基于LMS自适应滤波算法的血氧饱和度检测20110329 - 图文 (3)

第1章 前 言

本课题系科技部国际科技合作项目①子课题。根据项目内容要求实现信号检测和预处理的生理指标检测仪的设计和开发，实现动态检测，使系统承载对象（人）在运动过程中的生理反应可作为反馈量对机器人运动及虚拟环境的情景变化进行调节控制。设计出血氧饱和度检测方法应适应本课题研究需要，并能够推广到医疗领域使用。

1.3研究目的和意义

动脉血氧饱和度作为表征人体呼吸循环系统是否存在病理性障碍的重要生化参数，对提早发现、及时诊治呼吸循环系统疾病具有重要意义。无论是在疾病的日常预防保健中，还是在紧急救护、大型手术过程中，都发挥着重要的作用。

目前，人体动脉血氧饱和度测量有两种测量方法，即有创测量和无创测量。有创测量方法主要有两种，即Van Slyke检压法和氧电极法。Van Slyke检压法是将溶解在血液中的氧通过真空抽取的方法变为气体氧，然后将这些气体氧输入到容积固定的容器中，通过检测容器内气压变化，算出含氧量[12]。氧电极法是将氧合血红蛋白中的结合氧通过一氧化碳或者铁氰化钾等解离试剂溶液的作用变为解离氧，然后测定其氧分压，进而测出血液中的氧含量[12]。上述血氧饱和度有创测量方法均需要通过穿刺等手段采集人体血液，并使用血气分析仪对采集到的血液进行物理或化学分析，计算得出血氧饱和度值。血氧饱和度有创测量方法检测结果较为精确，应用于对检测数据要求较为严格的场合，如深低温停循环、产程中胎儿监护等[13]。但是有创测量需要动脉插管或者穿刺，操作不当还会引发测试部位感染，对患者造成附加的痛苦；并且分析过程复杂，周期较长，检测结果缺乏时效性和连续性[13]；此外，电化学分析仪器体积庞大、价格昂贵，不适合小型医疗机构的一般性检测需要和低成本运营。因此需要一种能够避免对患者造成检测痛苦，实现连续实时检测，仪器成本低廉的动脉血氧饱和度检测仪器。

由于氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白在近红外光区具有独特的吸收光谱[14]，因此可利用光电技术对动脉血液中氧合血红蛋白含量进行无创测量，其测量方法分为透射式和反射式。在这两种方法中，光与人体测试部位的作用机理相似，均具有连续、及时、安全等特点，但光传播路径不同，反射光强一般比指端透射光强小，信噪比较低[15]。因此，

①科技部国际合作司国际合作项目——中国与俄罗斯政府间合作项目“载人六自由度并联机器人与虚拟环境的智能交互控制研究” (2008DFR10530)。

3

河北大学工学硕士学位论文

本课题研究使用基于近红外吸收光谱的透射式检测方法作为本血氧饱和度无创检测方法的首选方案，力图实现人体动脉血氧饱和度的无创、实时、连续检测。

1.4 发展历程及国内外研究现状

脉搏血氧饱和度无创监测技术研究起源于20世纪初期，1941年美国生理学家Glen A. Millikan将光电检测技术运用于氧合血红蛋白的检测，研制出可以连续测量动脉血氧饱和度的光电测量仪器，但是测试探头需要穿透血管[16]。在50年代Earl H. Wood研究出一种无创血氧饱和度检测仪器，在测试仪探头部分加设一个气囊，通过对气囊的充放气来反复挤压耳垂，进而分别测量出耳垂在加压缺血和正常情况下的两个传导光线强度，通过计算两者的比值就得到了血液的光密度，再利用动脉搏动振幅测得血氧饱和度

[16]

