專利名稱：一種血氧飽和度測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種醫用人體生理參數測量裝置，具體地說是一種血 氧飽和度測量裝置。
技術背景血氧飽和度是血液中被氧結合的氧合血紅蛋白(Hb02)的容量占全部可 結合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的濃度，它是呼吸循環的 重要生理參數。目前，血氧飽和度測量裝置已在手術室、監護室、急救病 房、患者的術后恢復和呼吸睡眠以及社區醫療監護等方面得到廣泛的應用。 臨床應用資料表明，及時監測血氧飽和(Sp02)度和/或亞飽和度狀態，盡 早發現低氧血癥，足以提高麻醉和危重病人的安全性，盡早發現Sp02下降， 可有效預防或減少圍術期和急癥期的意外死亡。現有的血氧飽和度測量裝置一般都采用紅外光譜光電法，根據血紅蛋 白(Hb)具有光吸收的特性設計而成。具體內容是通過軟件系統掃描AD 轉換器釆集到的紅光和紅外光強度信號，分別取得兩路信號的直流偏置電 壓和脈搏信號的交流幅度電壓，根據朗伯-比爾定律的時域測量方法算出紅 光信號的交流幅度與直流幅度之比和紅外光信號交流幅度與直流幅度之比 再計算出這兩者的比值，該比值與血氧飽和度值有相關性，然后通過查表 法定出血氧飽和度值，再根據脈搏波的脈搏間期即可計算出當前的脈率值。當患者脈搏搏動比較弱(弱灌注)或患者手臂產生運動時，這種時域 測量方法的波形信號會有很大的改變，脈搏波被淹沒于噪聲中，軟件系統 無法識別出真正的脈搏波與噪聲的差別，致使計算得到的血氧飽和度值和 脈率值都產生嚴重的誤差，使血氧飽和度測量裝置顯示值有很大的波動， 甚至根本顯示不出當前的血氧值和脈率值。實用新型內容針對現有技術中血氧飽和度測量裝置在弱灌注和運動千擾條件下存在 嚴重的誤差的問題，本實用新型要解決的技術問題是提供一種具有很強的 抗弱灌注和抗運動性能的血氧飽和度測量裝置。為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案是具有血氧飽和度傳感器、血氧信號處理器及顯示器，所述血氧信號處 理器對血氧飽和度傳感器輸出的信號進行預處理，經交直流分離、快速傅 里葉變換、去噪聲及快速傅里葉反變換后，分成兩路獨立的通道，分別計 算出時域信號和頻域信號的血氧飽和度和脈率值，經評估后將計算結果選 擇輸出給顯示器。所述血氧信號處理器包括光強信號預處理器，用于濾除血氧飽和度傳感器輸出的紅光和紅外光 光強信號中的高頻干擾和工頻干擾，為交直流分離做準備；交直流成分分離器，將接收的光強信號預處理器輸出的信號中分離出 紅光和紅外光強度的直流成分和交流成分，形成紅光交流、紅光直流、紅 外光交流、紅外光直流四個信號隊列，供脈搏檢測器提取脈搏信號特征、參與血氧飽和度計算；快速傅里葉變換器，用于將紅光和紅外光交流信號變換成頻域的頻譜密度函數，得到不同頻率信號成分的幅度分布；頻域窗口乘法器，用于將頻譜密度函數乘以一個低頻段窗口，消除高 頻成分；快速傅里葉反變換器，用于將上述消除高頻成分的頻譜密度函數變換 成時域脈搏基波信號，將此信號壓入紅光和紅外光基波交流信號隊列；脈搏檢測器，分為時域脈搏檢測器和基波脈搏檢測器，分別用于掃描 時域和頻域中紅光和紅外光交流隊列，得到脈搏幅度、間期、形態等特征，并 