CN116919397A - 可根据手指位置进行血氧误差自动修正的血氧仪及方法 - Google Patents
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Abstract
一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的血氧仪，包括一设置有血氧测量腔的机体、光学传感器、测距模块和MCU模块；所述光学传感器设置在血氧测量腔的腔壁上，用于测量手指的血氧饱和度O当前；所述测距模块设置在血氧测量腔的末端中部，用于测量其与指尖的距离length；所述MCU模块基于预设的距离阈值确定出所述length处于可调范围内的O当前以及所述光学传感器的运行参数，并将确定出的各参数输入至支持向量机回归模型中进行修正，输出血氧饱和度修正值y。本发明通过增加红外测距传感器，利用距离信息通过支持向量机回归法进行血氧修正，能够降低血氧出值错误率，增强用户体验感。
Description
技术领域
本发明涉及血氧仪领域，具体涉及一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的血氧仪及方法。
背景技术
血氧仪的测量原理是根据氧合血红蛋白和还原血红蛋白在可见红光和不可见红外光的吸收光谱特性为依据。氧合血红蛋白对这两种波长的吸收率与还原血红蛋白差别很大，利用这一特性可以测量计算出血氧饱和度。
血氧探头(光学传感器)是由两只LED发光管(红光发射管和红外光发射管)和一只电光管(红光和红外光接收管)组成。红光发射管发出波长为660nm的可见红光，红外光发射管发出波长为920nm～950nm之间的不可见红外光。
现有血氧仪存在若手指指腹未正对LED，手指放入过深或过浅均不能感应血氧饱和度的变化，使得血氧饱和度读数偏低或不显示的情况。针对该情况，通常需要使用者重新插入手指进行测量，但大部分使用者会误认当前数值为正常测量值从而判定为机器问题。
目前，解决该问题的方法有：通过测量手指插入深度(指尖与传感器之间的距离)来判断手指指腹是否贴在光学传感器上，当手指指腹完全与光学传感器贴合，则指尖与传感器之间的距离为最佳距离，反之为无法测量范围，当手指指腹与光学传感器部分贴合，则该距离为可调范围。
由数个实验样本可得血氧偏差值与距离的关系为：若手指距离在非最佳距离时，血氧饱和度可能会归零或者偏低。而一般测量时，用户手指与传感器之间的距离大概率属于可调范围，此时测量的数据不精准，但是又很难提示用户手指在很小范围内移动到最佳距离，这就造成血氧仪使用上非常不便。
因此，如何解决上述现有技术存在的不足，便成为本发明所要研究解决的课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的血氧仪及方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的血氧仪，包括一设置有血氧测量腔的机体、光学传感器、测距模块和MCU模块；
所述光学传感器设置在血氧测量腔的腔壁上，用于测量手指的血氧饱和度O当前；
所述测距模块设置在血氧测量腔的末端中部，用于测量其与指尖的距离length；
所述MCU模块基于预设的距离阈值确定出所述length处于可调范围内的O当前以及所述光学传感器的运行参数，并将确定出的各参数输入至支持向量机回归模型中进行修正，输出血氧饱和度修正值y。
进一步的方案中，所述光学传感器的运行参数包括红光交流分量Redac、红光直流分量Reddc、红外光交流分量Irac、红外光直流分量Irdc和当前LED发射管的电流A。
进一步的方案中，所述距离阈值包括最佳距离、可调范围和无法测量范围；
当所述length为最佳距离，所述O当前即为准确的血氧饱和度；
当所述length落入到无法测量范围，所述MCU模块发出重新测量提示指令。
进一步的方案中，该血氧仪还包括屏幕显示模块和电源模块；
所述屏幕显示模块用于显示所述准确的血氧饱和度、所述血氧饱和度修正值以及基于所述重新测量提示指令进行重新测量提示；
所述电源模块用于为所述光学传感器、所述测距模块、所述MCU模块和所述屏幕显示模块供电。
一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的方法，该方法采用上述血氧仪，包括以下步骤：
S1：获取手指在可调范围内测量的血氧饱和度O当前、length、Redac、Reddc、Irac、Irdc和A共七个特征量，以及不同手的同一手指在最佳距离内测量的实际血氧饱和度yc，作为样本数据；
S2：从样本数据中选取训练样本，生成训练集D＝(xi,yc)，并归一化处理该输入向量xi，xi＝(O当前、length、Redac、Reddc、Irac、Irdc、A)，其中，i＝1,2,...n，n为训练样本数量；
