CN1441648A

CN1441648A - 检测生化参数的方法和设备

Info

Publication number: CN1441648A
Application number: CN01804900.1A
Authority: CN
Inventors: Z·埃尔格哈扎维
Original assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2003-09-10
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: CN100506143C; US6574491B2; EP1253851B1; US20020007114A1; WO2001058345A1; AU2001236703A1; ATE391452T1; DE60133533T2; DE60133533D1; JP2003521984A; EP1253851A1

Abstract

一种用于从生化信号检测生化参数的系统包括一个生化信号源。连到该信号源的电路检测生化信号中的谱峰值。连到该谱峰值检测电路的计算电路计算与每个被检测到的谱峰值对应的参数值。连到该计算电路和谱峰值检测电路的加权电路依据信号的特性和与该峰值对应的参数值对每个峰值分配加权值。连到该加权电路的电路依据一种预先规定的准则选择峰值。连到该选择电路和计算电路的输出电路则产生与所选的峰值对应的参数值。

Description

检测生化参数的方法和设备

发明领域

本发明涉及从生化电信号检测所希望的生化参数，更具体而言，涉及从生化信号中除去人为产物以便更精确地检测所希望的参数。

发明背景

常常需要从电生化信号检测生化参数。例如，利用已知的心电图系统检测涉及心脏功能的参数；利用已知的脑电图系统检测涉及脑的功能的参数；和利用已知的血氧计系统检测血氧浓度和脉率的参数。在本申请的其余部分中将较详细地描述脉搏血氧计系统，然而本领域的技术人员将理解，可将该描述中的系统，电路，和方法修改应用到从电生化信号检测生化参数的其他系统。

已知的血氧计系统使用光信号检测血氧浓度。将两种不同波长的光入射在充血的肉上，检测发射的或反射的光，变换成电生化信号，处理电信号以便检出血氧浓度的生化参数，全部采用已知的方式进行。众所周知，许多因素将噪声引入电信号：例如患者的移动，周围光水平的变化，和较次要的，来自血氧计系统附近的电源线和/或其他运行的电设备的EMI。

为了提高准确度，已经做了许多工作，在这样的系统的固有的噪声中精确地检测电的血氧测量信号。某些现有技术的系统将时间域的电生化信号(包括噪声)变换到频率域，并在频率域中实行进一步的处理。这样的系统利用富里哀变换将电生化信号变换到频率域。更具体而言，使用某种形式的离散的富里哀变换，最好是快速富里哀变换(FFT)。然后分析频率或信号以便从噪声中分离出生化信号并检出所希望的参数。

2000年9月19日颁发给Kaestle等的美国专利6,122,535，示出一种系统，在其中计算由血氧测量的传感器产生的IR和红光的代表信号。通过FFT计算对于红光和IR信号的幅度变换。对于信号之一的幅度变换被画在X轴上，而两个信号中的另一个的幅度变换被画在y轴上。所得到的x-y图包含从原点辐射状向外延伸的指针。将这些指针的幅度和角度，和与它们有关的其他参数编辑成一张表。在表中的每个表列值是依据各种准则记分的。具有最高分的项目被选作表示患者的实际脉率。然后处理与这个表列值有关的，经过FFT的数据，以产生脉率和血氧浓度(SPO₂)参数。

2000年7月25日颁发给Yorkey等的美国专利6,094,592示出另一种系统，在其中对由血氧测量传感器产生的IR和红光的代表信号计算FFT。对FFT中的每一点计算SPO₂参数。然后由以前计算的所有的SPO₂参数组成一个直方图。依据一套规则从直方图信息选取SPO₂参数中的一个。将这个SPO₂值作为血氧浓度参数显示。

1999年7月20日颁发给Coetzee的美国专利5,924,980示出又一种系统，在其中对由血氧测量传感器产生的IR和红光的代表信号计算FFT。在本专利中，通过将光的代表信号与“理想的”波形作比较来辩别由血氧测量传感器产生的光代表信号中“好的”和“差的”部分。通过将红的和IR光的代表信号相关来识别和删除局外物。作为相关的结果，减少了噪声信号的有害影响，以更准确的方式计算SPO₂值。

所有这些现有技术的系统需要大量的处理，因而需要大量的功率。一种需要较少处理和消耗较少功率的系统是所希望的。

发明概述

依据本发明的原理，一种用于从生化信号检测生化参数的系统包括：一个生化信号源；连到该信号源的电路，检测该生化信号中的谱峰值；连到该谱峰值检测电路的计算电路，计算与每个检测到的谱峰值对应的参数值；连到计算电路和谱峰值检测电路的加权电路，依据信号的特点和与该峰值对应的参数值将加权值分配给每个峰值；连到该加权电路的电路，依据一种预先确定的准则选择峰值；然后连到选择电路和计算电路的输出电路，产生与所选的峰值对应的参数值。