以此為依據檢測出可能的脈搏波；脈搏間期測量及脈率計算器，分為時域脈搏間期測量及脈率計算器和 基波脈搏間期測量及脈率計算器，分別根據從降中峽與干擾波抑制器得到 的正確的脈搏波計算時域和頻域中紅外光以采樣點數為單位的脈搏間期, 并據此計算時域和頻域的脈率值；脈搏幅度計算器及平均器，分為時域脈搏幅度計算器及平均器和基波 脈搏幅度計算器及平均器，分別在紅光和紅外光交流信號隊列中掃描脈搏 波的波形，計算時域和頻域中紅光和紅外光脈搏波的交流幅度，在紅光和 紅外光直流信號隊列中得到紅光和紅外光直流幅度；計算各幅度的平均值;血氧飽和度計算器，分為時域血氧飽和度計算器和基波血氧飽和度計 算器，根據時域和頻域中紅光和紅外光的交流幅度和直流幅度計算時域和 頻域定標前的血氧飽和度值，即分別為時域和頻域紅光和紅外光的交直流 幅度的比值之比；計算結果評估器，比較時域和頻域的計算結果及脈搏幅度和周期的變 化情況，判斷出當前是否有運動干擾，決定釆用哪一組輸出作為最終結果 輸出至顯示器。所述脈搏檢測器還具有降中峽與干擾波抑制器，其分為時域降中峽與 干擾波抑制器和基波降中峽與干擾波抑制器，分別審查時域脈搏檢測器和 基波脈搏檢測器檢出的脈搏波的特征和形態，消除降中峽與干擾波，得到 正確的脈搏波；所述血氧飽和度計算器還具有血氧飽和度值定標器，其分為時域血氧 飽和度值定標器和頻域血氧飽和度值定標器，根據血氧信號發生器發出的 標準信號將時域和頻域定標前的血氧飽和度值通過擬合曲線法或查表法得 到準確的定標函數；將待測信號的血氧飽和度值代入該定標函數得到定標5后的血氧飽和度值；所述定標曲線為三次曲線。所述查表法為根據血氧信號發生器發出的標準信號的血氧飽和度值和 由朗伯_比爾定律計算得到的時域和頻域紅光和紅外光的交直流幅度的比 值之比建立一一對應的關系表格，將在使用時計算得到的時域和頻域紅光 和紅外光的交直流幅度的比值之比通過查該表即可得到對應的血氧飽和度 值值。所述血氧信號處理器還包括血氧飽和度及脈率值平均器，將計算得到 的時域和頻域的血氧飽和度值及脈率值壓入平均隊列進行平均處理，得到 穩定的輸出結果。光電信號傳感器，分時將紅光和紅外光強度信號轉換成電脈沖信號； 光強信號釆集器，將頻率與光強成正比的電脈沖信號轉換成光強數字 信號輸出給血氧信號處理器的光強信號預處理器。 本實用新型具有以下有益效果及優點1. 測量結果準確性高。本實用新型對血氧飽和度傳感器輸出的紅光和 紅外光信號在原有時域變換的基礎上增加了頻域變換，經過頻域變換后,計 算得到的血氧飽和度值和脈率值穩定可靠,讀數準確，在運動狀態和弱灌注 狀態下都能得到很好的輸出結果；實踐證明，當被測人的脈搏比較微弱或 手臂運動而使時域信號受到嚴重的干擾，通過頻域分析得到的脈搏基波信 號仍可以準確地計算出血氧飽和度和脈率值，且計算結果在一定時限內保 持穩定，對血氧和脈率的變化響應快，有效地提高了測量結果的準確性；2. 應用范圍廣。本實用新型具有時域和頻域兩個分析計算通道，擴展 了血氧儀的應用范圍，且非常適用于由單片機組成的嵌入式系統中；又由 于本實用新型有效地提高了在弱灌注和運動狀態下血氧飽和度和脈率測量 的準確性和穩定性，使血氧飽和度測量裝置可應用于更多類型的患者；3. 本實用新型可方便地應用于便攜式多參數監護儀中。
圖l為應用本實用新型的多參數監護儀結構圖；圖2為本實用新型結構圖。
