CN201104882Y - 一种血氧饱和度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种血氧饱和度测量装置，具有血氧饱和度传感器、血氧信号处理器及显示器，所述血氧信号处理器对血氧饱和度传感器输出的信号进行预处理，经交直流分离、快速傅里叶变换、去噪声及快速傅里叶反变换后，分成两路独立的通道，分别计算出时域信号和频域信号的血氧饱和度和脉率值，经评估后将计算结果选择输出给显示器。本实用新型对血氧饱和度传感器输出的红光和红外光信号在原有时域变换的基础上增加了频域变换，当被测人的脉搏比较微弱或手臂运动而使时域信号受到严重的干扰，通过频域分析得到的脉搏基波信号仍可以准确地计算出血氧饱和度和脉率值，有效地提高了测量结果的准确性，可应用于更多类型的被测人。

Description

一种血氧饱和度测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种医用人体生理参数测量装置，具体地说是一种血氧饱和度测量装置。

背景技术

血氧饱和度是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO₂)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。目前，血氧饱和度测量装置已在手术室、监护室、急救病房、患者的术后恢复和呼吸睡眠以及社区医疗监护等方面得到广泛的应用。临床应用资料表明，及时监测血氧饱和(SpO₂)度和/或亚饱和度状态，尽早发现低氧血症，足以提高麻醉和危重病人的安全性，尽早发现SpO₂下降，可有效预防或减少围术期和急症期的意外死亡。

现有的血氧饱和度测量装置一般都采用红外光谱光电法，根据血红蛋白(Hb)具有光吸收的特性设计而成。具体内容是通过软件系统扫描AD转换器采集到的红光和红外光强度信号，分别取得两路信号的直流偏置电压和脉搏信号的交流幅度电压，根据朗伯-比尔定律的时域测量方法算出红光信号的交流幅度与直流幅度之比和红外光信号交流幅度与直流幅度之比再计算出这两者的比值，该比值与血氧饱和度值有相关性，然后通过查表法定出血氧饱和度值，再根据脉搏波的脉搏间期即可计算出当前的脉率值。

当患者脉搏搏动比较弱(弱灌注)或患者手臂产生运动时，这种时域测量方法的波形信号会有很大的改变，脉搏波被淹没于噪声中，软件系统无法识别出真正的脉搏波与噪声的差别，致使计算得到的血氧饱和度值和脉率值都产生严重的误差，使血氧饱和度测量装置显示值有很大的波动，甚至根本显示不出当前的血氧值和脉率值。

实用新型内容

针对现有技术中血氧饱和度测量装置在弱灌注和运动干扰条件下存在严重的误差的问题，本实用新型要解决的技术问题是提供一种具有很强的抗弱灌注和抗运动性能的血氧饱和度测量装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

具有血氧饱和度传感器、血氧信号处理器及显示器，所述血氧信号处理器对血氧饱和度传感器输出的信号进行预处理，经交直流分离、快速傅里叶变换、去噪声及快速傅里叶反变换后，分成两路独立的通道，分别计算出时域信号和频域信号的血氧饱和度和脉率值，经评估后将计算结果选择输出给显示器。

所述血氧信号处理器包括：

光强信号预处理器，用于滤除血氧饱和度传感器输出的红光和红外光光强信号中的高频干扰和工频干扰，为交直流分离做准备；

交直流成分分离器，将接收的光强信号预处理器输出的信号中分离出红光和红外光强度的直流成分和交流成分，  形成红光交流、红光直流、红外光交流、红外光直流四个信号队列，供脉搏检测器提取脉搏信号特征、参与血氧饱和度计算；

快速傅里叶变换器，用于将红光和红外光交流信号变换成频域的频谱密度函数，得到不同频率信号成分的幅度分布；

频域窗口乘法器，用于将频谱密度函数乘以一个低频段窗口，消除高频成分；

快速傅里叶反变换器，用于将上述消除高频成分的频谱密度函数变换成时域脉搏基波信号，将此信号压入红光和红外光基波交流信号队列；

脉搏检测器，分为时域脉搏检测器和基波脉搏检测器，分别用于扫描时域和频域中红光和红外光交流队列，得到脉搏幅度、间期、形态等特征，并以此为依据检测出可能的脉搏波；

脉搏间期测量及脉率计算器，分为时域脉搏间期测量及脉率计算器和基波脉搏间期测量及脉率计算器，分别根据从降中峡与干扰波抑制器得到的正确的脉搏波计算时域和频域中红外光以采样点数为单位的脉搏间期，并据此计算时域和频域的脉率值；

