反射式脉搏血氧仪的问题与局限性

⃝⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICT Express 2（2016）195www.elsevier.com/locate/icte反射式脉搏血氧仪：实际问题和局限性Hooseok Lee，Hoon Ko，JinseokLee韩国元光大学医学院生物医学工程系接收日期：2016年8月14日;接收日期：2016年10月10日;接受日期：2016年10月11日2016年11月9日摘要对用于监测氧饱和度的反射式脉搏血氧仪的需求一直在不断增加，因为它可以用于不同的测量部位，如脚、前额、胸部和手腕。特别是对于手腕，脉搏血氧仪可以很容易地以表带或手表的形式获得在这项研究中，我们开发了一种反射式脉搏血氧仪，并用它来测量指尖和手腕的氧饱和度水平。我们分析了该血氧计的性能，以解决与在手腕处使用反射式血氧计用于临床目的相关的挑战和局限性c2016韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V.这是一篇开放获取的文章，CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：脉搏血氧饱和度;反射模式;手腕;可穿戴传感器1. 介绍脉搏血氧仪是一种无创的方法，通过读取外周血氧饱和度（SpO2）来准确估计血氧饱和度（SaO2）。由于SaO2和SpO2具有充分的相关性，脉搏血氧仪具有安全、方便、廉价和无创的优点，因此该方法被临床接受用于监测血氧饱和度[1，2]。脉搏血氧仪操作简单;仅使用两个不同的光源和一个光电二极管[3根据测量位置，可以使用透射或反射在透射模式下，光源和光电二极管彼此相对，测量位置在它们之间然后光线穿过场地。在反射模式下，光源和光电二极管在同一侧，光被反射到测量部位的光电二极管目前，透射模式是最常用的方法，因为它的高精度和稳定性。然而，对反射式血氧测定的需求在不断增加，因为它不需要薄的测量部位。它*通讯作者。电子邮件地址：gntjr2@naver.com（H. Lee），idayfly8710@gmail.com（H.Ko），gonasago@wku.ac.kr（J. Lee）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。本文是题为《新兴市场特别问题》的特刊的一部分。医学诊断技术由Ki H.Chon，Sangho Ha，Jinseok Lee，Yunyoung Nam，Jo Woon Chong and Marco DiRienzo.可用于脚、额、胸、腕等多种测量部位特别地，如果手腕是可用的测量部位，则脉搏血氧计可以方便地以带或手表的形式使用。据我们所知，反射式脉搏血氧仪，特别是用于监测手腕处的氧饱和度，目前尚未在临床上实践近年来，许多反射式脉搏血氧仪已经商业化，但它们仅用于个人氧饱和度监测显然，重点是开发用于医疗目的的血氧计，并且正在进行这方面的研究。此外，大多数研究论文仅讨论了脉搏血氧仪的基本原理及其在智能设备中的应用;只有少数论文讨论了与反射式脉搏血氧仪相关的挑战。在这项研究中，我们开发了一种反射式脉搏血氧仪，并解决了与其使用相关的实际问题和局限性。使用该血氧计，我们研究了红色和红外信号的交流幅度和直流偏移的结果，包括调制比，这是估计SpO2的关键因素。我们首先通过测量指尖和手腕处的氧饱和度来测试我们的设备，并分析其性能。最后，我们总结了所有问题，并讨论了将该设备用于临床目的的可行性2. 方法2.1. SpO2估计原理脉搏血氧仪基于血液的光吸收特性测量动脉血氧饱和度当它与http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2016.10.0042405-9595/c2016韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。=196H. Lee等/ ICT Express 2（2016）195-198Fig. 1. (a)随着SaO2的降低，ACR、ACIR、DCR和DCIR发生变化. (b)调制度R与血氧饱和度的经验关系.氧，脱氧血红蛋白（Hb）改变其光吸收特性。脉搏血氧仪利用血红蛋白和氧合血红蛋白（HbO2）之间的光吸收差异。HbO2比Hb吸收更多的红外光（660 nm波长）和更少的红光（940 nm波长）。在透射模式中，来自一对红色和红外发光二极管（LED）的光透射通过指尖。然后，透射光由相对侧的光电二极管接收。透射光信号由直流（DC）分量和脉动交流（AC）分量组成。脉搏血氧仪通过使用红色和红外信号的DC和AC分量计算调制比R，如下所示：RACR/DCR，（1）ACIR/ DCIR其中ACR和ACIR分别是红色和红外信号的AC幅度[6，7]。DCR和DCIR分别是红色和红外信号的DC偏移。然后，根据经验得出的校准曲线用于根据调制比R估计SaO 2，如图11所示。 1（a）. ACR和DCIR随SaO2的降低而增加，如图1（b）所示。另一方面，ACIR和DCR降低。2.2. 反射式脉搏血氧仪我们开发了一种反射式脉搏血氧仪，其中LED发射单元和光电二极管接收单元位于图二、（a）控制和数据流。（b）改进的反射式脉搏血氧仪。同一边。为了在红色和红外LED灯之间切换，将占空比设置为50%，具有切换频率500 Hz的脉冲宽度调制信号，其通过微控制器单元（MCU）产生脉冲宽度调制信号。