附图简述

图中：

图1是用作说明依据本发明的原理的一种血氧浓度(SPO₂)检测系统方框图；

图2是用作说明在图1所示的系统中有用的检测谱峰值的方法的简图。

发明详述

图1是表示依据本发明的原理的血氧浓度(SPO₂)检测系统的一个方框图。在图1中，用光源14和光传感器16的组合表示的血氧测量传感器10被连到一个控制电路100。在图1中，控制器102的输出端被连到光源14的一个输入端。控制器102的另一个输出端被连到控制电路100内其也电路各自的控制输入端(未示出)。本领域的技术人员将理解需要什么样的控制信号，如何产生它们，和如何将它们与控制电路100内需要它们的电路相互连接。

正如所知道的那样，光源14被配置成发射入射在充血肉5，如手指或耳垂上的光线。通过肉5发射或由此反射的光被光传感器16接收。光传感器16的一个输出端被连到串联的带通滤波器(BPF)108，FFT计算电路110，幅度计算器112，峰值检测器114，SPO₂值计算器118，峰值加权电路120，峰值选择电路122，分谐波检查电路124，和产生表示SPO₂和脉率参数的输出信号的电路126。输出电路126的第一输出端产生SPO₂参数值并被进一步与监视器128的输入端连接，输出电路126的第二输出端产生脉率的代表信号。

在操作中，光源14包括至少两个发光二极管：一个发射红光波长的光，另一个发射IR波长的光，对来自控制器102的控制信号作出响应。控制器102对光源14提供信号，调整光源14产生交替的各个波长的光信号。另一种方案是，控制器102可以调整LED，在相互排斥的时间周期内发光，包括任何一个LED都不发光的时间周期，全都用已知的方式进行。光源16接收或者通过肉5或由此反射的光信号。信号被以适当的方式处理，用已知的方式产生分离的红和IR电信号，表示从光源14中相应的LED接收到的信号。这种处理可以包括噪声过滤，黑(无LED光)周期的处理，增益控制，或许还包括对数字样本的变换，全都用已知方式进行。在本图的其余部分中，除非另外特别说明，红和IR电信号被用单一的信号线表示。本领域的技术人员也将理解，这种处理有些可在控制电路100内进行，虽然为了使图简化，未示出这样的电路。

因为已知感兴趣的电生化信号只存在于从0.5Hz到5Hz的频段内，带通滤波器108过滤接收到的光代表信号，并只让在这个通带内的那些频率通过。FFT计算电路110实施将已滤波的红的和IR信号变换到频率域。红的和IR的FFT被变换以便由量值计算器112以标准方式进行幅度变换。电路114只检测IR信号的幅度FFT中的峰值，许多用于检测峰值的已知方法中任何一种可被用于IR量值的FFT以便检测其峰值。

图2是用作说明在图1所示的系统中有用的检测谱峰值的方法的简图。在图2中，IR量值的FFT在频率上被从dc点向上横截。无论何时在IR FFT的量值下降到峰值以下预先规定的量以前，IR FFT的量值从起始点的量值上升至少预先规定的量(例如300)，则一个峰值被检测到。检测到的峰值与频率和量值有关联。检测到的峰值的频率是FFT中的频率位置，在此位置上检测到最大的量值，在此频率位置上的最大量值是峰值量。

更具体地参考图2，一个示范性的IR量值的FFT被示出。本领域的技术人员将理解，这样的一种FFT由一组有序的量值组成，每个值表示在相应频率上IR信号的量值。然后，为了更清楚地描述用于检测峰值的方法，这组值用表示幅度谱的线图表示，在dc点202开始，IRFFT的量值被监测，以便检测何时它超出dc值一个预先确定的值，这个值在所示的实施方案中是300，在图2中这种情况发生在点204上，从点204起，IR FFT量值的最大值被不断地更新，IR FFT的量值被监测以便检测何时它从最大值降低预先规定的量(例如，300)。更具体地说，一个最大值在点206上被检测到。这个最大值具有值为M1，频率为F1。当IR FFT的量值降低到最大量值M1以下预先规定的量(300)时选取这个峰值，这发生在点208上。从点208起，IR FFT的量值的最小值被不断地更新，IR FFT的量值被监测以便检测何时它从最小值增加预先规定的量(300)。更具体地说，在点210上一个最小值被检测到。当IR FFT的量值超过点210上最小值量值预先规定的量(300)时，这个最小值被选取，这种情况发生在点212上。最小值点的量值和频率并不是成比例的。