。但是这种设备使用程序繁琐，每次测量前均需进行调整，且对光源稳定性要求极高，

因此没有得到推广。1964年Robert F. Shaw研制出一种八波长自身调整血氧饱和度测试仪，通过分别测量8个波长的光在耳部的透光率来计算动脉血氧饱和度，这个血氧测试仪也成为第一个在临床中得到应用的血氧饱和度检测仪器 [17]。但是，这种血氧饱和度检测仪体积笨重，测试探头结构复杂，不便于长时间检测使用。1974年日本青柳卓雄等人利用红光和红外光作为测试探头光源，通过测量红光和红外光在动脉血管的透射率来计算得出动脉血氧饱和度，并且这种仪器使用发光二极管作为探头光源，简化了探头结构[17]。同年世界上第一台无创脉搏血氧饱和度检测仪OLV5100问世[11]。20世纪80年代以来，无创脉搏血氧饱和度检测技术不断改进和发展，主要是采用红光和红外光作为测试光源，通过测量红光红外光经过测试部位后的光强变化，来计算得出动脉血氧饱和度[17]。

目前，国外著名的血氧产品制造公司有美国的CSI公司、荷兰的Philips公司、美国的Masimo公司和爱尔兰的Nellcor公司等。Nellcor公司一直致力于血氧探头的研究和发展。 例如MAX-FAST前额粘贴式传感器探头，其被安排放置在测试人体眉毛上方，由于前额部位不易受血管收缩的影响，因此降低了弱灌注（动脉血液灌注量减少）对动脉血氧饱和度检测的干扰[18]。Masimo公司的信息萃取技术在一定程度上解决了运动噪声、弱灌注、低信噪比的问题，大大的拓宽了血氧仪的应用范围[13]，此外在探测光源的选择，探头结构的设计和安装等方面，Masimo公司也进行了深入的研究和改进，有效

4

第1章 前 言

的提高了血氧饱和度测量的准确性[18]。PhiliPs公司研制出的指套式探头技术居于世界领先地位。但是由于各国的技术保护和贸易壁垒，进口无创血氧饱和度检测仪价格昂贵，远远超出了我国小型社区医疗机构的承受限度。

国内市场也有很多科研单位和厂家从事血氧仪的研究，如北京惠普公司的血氧饱和度探测接头，北京奥博有限公司的反射式血氧饱和度检测仪，西安篮港股份有限公司的手指血氧仪，华中理工大学的脉搏血氧饱和度监护仪，中航总公司第一研究院的脉率血氧饱和度监护仪等[8]。由于在临床应用中，血氧饱和度检测仪会受到各种干扰噪声的影响，特别是运动状态下，静脉血的充盈所引起的运动伪迹干扰信号，不利于有用信号的提取，降低了检测结果的准确度，严重时甚至导致仪器无法使用，因此，消除运动伪迹干扰、提高信号精确度是动脉血氧饱和度无创检测系统设计中需要重点解决的问题之一。

1.5 本论文研究内容

本课题系科技部国际科技合作项目 “载人六自由度并联机器人与虚拟环境的智能交互控制研究” (2008DFR10530)子课题。根据项目内容要求实现信号检测和预处理的生理指标检测仪的设计和开发，实现动态检测，使系统承载对象（人）在运动过程中的生理反应可作为反馈量对机器人运动及虚拟环境的情景变化进行调节控制。设计出的人体动脉血氧饱和度无创检测仪应适合课题和医疗需要，降低生产成本，提高指标精度。作者在参考相关文献的基础上，自行设计出了一种可以抑制运动伪迹噪声的人体动脉血氧饱和度无创检测方法。

本论文的主要研究内容有以下几个方面：

第一，研究人体脉搏波的特征和光电容积脉搏波描记法，阐述动脉血氧饱和度无创检测的基本理论方法。

第二，为证实依据光电容脉搏波描记法实现动脉血氧饱和度无创检测的可行性，研究人体动脉血液吸光物质成分，及其近红外吸收光谱。发现在人体动脉血液中，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白是对700nm-900nm近红外光线的主要吸光物质，且其含量随脉搏波动而变化。