S3：建立支持向量机回归模型并选用高斯核函数，利用训练样本训练优化支持向量机回归模型，得到最优模型函数；
S4：将所述最优模型函数导入到血氧仪的MCU模块中，以length处于可调范围内的七个特征量作为最优模型函数的输入量，对血氧饱和度进行修正，输出量为血氧饱和度修正值y。
进一步的方案中，所述步骤S3包括以下步骤：
S301：利用支持向量机回归模型将输入向量xi和血氧饱和度修正值y描述为近似的线性回归问题；其中，ω和b为回归系数；
S302：引入惩罚函数、松弛因子ξi和将近似的线性回归问题描述为二次凸优化问题；
S303：引入拉格朗日乘子将二次凸优化问题转化为非线性回归问题，利用高斯核函数求解回归系数，回归系数优化后得到最优模型函数。
进一步的方案中，步骤S302包括以下步骤：
S3021：引入惩罚函数，对血氧饱和度修正值y与实际血氧饱和度yc的偏差大于容忍偏差阈值ε时的情况进行惩罚，所述的惩罚函数为：
其中，所述ε取yc的1个点偏差；
x为xi中的某个输入向量，yc为与该输入向量x对应的实际血氧饱和度，f为修正该输入向量x后输出的血氧饱和度修正值y；
S3022：引入松弛因子ξ-和ξ+，再结合惩罚系数C构成最终的风险函数R，将近似的线性回归问题描述为二次凸优化问题：
进一步的方案中，步骤S303包括以下步骤：
S3031：引入拉格朗日乘子ai、ai *，将二次凸优化问题转化为非线性回归问题：
S3032：引入高斯核函数求解回归系数ω和b，得到最终的非线性回归函数：
其中σ为核参数，用于控制血氧饱和度修正值y的复杂性。
进一步的方案中，步骤S303中优化回归系数的方法为：初始化惩罚系数C和核参数σ，通过10折交叉验证法优化回归系数，优化步骤包括：
通过高斯核函数描述非线性回归问题的内积：
求解上式获得拉格朗日乘子ai、ai *，在基于下式获得回归系数ω和b：
将优化的回归系数ω和b代入非线性回归函数中，得到最优模型函数。
进一步的方案中，该血氧误差自动修正的方法还包括在得到最优模型函数之后，评估模型的准确度，评估方法包括：
从步骤S1所述的样本数据中选取验证集x*，x*＝(xi,yc)；
从步骤S4中的所述输出量中选取与验证集中的xi对应的血氧饱和度修正值y；
将所述y与所述yc进行均方根误差和最大绝对误差验证，评估模型的准确度。
本发明的工作原理及优点如下：
本发明通过增加红外测距传感器，利用距离信息通过支持向量机回归法进行血氧修正，能够降低血氧出值错误率，增强用户体验感。
采用支持向量机回归法修正血氧值时，通过用户的当前的血氧饱和度、手指距离和红光和红外的直流分量以及当前LED发射管的电流大小这些已知参数为输入量，以修正的血氧值为输出量构成支持向量机回归问题；再利用高斯核函数求解回归系数，利用10折交叉验证法优化回归系数，得到最优模型函数，利用该最优模型函数进行血氧修正，修正精度更高。
附图说明
附图1为本发明的整体结构示意图；
附图2为本发明的系统结构示意图；
附图3为手指在最佳距离时的测量示意图；
附图4为手指在可调范围时的测量示意图；
附图5为手指在无法测量范围时的测量示意图；
附图6为本发明的支持向量机回归模型结构图。
以上附图中：1.机体；2.血氧测量腔；3.光学传感器；4.测距模块；5.MCU模块；6.屏幕显示模块；7.电源模块。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例：以下将以图式及详细叙述对本案进行清楚说明，任何本领域技术人员在了解本案的实施例后，当可由本案所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本案的精神与范围。
本文的用语只为描述特定实施例，而无意为本案的限制。单数形式如“一”、“这”、“此”、“本”以及“该”，如本文所用，同样也包含复数形式。
关于本文中所使用的“连接”或“定位”，均可指二或多个组件或装置相互直接作实体接触，或是相互间接作实体接触，亦可指二或多个组件或装置相互操作或动作。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中所使用的用词(terms)，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在本案内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本案的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本案描述上额外的引导。