从点210起，上述的过程重复以便检测其后的峰值。因此，如上所描述的那样，从点212起，IR FFT的量值的最大值被不断地更新，IR FFT的量值被监测以便检测何时它从最大值降低预先规定的量(300)。在点214上第二个最大值被检测到。这个最大值具有值为M2和频率为F2。当IR FFT的量值降低到最大值的量值M2以下预先规定的量(300)时选取这个峰值，这种情况发生在点216上。所有这样的峰值被以这种方式检出。这些峰值被按以下描述的方式进一步地处理。另一种方案是，预先确定的峰值的最大数目可被进一步处理(例如10到30)。在这种情况下，如以下描述的那样，具有最大量值的10到30个峰值被进一步处理，而其余的被删除。

计算电路118对于由峰值检测电路114识别的每个峰值的频率计算SPO₂值。对于每个这样的峰值，计算是基于在以下的等式(1)中给出的比率R，其中ACred表示在IR FFT中检测到的峰值位置上红光的FFT的量值；DCred表示在零频(DC)位置上红光的FFT的量值；ACir表示在峰值位置上IR FFT的量值，和DCir表示在零频(DC)位置上IR FFT的量值。然后比率R被用作一个实验确定的查看表的输入参数，以便确定与该比率对应的SPO₂值。

R = \frac{\log \frac{ACred + DCred}{DCred}}{\log \frac{ACir + DCir}{DCir}} - - - (1)

然后由峰值检测器114检测到的每个峰值被加权电路120加权。一般，加权是基于在计算电路118中计算出的SPO₂值和其他的信号特点。这些信号特点可以涉及到生化信号本身，或者涉及某些其他的信号，如在图1的虚线框中由连到加权电路120的第二输入端的信号线所示的那样。这些信号的特性可以，例如，是在时间或频率域中，包括生化信号的一个或多个信号的值，斜率或积分或某种其他的函数。

在所示的实施方案中，按以下的等式(2)中所示的方式计算加权值W，即取由计算电路118算得的SPO₂值的平方并用相应的IR FFT峰值的量值(ACir)相乘，产生与该峰值对应的加权值W。

W＝(SPO₂)²·ACir (2)

选择电路122依据一种预先规定的准则选择峰值。在所示的实施方案中，具有最大加权值W的峰值被选作表示实际脉率的峰值。

然而，如果选择电路122所选的峰值在0.75Hz和1.4Hz之间，则可能这个峰值的频率表示的不是脉率，而脉率的第一谐波，表示基波频率的谱峰值被噪声遮盖。因此，在最后选择表示脉率的峰值以前，可选地实施一种进一步的检查。

检查电路124检查由选择电路122选取的峰值的频率，确定是否它是在0.75Hz和1.4Hz之间。如果是的，则检查由所选的峰值表示的频率的1/2处量值IR FFT的位置，确定它是否已被识别为峰值。如果该位置不是一个峰值，则起初被选择电路122选取的峰值被选为峰值，与该峰值对应的脉率和SPO₂值被产生在输出电路126的输出端并被显示在监视器128上。

另一方面，如果起初被选择电路122选取的峰值的1/2频率处量值IR FFT的位置被确定也是一个峰值，则该峰值(较低的峰值)的量值与由选择电路122起初选取的峰值(较高的峰值)的量值作比较。如果较低峰值的量值大于较高峰值量值的两倍，则为较低和较高峰值所计算的SPO₂值被比较。如果对于较低峰值的SPO₂值(被表达为百分数)大于对于较高峰值的SPO₂值两个百分数，则较低峰值被假定为基波，较低峰值的频率被假定用以表示脉率。在这种情况下，在输出电路126的输出端上产生与较低峰值对应的脉率和SPO₂值。并显示在监视器128上。否则，较高峰值被假定为基波，在输出电路126的输出端上产生与较高峰值对应的脉率和SPO₂值，并显示在监视器128上。

图1中所示的系统被按由分离的相互连接的硬件部件组成的形式描述的，这样的一种系统可以按这种方式实施。然而，本领域的技术人员将理解，控制电路100也可以作为一种在控制程序的控制下运行的计算机系统实施，在其中从光传感器16接收到的信号以一种已知的方式被模拟-数字变换器变换成数字形式的样本。数字样本被计算机100接收到，所有的滤波，变换，和其他的计算及比较都用已知的方式由存储在存储器(未示出)中的程序的控制下由计算机完成。

