绿光波形数据。数据通过SPI总线传输到主控芯片NRF52832进行处理，并将蓝、绿光信号输出波形图数据打包由NRF52832发送给上位机。
参照图3，血氧检测系统的信号采集模块主要包含MAX30102的集成信号调理电路、信号采集的时序分析；控制及蓝牙模块的设计主要与MAX30102和NRF52832进行通讯，血氧检测探头部分的红光LED，红外光LED，光电二极管，其集成于芯片MAX30102中。
关于光信号数据的分析计算，由于本发明可以监测黄疸和血氧饱和度，黄疸主要通过检测胆红素浓度进行判断。因此本发明针对两种检测结果和反馈的不同光信号数据分别进行算法设计。
黄疸算法部分，该部分信号处理的主要目的是从采集到的蓝光和绿光的光信号中计算胆红素浓度的特征值并通过特征值计算胆红素浓度。
S1、光信号中主要包含高频噪声，为了确保提取到的胆红素浓度信息的有效性，需要对原始光信号进行滤波去噪处理。本实施例中使用滑动平均滤波。滑动平均滤波器是一种低通滤波器，是在固定长度的时间窗口内的所有输入信号相加求平均后作为输出信号，其截止频率跟窗口的长度有关。其对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低。
S2、再进行去除基线漂移，信号中会含有基线干扰信号(低频噪音)，会对信号分析产生不利影响。使用多项式拟合法，首先对含有线性趋势的信号进行多项式拟合，将基线拟合出来，然后把原始信号减去拟合信号，得到去除基线的光信号。
S3、采集到信号的波形反映的是血红蛋白浓度信号、胆红素浓度信号的叠加。信号中的交流信号反映的是血红蛋白浓度信息，信号中的直流分量反映的为胆红素浓度信息。本发明采用均值法提取直流分量。即求取信号的平均值，得到直流分量。
S4、在测量过程中的环境光影响也会对信号造成影响，模拟前端AFE4490在采集过程中还保存了环境光数据，在这一步使用测得信号减去环境光干扰。
S5、再对蓝光、绿光采集得到的信号进行差分处理，得到一个特征值W
S6、依据以下公式与参考胆红素值进行多项式拟合,得到胆红素浓度C。
Figure BDA0003719011520000051
其中ε为胆红素摩尔吸光系数，L为光程长，均为常数。
由于去除了高频噪声、基线漂移、血红蛋白浓度、环境光的影响，因此得到的胆红素浓度精度较高，误差较小。
血氧饱和度算法部分，利用接收到的红光和红外光的光信号提取建立血氧饱和度预测模型的特征值。本实施例中采用MAX30102集成芯片，将该芯片设置为血氧模式，MAX30102集成芯片具有信号采集、信号处理功能。
S1、使用MAX30102采集一段时间的红光和红外光脉搏波原始测量数据，先对信号进行滑动平均滤波。滑动平均滤波器是一种低通滤波器，是将固定长度的时间窗口内的所有输入信号相加求平均后作为输出信号，其截止频率跟窗口的长度有关。
S2、需要获取脉搏波的峰值-峰谷位置，包括其横纵坐标值。本项目采用差分阈值法来计算极大值与极小值，即通过脉搏前一个点和后一个点的光强计算。对连续多个有效值进行差分计算，当观察到有连续两个差分为正，之后三个差分为负，则取中间的点的值认为它是极大值。与极大值的判断相似，当观察到连续两个差分为负，之后又出现三个差分为正，则取中位点的值认为它是极小值。然后对得到的所有极大值进行筛选得到最终的波峰点，设置一个大阈值，当极大值大于这个阈值时，则为波峰点，否则不是波峰点应剔除；对得到的所有极小值进行筛选得到最终的波谷点，再次设置一个小阈值，当极小值小于这个阈值时，则为波谷，否则不是波谷点应剔除。经多次实验，大阈值和小阈值分别取最大值与最小值区间的上下1/10区间。
S3、根据本实施例的算法，对经过预处理后的脉搏波信号需要取其直流分量会让交流分量。本项目用脉搏波形上的最大值与最小值分别表示脉搏波的直流和交流分量
Figure BDA0003719011520000052
Figure BDA0003719011520000053
其中Iirmax为红外光反射回的脉搏波峰值，Iirmin为红外光反射回的脉搏波谷值，Iredmax为红光反射回的脉搏波峰值，Iredmin为红光反射回的脉搏波谷值，以上值为预处理步骤中获取脉搏波的峰值-峰谷位置的算法得到，
之后在代入以下公式计算得到血氧饱和度(SPO2)
SPO2＝(A×R-B)×100％
其中，A、B为常数，由校准过程得来。
在发明的上位机还可以通过接收到的红光光源反射光信号计算心率，具体算法如下：根据一段时间(n个周期)内红光光源反射光信号相邻两波峰的时间差T来计算出心率(Heart Rate)，其计算公式为：
Figure BDA0003719011520000061
Figure BDA0003719011520000062
其中peaki表示这段时间内n个周期的峰值横坐标，num表示相邻两波峰间的采样数的平均值，Ts表示采样间隔。
最后将上位机进行计算得出胆红素浓度、血氧饱和度和心率显示在电脑或者手机上，即可完成实施监测。所述上位机在血氧值低于90％或胆红素浓度高于205umol/L均会报警。