具體實施方式
如圖l所示，本實用新型血氧飽和度測量裝置應用于多參數監護儀中， 具有血氧飽和度傳感器、血氧信號處理器及顯示器，其中血氧飽和度傳感 器包括光電信號傳感器和光強信號釆集器，光電信號傳感器釆用指夾式夾 于被測人的手指上，在開關電路的控制下，指夾式光電傳感器中的紅光發光二極管(紅LED)及紅外發光二極管(紅外LED)分時切換發射紅光和 紅外光(本實施例中釆樣周為10ms，其中5ms發射紅光，另外5ms發射紅 外光)，紅光和紅外光分時透過被測人手指經指夾式光電傳感器中的光電轉 換器將紅光和紅外光強度信號轉換成電脈沖信號；光強信號釆集器(本實 施例釆用壓控振蕩器)，將由光電信號傳感器輸出的頻率與光強成正比的電脈沖信號轉換成光強數字信號輸出給血氧信號處理器的光強信號預處理 器。如圖2所示，血氧信號處理器對血氧飽和度傳感器輸出的信號進行預 處理，經交直流分離、快速傅里葉變換、去噪聲及快速傅里葉反變換后， 分成兩路獨立的通道，分別計算出時域信號和頻域信號的血氧飽和度和脈 率值，經評估后將計算結果選擇輸出給顯示器，具體包括光強信號預處理器，由截止頻率為17Hz的Butterworth數字低通濾波 器和50Hz數字陷波濾波器組成，用于濾除血氧飽和度傳感器輸出的紅光和 紅外光光強信號中的高頻干擾和工頻干擾，為交直流成份分離器正確提取 脈搏波做準備；交直流成份分離器，由截止頻率為0.2Hz高階低通濾波器提取出直流 成分，原始光強信號減去該直流成分得到光強交流信號。交直流成份分離 器將接收的光強信號預處理器輸出的信號中分離出紅光和紅外光強度的直 流成分和交流成分，形成紅光交流、紅光直流、紅外光交流、紅外光直流 四個信號隊列，供脈搏檢測器在一定范圍內掃描脈搏波、提取脈搏信號特 征以及參與血氧飽和度計算；快速傅里葉變換器，用于將紅光和紅外光交流信號變換成頻域的頻譜 密度函數，得到不同頻率信號成分的幅度分布；頻域窗口乘法器，用于將頻譜密度函數乘以一個低頻段窗口 (本實施 例采用矩形窗口)，消除高頻成分，該窗口的頻率范圍選定為人體脈搏的頻 率范圍，根據當前計算的脈率自適應調整窗口的寬度。窗口寬度調整是一 個負反饋過程，在程序開始運行時，窗口的寬度(通頻帶)設置為較高的脈 率對應的寬度，這時，即使最高脈率的被測人也可以在傅里葉反變換器中 得到一定的幅度的輸出，并計算出脈率，在程序運行中，若傅里葉反變換 器輸出的交流幅度很低或檢測不到脈搏幅度時，說明窗口的通頻帶太窄， 程序將在小范圍內自動增加窗口的寬度。若頻域脈率較低，且窗口的通頻 帶較寬，程序會自動將窗口寬度調窄，若頻域脈率較高，且窗口的通頻帶較 窄，程序會自動將窗口寬度調寬，以適應當前脈率。時域通道在無手臂運動 時也可得到正確的脈率值，人體的脈率不會發生突變，因此調整過程總是 穩定的。窗口乘法器可根據當前計算的時域和頻域脈率值自動調整窗口通 頻帶，使之適應當前的脈率范圍；快速傅里葉反變換器，用于將上述消除高頻成分的頻譜密度函數變換 成時域脈搏基波信號，該信號是只含有脈搏信號頻率成分的正弦信號，將 此信號壓入紅光和紅外光基波交流信號隊列；此后對信號的處理分成兩路獨立的通道，分別計算出時域信號和頻域 信號的血氧飽和度和脈率值，具體如下脈搏檢測器，分為時域脈搏檢測器和基波脈搏檢測器，分別用于掃描 