参见附图1-5，一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的血氧仪，该血氧仪采用指夹式脉搏血氧仪，其包括一设置有血氧测量腔2的机体1、光学传感器3、测距模块4、MCU模块5、屏幕显示模块6和电源模块7。
所述光学传感器3设置在血氧测量腔2的腔壁上，进行红光与红外光的交替闪烁，用于测量手指的血氧饱和度O当前。
所述测距模块4设置在血氧测量腔2的末端中部，与指尖处于同一水平线，用于测量其与指尖的距离length。测距模块4可为红外测距模块4，具体为红外测距传感器。
所述MCU模块5基于预设的距离阈值确定出所述length处于可调范围内的O当前以及所述光学传感器3的运行参数，并将确定出的各参数输入至支持向量机回归模型中进行修正，输出血氧饱和度修正值y。
所述光学传感器3的运行参数包括红光交流分量Redac、红光直流分量Reddc、红外光交流分量Irac、红外光直流分量Irdc和当前LED发射管的电流A。
其中，
红光直流分量Reddc和红外光直流分量Irdc由血氧电路第一级运放采样、滤波后得到；红光交流分量Redac和红外光交流分量Irac由血氧电路第二级运放采样、滤波后得到，并发送至MCU模块5；并发送至MCU模块5；当前LED发射管的电流A为DAC值的大小，可由MCU模块5从现有程序中提取。
所述距离阈值包括最佳距离、可调范围和无法测量范围。
当所述length为最佳距离，所述O当前即为准确的血氧饱和度；
当所述length落入到无法测量范围，所述MCU模块5发出重新测量提示指令；
当所述length落入到可调范围，所述MCU模块5启动最优的支持向量机回归模型，对血氧饱和度进行修正，输出量为血氧饱和度修正值y。
所述屏幕显示模块6用于显示所述准确的血氧饱和度、所述血氧饱和度修正值以及基于所述重新测量提示指令进行重新测量提示，还用于显示脉率数值及当前电池电量。
所述电源模块7用于为所述光学传感器3、所述测距模块4、所述MCU模块5和所述屏幕显示模块6供电。
工作原理为：在电路上增加一个红外测距传感器用于测量指尖到传感器的距离并将信息传输至MCU模块5进行处理分析。
MCU模块5设定距离阈值来判断所测距离属于最佳距离、可调范围、无法测量范围中的某一种情况，并根据不同情况进行处理；
当红外测距传感器得的指尖到传感器的距离处于最佳距离范围内时，将不做其它处理，进行正常测量并输出数值；
当测得的距离处于无法测量范围时，将直接关闭光学传感器3不进行测量，并在屏幕上提示用户将手指插入深一些；
当测得的距离处于可调范围内时，MCU模块5将根据距离信号判断血氧误差值并进行自行修正。
红外测距传感器位置处于指夹式脉搏血氧仪的上下硅胶垫中间位置，即血氧仪腔体末端居中位置，使发出的光线与指尖处于同一水平线。红外测距传感器通过发出与接收的时间差得到手指指尖与传感器之间的距离。如图3-5所示，将手指插入分为三种不同的状态：如图3，手指插入后，手指指腹的位置贴于发光传感器上并将其完全覆盖，此时红外测距传感器测得的距离落于最佳距离范围内，血氧值为正常测量所得的数值；如图4，手指插入后，手指的指腹并未将发光传感器完全覆盖，此时红外测距传感器测得的距离落于血氧可调范围内，血氧仪自行修正血氧值输出；如图5，手指插入后，若发光传感器完全未检测到物体，此时血氧仪将不进行测量并提醒用户将手指插入深一点。
另外，在用户将手指插入指夹式脉搏血氧仪后，红外测距传感器进行距离测量，并将测得的距离传输给MCU模块5，此时为避免存在光线干涉情况，将光学传感器3的LED灯暂时关闭，当距离检测过程结束后再将LED灯开启，即时序中测距红外、LED红光、LED红外光进行周期交替闪烁。
一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的方法，该方法采用上述血氧仪实现，包括以下步骤：
S1：建立训练样本；
模拟手指在可调范围内测量血氧饱和度以及不同手的同一手指在最佳距离内测量血氧饱和度；获取在可调范围内测量时的血氧饱和度O当前、length、Redac、Reddc、Irac、Irdc和A共七个特征量以及在最佳距离内测量时的实际血氧饱和度yc，作为样本数据；
S2：选取一部分样本数据作为训练样本，生成训练集D＝(xi,yc)，其中，xi(i＝1,2,...n)为输入向量，可以表示为xi＝(O当前、length、Redac、Reddc、Irac、Irdc、A)，n为训练样本数量；
对输入向量xi的七个特征量做归一化处理，归一化处理公式为：
其中x′为归一化后的数值，a为归一化前的输入值，amin为特征量的最小值，amax为特征量的最大值；
S3：建立支持向量机回归模型并进行参数优化；
S301：利用支持向量机回归模型(参见附图6)将输入的输入向量xi和输出的血氧饱和度修正值y描述为一个近似的线性回归问题，线性回归函数为：