脉搏幅度计算器及平均器，分为时域脉搏幅度计算器及平均器和基波脉搏幅度计算器及平均器，分别在红光和红外光交流信号队列中扫描脉搏波的波形，计算时域和频域中红光和红外光脉搏波的交流幅度，在红光和红外光直流信号队列中得到红光和红外光直流幅度；计算各幅度的平均值；

血氧饱和度计算器，  分为时域血氧饱和度计算器和基波血氧饱和度计算器，根据时域和频域中红光和红外光的交流幅度和直流幅度计算时域和频域定标前的血氧饱和度值，即分别为时域和频域红光和红外光的交直流幅度的比值之比；

计算结果评估器，比较时域和频域的计算结果及脉搏幅度和周期的变化情况，判断出当前是否有运动干扰，决定采用哪一组输出作为最终结果输出至显示器。

所述脉搏检测器还具有降中峡与干扰波抑制器，其分为时域降中峡与干扰波抑制器和基波降中峡与干扰波抑制器，分别审查时域脉搏检测器和基波脉搏检测器检出的脉搏波的特征和形态，消除降中峡与干扰波，得到正确的脉搏波；

所述血氧饱和度计算器还具有血氧饱和度值定标器，其分为时域血氧饱和度值定标器和频域血氧饱和度值定标器，根据血氧信号发生器发出的标准信号将时域和频域定标前的血氧饱和度值通过拟合曲线法或查表法得到准确的定标函数；将待测信号的血氧饱和度值代入该定标函数得到定标后的血氧饱和度值；所述定标曲线为三次曲线。

所述查表法为根据血氧信号发生器发出的标准信号的血氧饱和度值和由朗伯-比尔定律计算得到的时域和频域红光和红外光的交直流幅度的比值之比建立一一对应的关系表格，将在使用时计算得到的时域和频域红光和红外光的交直流幅度的比值之比通过查该表即可得到对应的血氧饱和度值值。

所述血氧信号处理器还包括血氧饱和度及脉率值平均器，将计算得到的时域和频域的血氧饱和度值及脉率值压入平均队列进行平均处理，得到稳定的输出结果。

光电信号传感器，分时将红光和红外光强度信号转换成电脉冲信号；

光强信号采集器，将频率与光强成正比的电脉冲信号转换成光强数字信号输出给血氧信号处理器的光强信号预处理器。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.测量结果准确性高。本实用新型对血氧饱和度传感器输出的红光和红外光信号在原有时域变换的基础上增加了频域变换，经过频域变换后，计算得到的血氧饱和度值和脉率值稳定可靠，读数准确，在运动状态和弱灌注状态下都能得到很好的输出结果；实践证明，当被测人的脉搏比较微弱或手臂运动而使时域信号受到严重的干扰，通过频域分析得到的脉搏基波信号仍可以准确地计算出血氧饱和度和脉率值，且计算结果在一定时限内保持稳定，对血氧和脉率的变化响应快，有效地提高了测量结果的准确性；

2.应用范围广。本实用新型具有时域和频域两个分析计算通道，扩展了血氧仪的应用范围，且非常适用于由单片机组成的嵌入式系统中；又由于本实用新型有效地提高了在弱灌注和运动状态下血氧饱和度和脉率测量的准确性和稳定性，使血氧饱和度测量装置可应用于更多类型的患者；

3.本实用新型可方便地应用于便携式多参数监护仪中。

附图说明

图1为应用本实用新型的多参数监护仪结构图；

图2为本实用新型结构图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型血氧饱和度测量装置应用于多参数监护仪中，具有血氧饱和度传感器、血氧信号处理器及显示器，其中血氧饱和度传感器包括光电信号传感器和光强信号采集器，光电信号传感器采用指夹式夹于被测人的手指上，在开关电路的控制下，指夹式光电传感器中的红光发光二极管(红LED)及红外发光二极管(红外LED)分时切换发射红光和红外光(本实施例中采样周为10ms，其中5ms发射红光，另外5ms发射红外光)，红光和红外光分时透过被测人手指经指夹式光电传感器中的光电转换器将红光和红外光强度信号转换成电脉冲信号；光强信号采集器(本实施例采用压控振荡器)，将由光电信号传感器输出的频率与光强成正比的电脉冲信号转换成光强数字信号输出给血氧信号处理器的光强信号预处理器。