時域和頻域中紅光和紅外光交流隊列，得到脈搏幅度、間期、形態等特征，并以此為依據檢測出可能的脈搏波；上述脈搏檢測器還可包括降中峽與干擾波抑制器，其分為時域降中峽 與干擾波抑制器和基波降中峽與干擾波抑制器，分別按一定的規則審查時 域脈搏檢測器和基波脈搏檢測器檢出的脈搏波的特征和形態，消除降中峽與干擾波，得到正確的脈搏波；脈搏間期測量及脈率計算器，分為時域脈搏間期測量及脈率計算器和 基波脈搏間期測量及脈率計算器，分別根據從降中峽與干擾波抑制器得到 的正確的脈搏波計算時域和頻域中紅外光以釆樣點數為單位的脈搏間期, 并據此計算時域和頻域的脈率值，脈率值=60><釆樣頻率/脈搏間期；脈搏幅度計算器及平均器，分為時域脈搏幅度計算器及平均器和基波 脈搏幅度計算器及平均器，分別在紅光和紅外光交流信號隊列中掃描脈搏 波的波形。其中時域紅光和紅外光交流信號隊列是在交直流分離器分離出 交流信號后形成的，基波交流信號隊列是在傅里葉反變換后形成的；計算 時域和頻域中紅光和紅外光脈搏波的交流幅度，在紅光和紅外光直流信號 隊列中得到紅光和紅外光直流幅度，計算各幅度的平均值，為計算血氧飽 和度做準備，上述紅光和紅外光直流信號隊列是在交直流分離器分離出直 流信號后形成的；血氧飽和度計算器，分為時域血氧飽和度計算器和基波血氧飽和度計 算器，根據時域和頻域中紅光和紅外光的交流幅度和直流幅度計算時域和 頻域定標前的血氧飽和度值，即分別為時域和頻域紅光和紅外光的交直流 幅度的比值之比，即釆用如下朗伯-比爾定律計算S= (AR/R) / (AI/I);式中AR代表紅光交流信號幅度，R代表紅光直流信號幅度，AI代 表紅外光交流信號幅度，I代表紅外光直流信號幅度；本實施例中，上述血氧飽和度計算器還包括血氧飽和度值定標器，其 分為時域血氧飽和度值定標器和頻域血氧飽和度值定標器，根據血氧信號 發生器發出的標準信號將時域和頻域定標前的血氧飽和度值通過擬合曲線 法或查表法得到準確的定標函數；將待測信號的血氧飽和度值代入該定標 函數得到定標后的血氧飽和度值；時域血氧飽和度值定標器和頻域血氧飽和度值定標器根據血氧信號發 生器(為一外購設備，可產生各類人體發出的血氧信號)發出的標準信號 將時域和頻域定標前的血氧飽和度值(S值)通過擬合三次曲線法得到準確 的定標函數f;函數f的形式是Sp02=AS3+BS2+CS+D,其中A、 B、 C、 D 為待定系數，用血氧信號發生器發出四個已知血氧飽和度值的標準信號(如 Sp02分別為98,90,80,70),用朗伯—比爾定律求出S,用行列式法解四元一 次方程組求出A、 B、 C、 D,則三次曲線方程可定；將待測信號的血氧飽和 度值S代入該定標函數得到定標后的血氧飽和度值Sp02,即血氧飽和度值 Sp02 = f(S),這里f是一個確定的定標函數；本實用新型還可根據血氧信號發生器發出的標準信號將時域和頻域定 標前的血氧飽和度值通過查表法得到準確的定標函數；所述查表法為根據血氧信號發生器發出的標準信號的血氧飽和度值和 由朗伯-比爾定律計算得到的時域和頻域紅光和紅外光的交直流幅度的比值之比S,即S= (AR/R) / (AI/I)建立一一對應的關系表格，該表格建立 了由S值到Sp02值的映射關系。當計算得到了時域和頻域紅光和紅外光的 交直流幅度的比值之比后，通過查該表即可得到對應的血氧飽和度值sPo2 值。