通过检测在电的红色和IR光信号中的峰值，必需被执行的计算量相对于以上所描述的先前技术方法是减少了，从而为检测脉率和SPO₂水平所需的功率也减少了。

Claims

1.一种用于从生化信号检测生化参数的系统，包括：

一个生化信号源；

连到信号源，用于检测生化信号中谱峰值的电路；

连到谱峰值检测电路，用于计算与每个被检测到的谱峰值对应的参数值的计算电路；

连到计算电路，用于依据信号特性和与该峰值对应的参数值对每个峰值加权的加权电路；

连到加权电路，用于依据一种预先规定的准则选择峰值的电路；和

连到选择电路和计算电路，用于产生与所选的峰值对应的参数值的输出电路。

2.如权利要求1的系统还包括一个带通滤波器，连接在信号源和谱峰值检测电路之间。

3.如权利要求1的系统，其中该谱峰值检测电路包括：

连到信号源，用于将生化信号变换到频率域的变换电路；和

用于检测频率域变换的生化信号的谱峰值的电路。

4.如权利要求3的系统，其中该变换电路包括富里哀变换电路。

5.如权利要求4的系统，其中：

该富里哀变换电路包括FFT电路；和

该谱峰值检测电路包括用于计算生化信号的FFT变换的量值的电路，和用于检测量值的FFT变换中的峰值的电路。

6.如权利要求1的系统，其中该加权电路依据一个或多个信号各自的信号特性和与该峰值对应的参数值对每个峰值加权。

7.如权利要求1的系统，其中该加权电路依据检测到的谱峰值的量值和与该峰值对应的参数值对每个峰值加权。

8.加权利要求1的系统，其中该选择电路选择具有最大加权值的峰值。

9.一种用于从生化信号检测血氧浓度(SPO₂)的系统，包括：

一个生化信号源；

连到该信号源，用于检测该生化信号中谱峰值的电路；

连到该谱峰值检测电路，用于计算与每个检测到的谱峰值对应的SPO₂值的计算电路；

连到该计算电路和该谱峰值检测电路，用于依据检测到的谱峰值的量值和与该峰值对应的SPO₂值对每个峰值加权的加权电路；

连到该加权电路，用于选择具有最大加权值的峰值的电路；和

连到该选择电路和该计算电路，用于产生与所选的峰值对应的参数值的输出电路。

10.如权利要求9的系统还包括一个带通滤波器，连接在信号源和检测电路之间。

11.如权利要求10的系统，其中该带通滤波器的通带在大约0.5Hz和大约5Hz之间。

12.如权利要求9的系统，其中该信号源包括一个表示接收到红光的红色信号源和一个表示接收到IR光的IR信号源。

13.如权利要求12的系统，其中：

该谱峰值检测电路包括一个富里哀变换电路，分别产生与红的和IR信号对应的被变换的红的和IR信号；和

该检测电路检测被变换的IR信号中的峰值。

14.如权利要求13的系统，其中：

该富里哀变换电路包括FFT电路；和

该峰值检测电路还包括一个用于产生IR信号的量值变换，和检测IR信号的量值变换中的峰值的电路。

15.如权利要求13的系统，其中该计算电路包括：

用于依据以下等式计算比率R值的电路：

R = \frac{\log \frac{ACred + DCred}{DCred}}{\log \frac{ACir + DCir}{DCir}}

其中ACred表示在每个峰值上被变换的红的信号的量值，DCred表示被变换的红的信号的DC量值，ACir表示在每个峰值上被变换的IR信号的量值，DCir表示IR信号的DC量值；和

依据比率R查看SPO₂值的一张查看表。

16.如权利要求13的系统，其中该加权电路包括依据以下等式计算加权值W的电路。

W＝(SPO₂)²·ACir

其中ACir表示在每个峰值上被变换的IR信号的量值。

17.如权利要求9的系统，其中每个被检测到的峰值还与频率有关，该系统还包括：

用于确定是否与所选的峰值有关的频率是在预先确定的频率范围内的电路，如果与所选的峰值有关的频率是在预先确定的频率范围内，则：

检查是否在所选的峰值有关的频率的一半上被变换的信号也是一个峰值，如果在与所选的峰值有关的频率的一半上的信号也是一个峰值，则：

将与所选的峰值有关的各个量值与和所选的峰值有关的频率的一半上的峰值作比较，和

如果在与所选的峰值有关的频率的一半上的峰值的量值大于所选的峰值的量值一个预先确定的因数，与所选的峰值有关的频率的一半上的峰值相关联的SPO₂值大于与所选的峰值有关的SPO₂值一个预先确定的量，则选择在所选峰值的频率的一半上的峰值。