如图2所示，血氧信号处理器对血氧饱和度传感器输出的信号进行预处理，经交直流分离、快速傅里叶变换、去噪声及快速傅里叶反变换后，分成两路独立的通道，分别计算出时域信号和频域信号的血氧饱和度和脉率值，经评估后将计算结果选择输出给显示器，具体包括：

光强信号预处理器，由截止频率为17Hz的Butterworth数字低通滤波器和50Hz数字陷波滤波器组成，用于滤除血氧饱和度传感器输出的红光和红外光光强信号中的高频干扰和工频干扰，为交直流成份分离器正确提取脉搏波做准备；

交直流成份分离器，由截止频率为0.2Hz高阶低通滤波器提取出直流成分，原始光强信号减去该直流成分得到光强交流信号。交直流成份分离器将接收的光强信号预处理器输出的信号中分离出红光和红外光强度的直流成分和交流成分，形成红光交流、红光直流、红外光交流、红外光直流四个信号队列，供脉搏检测器在一定范围内扫描脉搏波、提取脉搏信号特征以及参与血氧饱和度计算；

快速傅里叶变换器，用于将红光和红外光交流信号变换成频域的频谱密度函数，得到不同频率信号成分的幅度分布；

频域窗口乘法器，用于将频谱密度函数乘以一个低频段窗口(本实施例采用矩形窗口)，消除高频成分，该窗口的频率范围选定为人体脉搏的频率范围，根据当前计算的脉率自适应调整窗口的宽度。窗口宽度调整是一个负反馈过程，在程序开始运行时，窗口的宽度(通频带)设置为较高的脉率对应的宽度，这时，即使最高脉率的被测人也可以在傅里叶反变换器中得到一定的幅度的输出，并计算出脉率，在程序运行中，若傅里叶反变换器输出的交流幅度很低或检测不到脉搏幅度时，说明窗口的通频带太窄，程序将在小范围内自动增加窗口的宽度。若频域脉率较低，且窗口的通频带较宽，程序会自动将窗口宽度调窄，若频域脉率较高，且窗口的通频带较窄，程序会自动将窗口宽度调宽，以适应当前脉率。时域通道在无手臂运动时也可得到正确的脉率值，人体的脉率不会发生突变，因此调整过程总是稳定的。窗口乘法器可根据当前计算的时域和频域脉率值自动调整窗口通频带，使之适应当前的脉率范围；

快速傅里叶反变换器，用于将上述消除高频成分的频谱密度函数变换成时域脉搏基波信号，  该信号是只含有脉搏信号频率成分的正弦信号，将此信号压入红光和红外光基波交流信号队列；

此后对信号的处理分成两路独立的通道，分别计算出时域信号和频域信号的血氧饱和度和脉率值，具体如下：

脉搏检测器，分为时域脉搏检测器和基波脉搏检测器，分别用于扫描时域和频域中红光和红外光交流队列，得到脉搏幅度、间期、形态等特征，并以此为依据检测出可能的脉搏波；

上述脉搏检测器还可包括降中峡与干扰波抑制器，其分为时域降中峡与干扰波抑制器和基波降中峡与干扰波抑制器，分别按一定的规则审查时域脉搏检测器和基波脉搏检测器检出的脉搏波的特征和形态，消除降中峡与干扰波，得到正确的脉搏波；

脉搏间期测量及脉率计算器，分为时域脉搏间期测量及脉率计算器和基波脉搏间期测量及脉率计算器，分别根据从降中峡与干扰波抑制器得到的正确的脉搏波计算时域和频域中红外光以采样点数为单位的脉搏间期，并据此计算时域和频域的脉率值，脉率值＝60×采样频率/脉搏间期；

脉搏幅度计算器及平均器，分为时域脉搏幅度计算器及平均器和基波脉搏幅度计算器及平均器，分别在红光和红外光交流信号队列中扫描脉搏波的波形。其中时域红光和红外光交流信号队列是在交直流分离器分离出交流信号后形成的，基波交流信号队列是在傅里叶反变换后形成的；计算时域和频域中红光和红外光脉搏波的交流幅度，在红光和红外光直流信号队列中得到红光和红外光直流幅度，计算各幅度的平均值，为计算血氧饱和度做准备，上述红光和红外光直流信号队列是在交直流分离器分离出直流信号后形成的；

血氧饱和度计算器，分为时域血氧饱和度计算器和基波血氧饱和度计算器，根据时域和频域中红光和红外光的交流幅度和直流幅度计算时域和频域定标前的血氧饱和度值，即分别为时域和频域红光和红外光的交直流幅度的比值之比，即采用如下朗伯-比尔定律计算：