其中，ω和b为回归系数；
S302：通过最优化方法获得ω和b；
S3021：引入惩罚函数Lε对血氧饱和度修正值y与实际血氧饱和度yc的偏差大于容忍偏差阈值ε时的情况进行惩罚，所述ε取yc的1个点(百分之一)偏差；所述的惩罚函数Lε表达式为：
其中，x为输入向量，f(x)即为血氧饱和度修正值y；该惩罚函数本质是解回归函数平面的宽度(1/2||ω||2)最小的问题；
S3022：考虑误差的情况，引入松弛因子ξi和ξi *，分别表示未超出和超出ε惩罚区间的情况，结合惩罚系数C可以构成最终的风险函数R，将解回归函数平面的宽度(1/2||ω||2)最小的问题转化为解存在误差情况下的风险函数R的最小化问题，可以表示为：
所以近似的线性回归问题变成了二次凸优化问题；
S303：引入拉格朗日乘子ai、ai *，将二次凸优化问题转化为非线性回归问题，非线性回归决策函数表达式为：
所述的非线性回归问题，需要引入核函数K(x,xi)避免在同一特征空间的内积计算；选用高斯核函数(RBF)作为核函数，因为高斯核函数对于数据的噪音具有较强的抗干扰能力，核函数表达式为：
其中σ为核参数，用于控制血氧饱和度修正值y的复杂性；
最终得到的非线性回归最后回归决策函数为：
S304：初始化惩罚系数C和核参数σ，通过10折交叉验证法优化回归系数，优化步骤包括：
通过核函数描述非线性回归问题的内积：
求解上式可以获得拉格朗日乘子ai、ai *，再基于下式获得优化的回归系数ω和b：
将优化的回归系数ω和b代入非线性回归函数中，得到最优模型函数。
S5：评估模型的准确度，评估方法包括：
从步骤S1所述的样本数据中选取验证集x*，x*＝(xi,yc)；
从步骤S4中的所述输出量中选取与验证集中的xi对应的血氧饱和度修正值y；
基于机器学习方法，将所述y与所述yc进行均方根误差和最大绝对误差验证，通过均方根和最大绝对误差就能评估模型的准确度好坏；
S5：将所述最优模型函数导入到血氧仪的MCU模块5中，每当手指插入时，MCU模块5会根据红外测距传感器的测量数据length判断是否调用最优模型函数来修正血氧饱和度，具体的：
以length处于可调范围内的七个特征量作为最优模型函数的输入量，对血氧饱和度进行修正，输出量为血氧饱和度修正值y；
MCU模块5同时控制屏幕显示模块6显示此时的血氧值为修正值用来提醒用户。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的血氧仪，其特征在于：包括一设置有血氧测量腔(2)的机体(1)、光学传感器(3)、测距模块(4)和MCU模块(5)；
所述光学传感器(3)设置在血氧测量腔(2)的腔壁上，用于测量手指的血氧饱和度O当前；
所述测距模块(4)设置在血氧测量腔(2)的末端中部，用于测量其与指尖的距离length；
所述MCU模块(5)基于预设的距离阈值确定出所述length处于可调范围内的O当前以及所述光学传感器(3)的运行参数，并将确定出的各参数输入至支持向量机回归模型中进行修正，输出血氧饱和度修正值y。
2.根据权利要求1所述的一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的血氧仪，其特征在于：所述光学传感器(3)的运行参数包括红光交流分量Redac、红光直流分量Reddc、红外光交流分量Irac、红外光直流分量Irdc和当前LED发射管的电流A。
3.根据权利要求2所述的一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的血氧仪，其特征在于：所述距离阈值包括最佳距离、可调范围和无法测量范围；
当所述length为最佳距离，所述O当前即为准确的血氧饱和度；
当所述length落入到无法测量范围，所述MCU模块(5)发出重新测量提示指令。
4.根据权利要求3所述的一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的血氧仪，其特征在于：还包括屏幕显示模块(6)和电源模块(7)；
所述屏幕显示模块(6)用于显示所述准确的血氧饱和度、所述血氧饱和度修正值以及基于所述重新测量提示指令进行重新测量提示；
所述电源模块(7)用于为所述光学传感器(3)、所述测距模块(4)、所述MCU模块(5)和所述屏幕显示模块(6)供电。
5.一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的方法，其特征在于：该方法采用如权利要求4所述的血氧仪，包括以下步骤：
S1：获取手指在可调范围内测量的血氧饱和度O当前、length、Redac、Reddc、Irac、Irdc和A共七个特征量，以及不同手的同一手指在最佳距离内测量的实际血氧饱和度yc，作为样本数据；