計算結果評估器，比較時域和頻域的計算結果及脈搏幅度和周期的變 化情況，判斷出當前是否有運動干擾，決定釆用哪一組輸出作為最終結果 輸出至顯示器。計算結果評估器利用時域和頻域脈搏間期隊列和紅光及紅 外光的脈搏幅度隊列計算兩域當前脈搏間期的方差和紅光與紅外光脈搏幅 度的方差，這些方差的大小與當前波形受到干擾的程度有關， 一般情況下 有運動干擾產生時時域的方差比頻域的方差大很多，可明顯看出當前有無 干擾存在。根據兩域血氧飽和度和脈率的計算結果也可判斷出有無運動千 擾存在。通常情況下，有運動干擾存在時，時域波形受影響很大，時域脈 率將比頻域脈率大很多，血氧飽和度會比頻域小很多，這是由于有運動干 擾產生時，干擾波和脈搏波的形態非常接近，或脈搏波疊加在干擾波上， 時域脈搏檢測器無法檢測到真正的脈搏波或將干擾波誤判為脈搏波，致使 時域脈率增大，干擾波參加血氧飽和度的計算會使血氧飽和度值嚴重降低； 但在頻域中，由于消除了高頻噪聲的影響，使得提取出的基波信號就是脈 搏信號的基波成分，信號中幾乎沒有運動干擾波的頻率成分，因此仍能計 算出準確的血氧飽和度和脈率值，即如果時域受到干擾，兩域的計算結果 會有明顯的差別。計算結果評估器根據脈搏間期的方差、紅光及紅外光脈 搏幅度的方差以及兩域計算結果的差別可準確判斷出應釆用哪一組輸出作 為最終輸出結果。在血氧飽和度計算器后還可加入血氧飽和度及脈率值平均器，將計算 得到的時域和頻域的血氧飽和度值及脈率值壓入平均隊列進行平均處理， 得到十分穩定的輸出結果，之后再由計算結果評估器決定選擇哪一組輸出 作為最終結果輸出至顯示器。血氧飽和度及脈率值平均器的加入可消除顯 示結果的抖動現象。
權利要求1.一種血氧飽和度測量裝置，具有血氧飽和度傳感器、血氧信號處理器及顯示器，其特征在于所述血氧信號處理器對血氧飽和度傳感器輸出的信號進行預處理，經交直流分離、快速傅里葉變換、去噪聲及快速傅里葉反變換后，分成兩路獨立的通道，分別計算出時域信號和頻域信號的血氧飽和度和脈率值，經評估后將計算結果選擇輸出給顯示器。
2. 按權利要求1所述的血氧飽和度測量裝置，其特征在于所述血氧 信號處理器包括光強信號預處理器，用于濾除血氧飽和度傳感器輸出的紅光和紅外光 光強信號中的高頻干擾和工頻干擾，為交直流分離做準備；交直流成分分離器，將接收的光強信號預處理器輸出的信號中分離出 紅光和紅外光強度的直流成分和交流成分，形成紅光交流、紅光直流、紅外光交流、紅外光直流四個信號隊列，供脈搏檢測器提取脈搏信號特征、參 與血氧飽和度計算；快速傅里葉變換器，用于將紅光和紅外光交流信號變換成頻域的頻譜 密度函數，得到不同頻率信號成分的幅度分布；頻域窗口乘法器，用于將頻譜密度函數乘以一個低頻段窗口，消除高 頻成分；快速傅里葉反變換器，用于將上述消除高頻成分的頻譜密度函數變換 成時域脈搏基波信號，將此信號壓入紅光和紅外光基波交流信號隊列；脈搏檢測器，分為時域脈搏檢測器和基波脈搏檢測器，分別用于掃描 時域和頻域中紅光和紅外光交流隊列，得到脈搏幅度、間期、形態等特征，并 以此為依據檢測出可能的脈搏波；脈搏間期測量及脈率計算器，分為時域脈搏間期測量及脈率計算器和 基波脈搏間期測量及脈率計算器，分別根據從降中峽與干擾波抑制器得到 的正確的脈搏波計算時域和頻域中紅外光以釆樣點數為單位的脈搏間期, 并據此計算時域和頻域的脈率值；脈搏幅度計算器及平均器，分為時域脈搏幅度計算器及平均器和基波 