S＝(ΔR/R)/(ΔI/I)；

式中：ΔR代表红光交流信号幅度，R代表红光直流信号幅度，ΔI代表红外光交流信号幅度，I代表红外光直流信号幅度；

本实施例中，上述血氧饱和度计算器还包括血氧饱和度值定标器，其分为时域血氧饱和度值定标器和频域血氧饱和度值定标器，根据血氧信号发生器发出的标准信号将时域和频域定标前的血氧饱和度值通过拟合曲线法或查表法得到准确的定标函数；将待测信号的血氧饱和度值代入该定标函数得到定标后的血氧饱和度值；

时域血氧饱和度值定标器和频域血氧饱和度值定标器根据血氧信号发生器(为一外购设备，可产生各类人体发出的血氧信号)发出的标准信号将时域和频域定标前的血氧饱和度值(S值)通过拟合三次曲线法得到准确的定标函数f；函数f的形式是：SpO₂＝AS³+BS²+CS+D，其中A、B、C、D为待定系数，用血氧信号发生器发出四个已知血氧饱和度值的标准信号(如SpO₂分别为98，90，80，70)，用朗伯-比尔定律求出S，用行列式法解四元一次方程组求出A、B、C、D，则三次曲线方程可定；将待测信号的血氧饱和度值S代入该定标函数得到定标后的血氧饱和度值SpO₂，即血氧饱和度值SpO₂＝f(S)，这里f是一个确定的定标函数；

本实用新型还可根据血氧信号发生器发出的标准信号将时域和频域定标前的血氧饱和度值通过查表法得到准确的定标函数；

所述查表法为根据血氧信号发生器发出的标准信号的血氧饱和度值和由朗伯-比尔定律计算得到的时域和频域红光和红外光的交直流幅度的比值之比S，即S＝(ΔR/R)/(ΔI/I)建立一一对应的关系表格，该表格建立了由S值到SpO₂值的映射关系。当计算得到了时域和频域红光和红外光的交直流幅度的比值之比后，通过查该表即可得到对应的血氧饱和度值SpO₂值。

计算结果评估器，比较时域和频域的计算结果及脉搏幅度和周期的变化情况，判断出当前是否有运动干扰，决定采用哪一组输出作为最终结果输出至显示器。计算结果评估器利用时域和频域脉搏间期队列和红光及红外光的脉搏幅度队列计算两域当前脉搏间期的方差和红光与红外光脉搏幅度的方差，这些方差的大小与当前波形受到干扰的程度有关，一般情况下有运动干扰产生时时域的方差比频域的方差大很多，可明显看出当前有无干扰存在。根据两域血氧饱和度和脉率的计算结果也可判断出有无运动干扰存在。通常情况下，有运动干扰存在时，时域波形受影响很大，时域脉率将比频域脉率大很多，血氧饱和度会比频域小很多，这是由于有运动干扰产生时，干扰波和脉搏波的形态非常接近，或脉搏波叠加在干扰波上，时域脉搏检测器无法检测到真正的脉搏波或将干扰波误判为脉搏波，致使时域脉率增大，干扰波参加血氧饱和度的计算会使血氧饱和度值严重降低；但在频域中，由于消除了高频噪声的影响，使得提取出的基波信号就是脉搏信号的基波成分，信号中几乎没有运动干扰波的频率成分，因此仍能计算出准确的血氧饱和度和脉率值，即如果时域受到干扰，两域的计算结果会有明显的差别。计算结果评估器根据脉搏间期的方差、红光及红外光脉搏幅度的方差以及两域计算结果的差别可准确判断出应采用哪一组输出作为最终输出结果。

在血氧饱和度计算器后还可加入血氧饱和度及脉率值平均器，将计算得到的时域和频域的血氧饱和度值及脉率值压入平均队列进行平均处理，得到十分稳定的输出结果，之后再由计算结果评估器决定选择哪一组输出作为最终结果输出至显示器。血氧饱和度及脉率值平均器的加入可消除显示结果的抖动现象。

Claims (8)

1.一种血氧饱和度测量装置，具有血氧饱和度传感器、血氧信号处理器及显示器，其特征在于：所述血氧信号处理器对血氧饱和度传感器输出的信号进行预处理，经交直流分离、快速傅里叶变换、去噪声及快速傅里叶反变换后，分成两路独立的通道，分别计算出时域信号和频域信号的血氧饱和度和脉率值，经评估后将计算结果选择输出给显示器。