Claims (9)

1.一种新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置，其特征在于：包括LED光源、光电二极管、光电驱动模块、信号处理模块、控制模块和蓝牙模块；
所述LED光源，包括胆红素浓度检测光源和血氧饱和度检测光源，所述胆红素浓度检测光源为交替闪烁的蓝光和绿光，所述血氧饱和度检测光源为交替闪烁的红光和红外光；
所述光电二极管，用于接收LED光源照射在皮肤上后反射的胆红素浓度检测光信号和血氧饱和度检测光信号；
所述光电驱动模块，用于控制LED光源和光电二极管的启闭；
所述信号处理模块，用于接收光电二极管发送的检测光信号，并对检测光信号进行信号放大、滤波去噪、模数转换处理；
所述控制模块，用于接收信号处理模块发送的检测光信号，并通过蓝牙模块传递到上位机，所述上位机通过计算得出胆红素浓度和血氧饱和度。
2.根据权利要求1所述的新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置，其特征在于：所述上位机接收到胆红素浓度检测光信号后，对胆红素浓度检测光信号依次进行以下处理：滤波去噪、去除基线漂移、交直分离、去除环境光干扰、数据处理、多元线性回归分析，得到胆红素浓度。
3.根据权利要求2所述的新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置，其特征在于：所述上位机得到胆红素浓度的具体步骤如下：
S1、滤波去噪，采用滑动平均滤波对胆红素浓度检测光信号中的高频噪声进行滤波去噪处理；
S2、去除基线漂移，使用多项式拟合法，对含有线性趋势的信号进行多项式拟合，将基线拟合出来，再将原始信号减去拟合信号，得到去除基线的信号；
S3、交直分离，采用均值法提取胆红素浓度检测光信号中的直流分量，即求取信号的平均值，得到直流分量；
S4、去除环境光干扰，将测得信号减去环境光干扰；
S5、数据处理，对胆红素浓度检测光信号进行差分处理，得到一个胆红素浓度特征值W；
S6、多元线性回归分析，依据公式与参考胆红素值进行多项式拟合,得到胆红素浓度C，
Figure FDA0003719011510000011
其中ε为胆红素摩尔吸光系数，L为光程长，且ε和L均为常数。
4.根据权利要求1所述的新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置，其特征在于：所述上位机接收到血氧饱和度检测光信号后，计算得到血氧饱和度，其中计算方法如下：
S1、先对血氧饱和度检测光信号进行滑动平均滤波；
S2、采用差分阈值法来计算滑动平均滤波后血氧饱和度检测光信号的极大值与极小值；
S3、通过公式计算得到血氧饱和度特征值R，
Figure FDA0003719011510000021
Figure FDA0003719011510000022
其中Iirmax为红外光反射回的血氧饱和度检测光信号的峰值，Iirmin为红外光反射回的血氧饱和度检测光信号的谷值，Iredmax为红光反射回的血氧饱和度检测光信号的峰值，Iredmin为红光反射回的血氧饱和度检测光信号的谷值，R为血氧饱和度特征值；
S4、依据公式得到血氧饱和度，
SPO2＝(A×R-B)×100％
其中A、B为常数，SPO2为血氧饱和度。
5.根据权利要求1所述的新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置，其特征在于：还包括通过上位机接收到的血氧饱和度检测光信号中的红光光源反射信号进行心率计算，其计算公式为：
Figure FDA0003719011510000023
Figure FDA0003719011510000024
其中peaki表示这段时间内n个周期的峰值横坐标，num表示相邻两波峰间的采样数的平均值，Ts表示采样间隔。
6.根据权利要求1所述的新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置，其特征在于：所述蓝光的波长为460nm，所述绿光的波长为550nm，所述红光的波长为660nm，所述红外光的波长为880nm。
7.根据权利要求1所述的新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置，其特征在于：所述蓝光和绿光交替闪烁的频率为200Hz。
8.根据权利要求1所述的新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置，其特征在于：所述上位机为电脑或者手机。
9.根据权利要求1所述的新生儿可穿戴黄疸和血氧实时无线监测装置，其特征在于：还包括供电模块，所述供电模块包括两个硬币电池，所述供电模块为LED光源、光电二极管、光电驱动模块、信号处理模块、控制模块和蓝牙模块供电。
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