脈搏幅度計算器及平均器，分別在紅光和紅外光交流信號隊列中掃描脈搏 波的波形，計算時域和頻域中紅光和紅外光脈搏波的交流幅度，在紅光和 紅外光直流信號隊列中得到紅光和紅外光直流幅度；計算各幅度的平均值;血氧飽和度計算器，分為時域血氧飽和度計算器和基波血氧飽和度計 算器，根據時域和頻域中紅光和紅外光的交流幅度和直流幅度計算時域和 頻域定標前的血氧飽和度值，即分別為時域和頻域紅光和紅外光的交直流 幅度的比值之比；計算結果評估器，比較時域和頻域的計算結果及脈搏幅度和周期的變化情況，判斷出當前是否有運動干擾，決定釆用哪一組輸出作為最終結果 輸出至顯示器。
3. 按權利要求2所述的血氧飽和度測量裝置，其特征在于所述脈搏檢測器還具有降中峽與干擾波抑制器，其分為時域降中峽與干擾波抑制器和 基波降中峽與干擾波抑制器，分別審查時域脈搏檢測器和基波脈搏檢測器 檢出的脈搏波的特征和形態，消除降中峽與干擾波，得到正確的脈搏波。
4. 按權利要求2所述的血氧飽和度測量裝置，其特征在于所述血氧飽 和度計算器還具有血氧飽和度值定標器，其分為時域血氧飽和度值定標器 和頻域血氧飽和度值定標器，根據血氧信號發生器發出的標準信號將時域 和頻域定標前的血氧飽和度值通過擬合曲線法或查表法得到準確的定標函 數；將待測信號的血氧飽和度值代入該定標函數得到定標后的血氧飽和度 值。
5. 按權利要求4所述的血氧飽和度測量裝置，其特征在于所述定標 曲線為三次曲線。
6. 按權利要求4所述的血氧飽和度測量裝置，其特征在于所述查表法為根據血氧信號發生器發出的標準信號的血氧飽和度值和由朗伯_比爾 定律計算得到的時域和頻域紅光和紅外光的交直流幅度的比值之比建立一一對應的關系表格，將在使用時計算得到的時域和頻域紅光和紅外光的交 直流幅度的比值之比通過查該表即可得到對應的血氧飽和度值值。
7. 按權利要求l所述的血氧飽和度測量裝置，其特征在于所述血氧 信號處理器還包括血氧飽和度及脈率值平均器，將計算得到的時域和頻域 的血氧飽和度值及脈率值壓入平均隊列進行平均處理，得到穩定的輸出結果。
8. 按權利要求1所述的血氧飽和度測量裝置，其特征在于所述血氧 飽和度傳感器包括光電信號傳感器，分時將紅光和紅外光強度信號轉換成電脈沖信號； 光強信號釆集器，將頻率與光強成正比的電脈沖信號轉換成光強數字 信號輸出給血氧信號處理器的光強信號預處理器。
專利摘要本實用新型涉及一種血氧飽和度測量裝置，具有血氧飽和度傳感器、血氧信號處理器及顯示器，所述血氧信號處理器對血氧飽和度傳感器輸出的信號進行預處理，經交直流分離、快速傅里葉變換、去噪聲及快速傅里葉反變換后，分成兩路獨立的通道，分別計算出時域信號和頻域信號的血氧飽和度和脈率值，經評估后將計算結果選擇輸出給顯示器。本實用新型對血氧飽和度傳感器輸出的紅光和紅外光信號在原有時域變換的基礎上增加了頻域變換，當被測人的脈搏比較微弱或手臂運動而使時域信號受到嚴重的干擾，通過頻域分析得到的脈搏基波信號仍可以準確地計算出血氧飽和度和脈率值，有效地提高了測量結果的準確性，可應用于更多類型的被測人。
文檔編號A61B5/024GK201104882SQ200720016448
公開日2008年8月27日 申請日期2007年12月5日 優先權日2007年12月5日
發明者盧樹起, 周肖飛, 王長津 申請人:沈陽東軟醫療系統有限公司