2.按权利要求1所述的血氧饱和度测量装置，其特征在于：所述血氧信号处理器包括：

光强信号预处理器，用于滤除血氧饱和度传感器输出的红光和红外光光强信号中的高频干扰和工频干扰，为交直流分离做准备；

交直流成分分离器，将接收的光强信号预处理器输出的信号中分离出红光和红外光强度的直流成分和交流成分，  形成红光交流、红光直流、红外光交流、红外光直流四个信号队列，供脉搏检测器提取脉搏信号特征、参与血氧饱和度计算；

快速傅里叶变换器，用于将红光和红外光交流信号变换成频域的频谱密度函数，得到不同频率信号成分的幅度分布；

频域窗口乘法器，用于将频谱密度函数乘以一个低频段窗口，消除高频成分；

快速傅里叶反变换器，用于将上述消除高频成分的频谱密度函数变换成时域脉搏基波信号，将此信号压入红光和红外光基波交流信号队列；

脉搏检测器，分为时域脉搏检测器和基波脉搏检测器，分别用于扫描时域和频域中红光和红外光交流队列，得到脉搏幅度、间期、形态等特征，并以此为依据检测出可能的脉搏波；

脉搏间期测量及脉率计算器，分为时域脉搏间期测量及脉率计算器和基波脉搏间期测量及脉率计算器，分别根据从降中峡与干扰波抑制器得到的正确的脉搏波计算时域和频域中红外光以采样点数为单位的脉搏间期，并据此计算时域和频域的脉率值；

脉搏幅度计算器及平均器，分为时域脉搏幅度计算器及平均器和基波脉搏幅度计算器及平均器，分别在红光和红外光交流信号队列中扫描脉搏波的波形，计算时域和频域中红光和红外光脉搏波的交流幅度，在红光和红外光直流信号队列中得到红光和红外光直流幅度；计算各幅度的平均值；

血氧饱和度计算器，分为时域血氧饱和度计算器和基波血氧饱和度计算器，根据时域和频域中红光和红外光的交流幅度和直流幅度计算时域和频域定标前的血氧饱和度值，即分别为时域和频域红光和红外光的交直流幅度的比值之比；

计算结果评估器，比较时域和频域的计算结果及脉搏幅度和周期的变化情况，判断出当前是否有运动干扰，决定采用哪一组输出作为最终结果输出至显示器。

3.按权利要求2所述的血氧饱和度测量装置，其特征在于：所述脉搏检测器还具有降中峡与干扰波抑制器，其分为时域降中峡与干扰波抑制器和基波降中峡与干扰波抑制器，分别审查时域脉搏检测器和基波脉搏检测器检出的脉搏波的特征和形态，消除降中峡与干扰波，得到正确的脉搏波。

4.按权利要求2所述的血氧饱和度测量装置，其特征在于：所述血氧饱和度计算器还具有血氧饱和度值定标器，其分为时域血氧饱和度值定标器和频域血氧饱和度值定标器，根据血氧信号发生器发出的标准信号将时域和频域定标前的血氧饱和度值通过拟合曲线法或查表法得到准确的定标函数；将待测信号的血氧饱和度值代入该定标函数得到定标后的血氧饱和度值。

5.按权利要求4所述的血氧饱和度测量装置，其特征在于：所述定标曲线为三次曲线。

6.按权利要求4所述的血氧饱和度测量装置，其特征在于：所述查表法为根据血氧信号发生器发出的标准信号的血氧饱和度值和由朗伯-比尔定律计算得到的时域和频域红光和红外光的交直流幅度的比值之比建立一一对应的关系表格，将在使用时计算得到的时域和频域红光和红外光的交直流幅度的比值之比通过查该表即可得到对应的血氧饱和度值值。

7.按权利要求1所述的血氧饱和度测量装置，其特征在于：所述血氧信号处理器还包括血氧饱和度及脉率值平均器，将计算得到的时域和频域的血氧饱和度值及脉率值压入平均队列进行平均处理，得到稳定的输出结果。

8.按权利要求1所述的血氧饱和度测量装置，其特征在于：所述血氧饱和度传感器包括：

光电信号传感器，分时将红光和红外光强度信号转换成电脉冲信号；

光强信号采集器，将频率与光强成正比的电脉冲信号转换成光强数字信号输出给血氧信号处理器的光强信号预处理器。

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