脉搏血氧饱和度监测中运动干扰消除算法

谢彦文



脉搏血氧饱和度监测中运动干扰消除算法

谢彦文

肖克利信息科技股份有限公司，上海 200442

在脉搏血氧饱和度测量的时候，经常使用的是光电容积脉搏波（PPG）测量方法，然而在动态环境中，监测血氧饱和度会受到严重的运动干扰的影响，在这种影响的情况中，PPG信号就会很容易受到外界的影响产生运动伪迹，比如说被测者身体移动，这些运动伪迹是无规律的，它们会直接影响血氧饱和度测量的稳定性和准确性，为了改善这一状况必须采取一定有效的运动干扰消除算法，从而保证测量值的准确性和稳定性。

脉搏；血氧饱和度；监测；运动干扰；消除算法

在测量脉搏血氧饱和度的时候，经常使用的标准设备是脉搏血氧饱和计。它在临床和手术中占据着重要的位置，这种设备它主要运用的就是光电容积脉搏波（PPG），通过它来测量、计算，然后得出血氧饱和度和灌注指数等信息。脉搏血氧饱和计在测量的过程中，PPG信号会很容易受到运动的干扰影响，因此通常它使用的前提条件就是在病人处于静止的情况，只有这样才能得出准确、可靠的测量结果。在测量的过程中所受到的运动干扰的频率谱与正常的频谱部分是重叠的，因此，运用传统的滤波器等信号处理方法都很难将运动干扰彻底地消除掉。面对这种情况，可以使用 PPG 信号的包络线信息，提取所得到的PPG信号中的交流分量，在此基础上分析其中两种光色之间的关系，并设定出与干扰信号相关的信号作为一种计算结果的参考信号，最后在自适应滤波的辅助下消除干扰影响，这种方法克服了传统信号处理器的弊端，能够有效地抑制运动的干扰，得到准确的结果。

1 PPG信号分析

在测量脉搏血氧饱和度的时候往往会受到多种因素的干扰，比如电气干扰、运动干扰、环境光干扰，这些干扰都会直接影响测量的结果，在动态环境中对脉搏血氧饱和度的影响主要是运动干扰，它可以直接影响监测结果的准确性，也是影响因素中最重要的因素，因此消除运动干扰是测量脉搏血氧饱和度中最重要的任务[1]。

PPG信号对于脉搏血氧饱和度的测量有重要的影响，它包含着交流分量、直流分量，而且在测量的时候往往会受到干扰：

如公式（1）所示，其中在采集PPG信号中会包含干扰信号N，以及目标信号S，而其中的ac以及dc则是指PPG信号中的交流成分、和直流成分。

公式中的Sac以及Sdc是两个重要的参数，即用来计算血氧饱和度的参数，且二者之间存在着一定的关系，，其中二者相比得出的值r为红光或者是红外光的光强比值，然后在此基础上，结合朗伯比尔定律会得出第二个公式：

这个公式中的R是光密度比值比，它对应的是相应的血氧饱和度[2]。

在PPG信号中，信号Ndc以及Nac，它们主要是由于运动干扰引起的附在PPG信号上交流、直流分量上的干扰信号，主要存在的公式为：

干扰信号Nac是附在PPG信号的交流分量上的，从本质上来说这种干扰是一种高频感干扰，主要是由于这种干扰的频带范围中含有一些与目标信号重叠的干扰，甚至还有一些更高频率的干扰，而且在这些具有高频率的干扰因素中，还存在与目标PPG信号频带重叠的现象，它们的产生主要是因为运动干扰，而且由于运动干扰所形成的这种重叠很难被消除；此外附于PPG信号直流分量上的Ndc干扰信号则是一种较低频率的干扰，这种频率不高的干扰的形态呈现一种低频漂移的状态，而且这种干扰比较容易清除，只需要用频率滤波的方法就可以很容易地将其消除。

2 运动干扰的引入

在动态监测脉搏血氧饱和度的时候，人体运动会给其带来很大的影响，从而引入一些运动干扰，探头、受测部位之间的运动以及静脉博运动是引起这种干扰的主要原因，从根本上来说，入射光光程的改变是引起这两种引入干扰的途径的根本原因。

首先，最重要的就是探头与受测部位之间常常会发生相对运动，它们之间的相对运动就会给组织中血管的分布带来很大的影响，还会改变组织、探头间的距离，这样一来就会直接改变光经人体组织后到传感器之间的距离，继而呈现出一种运动干扰。这种干扰由此可见就是由于传感器的耦合而造成的，而且其强度也会发生变化。这种干扰给血氧饱和度的监测结果带来了双向的影响，因此这种值也是不稳定的，或高或低[3]。

此外，在人体运动的时候，静脉血液会逐渐变得充盈，血液的充盈会增大压力，从而带来运动干扰，静脉的搏动与压力虽然比动脉要弱很多，但是一旦人体发生了强烈的运行，就会造成血液充盈的情况，血压就会升高，从而搏动的频率就会加快，这就给监测带来了干扰。它的主要影响就是动脉与静脉混合血氧饱和度，通过计算得到的饱和度会偏低。

3 运动干扰自适应对消算法

自适应滤波的原理就是运动干扰自适应对消算法使用的前提，它主要是对两路色光PPG信号的采集和获取，然后在此基础上寻找合适的参考信号，利用其来滤波运动干扰信号，从而从根本上消除运动干扰对结果准确性的影响[4]。

（1）自适应对消算法原理

两种光源产生的交流以及直流比值之间的关系，对于计算血氧饱和度很重要，通常在动态的环境中对血氧饱和度进行测量，往往会受到很强的运动干扰，因此为了得到比较准确的数值，就必须处理运动干扰，处理相应的干扰信号，从而去除干扰对监测结果的影响。与PPG信号频率相互重叠的运动干扰频带范围，它所产生的主要影响就在于交流信号的变异上，想要消除这种影响和干扰，可以采用最小均方LMS法，从而自适应消噪PPG交流分量中的干扰。

在消噪之后，结果中的误差会在最小均方误差的意义中抵消运动干扰，从而得到的值就会更加准确，更加接近真实的信号，即目标信号。与此同时，还要处理相应的红光以及红外光的PPG交流信号，从而将混杂在其中的运动干扰的影响进行消除，并将二者带入相应的计算公式中进行运算，从而得到较为准确的计算结果。

（2）参考信号的获取

人体的血氧饱和度处于一种比较恒定的状态是使用自适应消噪法的前提与假设。

合适的参考信号在使用LMS自适应消噪法有着重要的作用，只有拥有合适的参考信号才能帮助其处理干扰的PPG信号。当所采集的PPG信号没有受到运动干扰的影响的时候，那么在PPG信号的交流信号中就只有Sac目标信号，而且会得到两种色光之间的交流分量的差：

4 结语

脉搏血氧饱和度的计算受到运动干扰的影响很大，会直接影响计算结果的准确度与精确性，因此为了消除运动干扰的影响就必须采取具有针对性的解决办法，从而消除干扰，得出准确的计算结果。

[1]龚渝顺.穿戴式抗运动干扰血氧饱和度监测技术研究[D].重庆：第三军医大学，2012.

[2]吴宝明，龚渝顺.用于消除血氧饱和度监测干扰的方法：CN 102499694 A[P].2012.

TP274；R197.39

A

1009-6434（2016）02-0061-02