S2：从样本数据中选取训练样本，生成训练集D＝(xi,yc)，并归一化处理该输入向量xi，xi＝(O当前、length、Redac、Reddc、Irac、Irdc、A)，其中，i＝1,2,...n，n为训练样本数量；
S3：建立支持向量机回归模型并选用高斯核函数，利用训练样本训练优化支持向量机回归模型，得到最优模型函数；
S4：将所述最优模型函数导入到血氧仪的MCU模块(5)中，以length处于可调范围内的七个特征量作为最优模型函数的输入量，对血氧饱和度进行修正，输出量为血氧饱和度修正值y。
6.根据权利要求5所述的一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下步骤：
S301：利用支持向量机回归模型将输入向量xi和血氧饱和度修正值y描述为近似的线性回归问题；其中，ω和b为回归系数；
S302：引入惩罚函数、松弛因子ξi和将近似的线性回归问题描述为二次凸优化问题；
S303：引入拉格朗日乘子将二次凸优化问题转化为非线性回归问题，利用高斯核函数求解回归系数，回归系数优化后得到最优模型函数。
7.根据权利要求6所述的一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的方法，其特征在于：步骤S302包括以下步骤：
S3021：引入惩罚函数，对血氧饱和度修正值y与实际血氧饱和度yc的偏差大于容忍偏差阈值ε时的情况进行惩罚，所述的惩罚函数为：
其中，所述ε取yc的1个点偏差；
x为xi中的某个输入向量，yc为与该输入向量x对应的实际血氧饱和度，f为修正该输入向量x后输出的血氧饱和度修正值y；
S3022：引入松弛因子ξ-和ξ+，再结合惩罚系数C构成最终的风险函数R，将近似的线性回归问题描述为二次凸优化问题：
8.根据权利要求7所述的一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的方法，其特征在于：步骤S303包括以下步骤：
S3031：引入拉格朗日乘子ai、ai *，将二次凸优化问题转化为非线性回归问题：
S3032：引入高斯核函数求解回归系数ω和b，得到最终的非线性回归函数：
其中σ为核参数，用于控制血氧饱和度修正值y的复杂性。
9.根据权利要求8所述的一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的方法，其特征在于：步骤S303中优化回归系数的方法为：初始化惩罚系数C和核参数σ，通过10折交叉验证法优化回归系数，优化步骤包括：
通过高斯核函数描述非线性回归问题的内积：
求解上式获得拉格朗日乘子ai、ai *，在基于下式获得回归系数ω和b：
将优化的回归系数ω和b代入非线性回归函数中，得到最优模型函数。
10.根据权利要求5所述的一种可根据手指位置进行血氧误差自动修正的方法，其特征在于：还包括在得到最优模型函数之后，评估模型的准确度，评估方法包括：
从步骤S1所述的样本数据中选取验证集x*，x*＝(xi,yc)；
从步骤S4中的所述输出量中选取与验证集中的xi对应的血氧饱和度修正值y；
将所述y与所述yc进行均方根误差和最大绝对误差验证，评估模型的准确度。
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| CN202310791622.XA CN116919397A (zh) | 2023-06-30 | 2023-06-30 | 可根据手指位置进行血氧误差自动修正的血氧仪及方法 |
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Cited By (1)
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| CN117253096A (zh) * | 2023-11-16 | 2023-12-19 | 亿慧云智能科技（深圳）股份有限公司 | 手指自适应的健康指标监控方法、装置、设备及存储介质 |
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2023
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| CN117253096B (zh) * | 2023-11-16 | 2024-03-19 | 亿慧云智能科技（深圳）股份有限公司 | 手指自适应的健康指标监控方法、装置、设备及存储介质 |
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