18.如权利要求17的系统，其中该预先确定的因数大体上为2。

19.如权利要求17的系统，其中将SPO₂值表达为百分数；预先确定的量大体上为2％。

20.如权利要求17的系统，其中该预先确定的频率范围是从大约0.5Hz到大约1.4Hz。

21.如权利要求9的系统，包括在一个控制程序控制下运行的计算机系统中。

22.一种用于从生化信号检测生化参数的方法，包括以下步骤：

接收表示该参数的生化信号；

检测该生化信号中的谱峰值；

计算与每个峰值对应的生化参数；

依据信号的特性和与该峰值对应的生化参数对每个峰值加权；

依据一种预先确定的准则选择峰值；和

产生与所选的峰值对应的生化参数。

23.如权利要求22的方法，在峰值检测步骤以前还包括限定生化信号带宽的步骤。

24.如权利要求22的方法，其中该峰值检测步骤包括以下步骤：

计算该生化信号的富里哀变换；和

检测该生化信号的变换中的峰值。

25.如权利要求24的方法，其中该峰值检测步骤还包括计算该生化信号的量值富里哀变换的步骤。

26.如权利要求22的方法，其中该加权的步骤包括依据一个或多个信号各自的特性和与该峰值对应的生化参数对每个峰值加权的步骤。

27.如权利要求26的方法，其中该加权的步骤包括依据峰值的量值和与该峰值对应的生化参数对每个峰值加权的步骤。

28.如权利要求22的方法，其中该选择步骤包括选择具有最大加权值的峰值的步骤。

29.一种用于从生化信号检测血氧浓度(SPO₂)的方法，包括以下步骤：

接收表示SPO₂值的生化信号；

检测生化信号中的谱峰值；

计算与每个峰值对应的SPO₂值；

依据峰值的量值和与该量值对应的SPO₂值对每个峰值加权；

选择具有最高加权值的峰值；和

产生与所选的峰值对应的SPO₂值。

30.如权利要求29的方法，在检测步骤以前还包括限制生化信号带宽的步骤。

31.如权利要求30的方法，其中该限制步骤包括限制带宽从大约0.5Hz到大约5Hz的步骤。

32.如权利要求29的方法，其中：

该接收步骤包括接收表示接收到的红光的红色信号和表示接收到的IR光的IR信号的步骤；

该变换步骤包括分别将红色和IR信号变换成被变换的红色和IR信号的步骤；和

该检测步骤包括检测在被变换的IR信号中的峰值的步骤。

33.如权利要求32的方法，其中该变换步骤还包括将红色和IR信号分别变换成量值被变换的红色和IR信号。

34.如权利要求32的方法，其中该被变换的生化信号具有DC量，计算步骤包括依据以下等式计算比率R值的步骤：

R = \frac{\log \frac{ACred + DCred}{DCred}}{\log \frac{ACir + DCir}{DCir}}

其中ACred表示在每个峰值上被变换的红色信号的量值，DCred表示被变换的红色信号的DC量值，ACir表示在每个峰值上被变换的IR信号的量值，DCir表示IR信号的DC量值；和

依据比率R从查看表查看SPO₂值。

35.如权利要求32的方法，其中该加权步骤包括依据以下等式计算加权值W的步骤：

W＝(SPO₂)²·ACir

其中ACir表示在每个峰值上被变换的IR信号的量值。

36.如权利要求29的方法，其中每个被检测到的峰值还与频率有关，该方法在选择步骤以后还包括以下步骤：

确定是否与所选的峰值有关的频率是在预先规定的频率范围内，如果与所选的峰值有关的频率是在预先规定的频率范围内，则执行以下步骤：

检查是否与所选的峰值有关的频率的一半上被变换的信号也是一个峰值，如果与所选的峰值有关的频率的一半上的信号也是一个峰值，则执行以下步骤：

将与所选的峰值有关的各个量值和与所选的峰值有关的频率的一半上的峰值作比较；和

如果与所选的峰值有关的频率的一半上的峰值的量值大于所选峰值的量值预先规定的因数倍，并且与所选的峰值有关的频率的一半上的峰值关联的SPO₂值大于与所选的峰值有关的SPO₂值一个预先规定的量，则选择所选的峰值的频率的一半上的峰值。

37.如权利要求36的方法，其中该预先规定的因数大体上为2。

38.如权利要求36的方法，其中该SPO₂值被表达为百分数；该预先规定的量大体上为2％。

39.如权利要求36的方法，其中该预先规定的频率范围是从大约0.5Hz到大约1.4Hz。