第三，为实现血氧饱和度的理论计算，并降低人体散射作用对测试的影响，研究朗

5

河北大学工学硕士学位论文

伯-比尔定律、修正朗伯-比尔方程及其使用条件。将修正方程中的光子传播平均路径长度和常数损耗因子引入到血氧饱和度检测公式的推导过程，避免对血氧饱和度检测光路径长度的后期校正。选择了对人体散射作用较小的730nm和940nm近红外发光二极管作为检测仪测试光源。

第四，根据光电容积脉搏波的频谱特点和血氧饱和度计算公式，设计人体动脉血氧饱和度无创检测电路，提取出血氧交流信号和直流信号，抑制杂散光、工频等干扰信号。并对信号进行预处理，使其便于A/D采集和数字信号处理。

第五，为能够实现运动状态下的血氧饱和度准确检测，消除具有不可预知性的运动伪迹信号干扰，研究自适应滤波器噪声抵消的原理及其运用。并且为简化电路设计结构，利用输入延时信号作为滤波器输入参考噪声信号，基于自适应滤波器的相关抵消作用，抑制运动伪迹干扰信号，

6

第2章 人体动脉血氧饱和度测量原理

第2章 人体动脉血氧饱和度测量原理

血氧饱和度是反映人体生理状况的重要指标。以朗伯-比尔定律为理论依据，根据氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的近红外光吸收光谱，以及动脉血液对光吸收量随人体脉搏波动而变化的特点，可设计出光透射式血氧饱和度无创检测方法，推导出其计算公式。

2.1 光电容积脉搏波及其特征

2.1.1 光电容积脉搏波描记法

脉搏即动脉搏动。由于心脏周期性的舒张和收缩，动脉内压随之出现升降变化，并以波动的形式沿着管壁，从主动脉向各分支动脉、微动脉末梢迅速传播，又因为动脉管壁中含有丰富的弹性纤维，其具有一定的扩张性和弹性，所以动脉管壁也会出现相应的扩张和收缩，形成脉搏[20]。因此脉搏波并非血液流动产生的，它的传播过程是一种传递能量的过程，其传播速度远远大于血流速度，心脏收缩舒张一次，动脉内压和血流量也随之改变一次，产生一个周期的脉搏波[21]。

当用一束单色光照射测试部位时，一部分入射光线被测试部位动脉血液、静脉血液、肌肉和骨骼等人体组织吸收，出射光强度降低。其中，由于动脉血液容积随血管周期性搏动，因此动脉血液对光的吸收量呈脉动变化，透射光中所含的动脉血信息为周期性变化的交流分量（IAC）；而入射光被测试部位中的静脉血、肌肉、骨骼等人体组织成分吸

[23]收的能量是恒定不变的，因此透射光中所含的非动脉血信息为恒定的直流分量（IDC）。

依据动脉血液吸收光谱特点和光吸收量随人体脉搏波动而变化的规律，利用光电技术手段对血液容积变化进行无创检测，称为光电容脉搏波描记法（PhotoPlethysmoGraphy, PPG）[22]。本文所论述的无创动脉血氧饱和度检测方法就是根据光电容积脉搏波描记法设计的。

如图2-1所示，若单色光束入射光强恒定，透射光强随脉搏波动而变化[24]。当心脏舒张时，动脉血管充盈度为最低状态，入射光没有受到脉动动脉血液的作用，光吸收量最小，出射光强最大（即IDC）。当心脏收缩时，动脉血管充盈度为最高状态，测试光源的入射光受脉动动脉血液影响最大，入射光吸收量最高，因此出射光强最小（即IDC-IAC）。

7

搜索“diyifanwen.net”或“第一范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，第一范文网，提供最新初中教育基于LMS自适应滤波算法的血氧饱和度检测20110329 - 图文 (3)全文阅读和word下载服务。