然后，每个反射光束被转换为电信号，随后以100的增益放大。然后，由模拟开关和运算放大器组成的采样保持电路以500Hz的采样率从红色和红外LED分离每个放大信号。然后使用截止频率为10 Hz且附加增益为10的低通滤波器对每个分离的信号进行在这项研究中，我们使用MCP 6004运算放大器、TM 4C 123 GHPM MCU、NJL5310 R光电二极管、SML-LX 0805 SRC-TR红光LED、KP-2012 F3 C红外LED。图2显示了我们的设计及其在反射式脉搏血氧仪中的实现最大LED电流为20 mA，光强度设置为LED能力的最大水平。为了确定ACR、ACIR、DCR和DCIR，我们首先通过结合具有可变截止频率的滤波器组、心率的谱估计、等级顺序、以及心率的频谱估计来检测脉搏峰值。H. Lee等人/ ICT Express 2（2016）195-198197图3.第三章。指尖结果：（a）参考SpO2（%），（b）反射红外原始信号，（c）反射红色原始信号，和（d）调制比R。非线性滤波器和决策逻辑[8]。接下来，我们计算了以每个检测到的峰值为中心的1 s段信号的平均值最后，从每个平均值计算DC，并且通过从每个峰值减去DC来计算AC该方法适用于红色和红外信号，以确定ACR，ACIR，DCR和DCIR。2.3. 绩效评价我们做了两个实验：一个在指尖，另一个在手腕。在每个实验中，受试者都有规律地呼吸40秒，然后尽可能长时间地屏住呼吸。随后再给予1min使SpO2恢复正常。 将PowerLab 8/35（ADSIOURMENTS，Sydney，Australia）与血氧计pod（ADINSTRUMENTS，Sydney，Australia）配合使用，以测量参考SpO2。3. 结果和讨论3.1. 指尖的结果图3显示了指尖的结果：参考SpO2、反射红外原始信号、反射红色原始信号和调制比R。正如预期的那样，比值R随着SaO2的降低而增加。图4示出了所得到的ACIR、ACR、DCIR和DCR。当SpO2降低时，ACIR降低，见图4。 指尖结果：（a）指尖测量的参考SpO2(b)合成ACIR，（c）合成ACR，（d）合成DCIR，和（e）合成华盛顿特区ACR增加，这充分匹配图1（a）和（b）中描述的光吸收特性。另一方面，反射的直流分量部分地反映了这些特性。随着SaO2的降低，DCIR增加，DCR降低.然而，在结果中，只有DCIR遵循这种模式。事实上，DCR显示出增长。这种行为可以归因于反射模式对压力和环境光源更敏感的事实，这导致DC不稳定性。3.2. 手腕的结果图5显示了手腕的结果：参考SpO2、调制比R、ACIR、ACR、DCIR和DCR。 随着SpO2的降低，调制比R增加.然而，调制比R不如指尖的稳定。更具体地说，随着SpO2降低，ACIR198H. Lee等/ ICT Express 2（2016）195指尖。类似地，反射的DC分量没有很好地反映特性。这种变化可能是因为反射模式具有低信噪比（SNR）并且对压力和环境光源敏感。3.3. 讨论根据血氧计的性能，使用反射模式监测手腕处的SpO2在临床使用方面存在挑战。另一个限制是反射的红色和红外脉冲只能用于特定区域，例如桡动脉;因此，手腕的大多数区域都不能用于监测。此外，测量部位的轻微位置变化会显著影响血氧计的性能。因此，涉及血氧测定的研究重点应该是选择适当的测量部位，并优化压力，环境光和SNR。确认这项研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的基础科学研究计划的支持，该计划由科学部资助，ICT未来规划：NRF-2015 M3 A9 D 7067215。引用图五.腕关节的结果：（a）参考SpO2，（b）调制比R，（c）合成ACIR，（d）合成ACR，（e）合成DCIR和（f）合成DCR。不反映光吸收特性。此外，ACR的变化不如观察到的[1] K.K. Tremper，脉搏血氧仪，Chest J. 95（4）（1989）713[2] T. Aoyagi，脉搏血氧饱和度：其发明，理论和未来，J. Anesth。17（4）（2003）259-266。[3] J.E. Sinex ，脉搏血氧仪：原理和局限性，Amer. J. 紧急情况17（1）（1999）59-66。[4] T. Aoyagi，M. N.J.，N. Kobayashi，K. Machida，K. Miyasaka，多波长脉搏血氧仪：未来理论，Anesth。模拟105(6)（2007）S53-S58。[5] R. 作者：J. Elterman，A. Woo，脉搏血氧仪，N。Engl. J.364（16）（2011）e33。[6] Y. 脉搏血氧饱和度：无创性的理论和应用监测，临床化学38（9）（1992）1601-1607。[7] 朗格Ferrell，P. Crilly，S. Smith，A. L. Winenberg，C. L. Britton Jr，G.W. Morrison ， M. Ericson ， D. Hedden ， D.W. Bouldin ， A.Passian，医学光学传感器，在：BiOS'98国际生物医学光学研讨会上，国际光学与光子学学会，1998年，pp. 193-198.[8] M. Aboy，J. McNames，T.Thong，D.M.S.海啸埃伦比湾Goldstein，一种用于压力信号的自动节拍检测算法，IEEE Trans. BioMed. Eng.52（10）（2005）1662