一種提高血氧測(cè)量精度的算法

一種提高血氧測(cè)量精度的算法提高測(cè)量精度的血氧飽和度生理模型透射式脈搏波血氧飽和度檢測(cè)的傳統(tǒng)模型是基于以下兩個(gè)假設(shè)的：假設(shè)一：動(dòng)脈血中血紅蛋白以兩種形式即氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白存在。而實(shí)際上，在建模過程中，忽略了碳氧血紅蛋白和高鐵血紅蛋白的影響，這使得測(cè)量所得的血氧飽和度高于血?dú)夥治鰞x測(cè)得的，特別是碳氧血紅蛋白和高鐵血紅蛋白含量越高時(shí)，誤差越大。因此為了更準(zhǔn)確的測(cè)量血氧飽和度的值，我們需要在原有基礎(chǔ)上對(duì)吸光模型進(jìn)行改進(jìn)，盡可能減少這些影響因素帶來的誤差。假設(shè)二：在線性測(cè)量方法推導(dǎo)過程中，當(dāng)吸光系數(shù)選為氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白吸光系數(shù)曲線交點(diǎn)附近時(shí)，近似認(rèn)為兩者的吸光系數(shù)相等。此時(shí)，線性方法顯然無法更準(zhǔn)確的測(cè)量血氧飽和度值。因此要用改進(jìn)的非線性測(cè)量方法解決這一非線性問題，以便更準(zhǔn)確地測(cè)量血氧飽和度。當(dāng)動(dòng)脈搏動(dòng)時(shí)，動(dòng)脈血的吸光光程發(fā)生變化，氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對(duì)光強(qiáng)的吸收也隨之發(fā)生變化。同理，動(dòng)脈血中的其他成分如碳氧血紅蛋白、高鐵血紅蛋白等對(duì)光強(qiáng)的吸收也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，只是比起氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對(duì)吸光光強(qiáng)的影響，這部分的變化幅度較小。除此之外，動(dòng)脈周圍的組織、肌肉、骨胳和靜脈血對(duì)光強(qiáng)的吸收也會(huì)因動(dòng)脈的搏動(dòng)而變化，一起影響透射光強(qiáng)的變化。因此，在下面介紹的改進(jìn)的光吸收模型中，我們將充分考慮這三部分對(duì)光吸收量的影響，更全面地分析被測(cè)區(qū)域?qū)鈴?qiáng)的吸收過程。為了方便描述，我們作以下兩點(diǎn)假設(shè)：一、假設(shè)整個(gè)透光區(qū)域的吸光光程為L(zhǎng)0，動(dòng)脈血管搏動(dòng)前，彈性腔半徑為l，搏動(dòng)后血管擴(kuò)張，邊長(zhǎng)增大l，如圖1所示，方形內(nèi)區(qū)域表示為動(dòng)脈血液，方形之外表示周圍組織、肌肉、骨胳及靜脈血。根據(jù)毛細(xì)血管的生理特性，我們認(rèn)為微型毛細(xì)血管的透射光強(qiáng)受血管形狀的影響可以忽略，故而可以用方形模型代替圓形模型進(jìn)行分析。二、動(dòng)脈中氧合血紅蛋白（HbO2）、還原血紅蛋白（Hb）、其他形式的血紅蛋白和物質(zhì)的吸光系數(shù)和濃度分別表示為，；，；，；動(dòng)脈血管周圍的肌肉、組織、骨胳、靜脈血等對(duì)檢測(cè)光的吸光系數(shù)及濃度分別表示為，則當(dāng)單位長(zhǎng)度光強(qiáng)為i0的單色平行光垂直照射被測(cè)組織時(shí)，根據(jù)LambertBeer定律可得：動(dòng)脈搏動(dòng)前，透過該組織區(qū)域的透射光強(qiáng)為：搏動(dòng)后，透射光強(qiáng)重新表示為：為了方便表示，記 可得：當(dāng)時(shí)，上式中可以忽略，因此，上式可以簡(jiǎn)化為記，可以看出IDC只與模型中的常量有關(guān)，而與吸光路徑變化量l無關(guān)，因此把它看作是透射光強(qiáng)的直流分量，而將透射光強(qiáng)的變化量I看作是交流分量，則：對(duì)上式取自然對(duì)數(shù)：進(jìn)而可以得出： 由此可以看出，改進(jìn)的光吸收模型中，透過被測(cè)區(qū)域的光強(qiáng)變化率受動(dòng)脈血內(nèi)氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白、其他形式血紅蛋白及物質(zhì)和管外物質(zhì)共同影響。基于該模型的提出的新檢測(cè)算法我們?cè)谌莘e脈搏波傳統(tǒng)吸光模型的基礎(chǔ)上對(duì)吸光模型進(jìn)行改進(jìn)和校正，把動(dòng)脈血中還原血紅蛋白、氧合血紅蛋白之外的物質(zhì)及動(dòng)脈血管周圍的肌肉、組織、骨胳、靜脈血以和外圍皮膚等物質(zhì)的影響考慮在內(nèi)，更全面地分析容積脈搏波的吸光過程。與此對(duì)應(yīng)，在血氧飽和度經(jīng)驗(yàn)測(cè)量公式的基礎(chǔ)上，根據(jù)改進(jìn)的模型，我們可以推導(dǎo)血氧飽和度的改進(jìn)計(jì)算方法如下：當(dāng)采用波長(zhǎng)分別為和的入射光照射被測(cè)人體時(shí)，令則其中，；，；，分別為動(dòng)脈中氧合血紅蛋白（HbO2）、還原血紅蛋白（Hb）、其他形式的血紅蛋白和物質(zhì)的吸光系數(shù)和濃度；，分別為動(dòng)脈血管周圍的肌肉、組織、骨胳、靜脈血等對(duì)檢測(cè)光的吸光系數(shù)及濃度。當(dāng)動(dòng)脈血內(nèi)其他形式物質(zhì)m1及管外物質(zhì)m2的吸光系數(shù)及濃度變化較小時(shí)，我們可以作以下處理，令其中，K11， K12， K21， K22分別是的氧合血紅蛋白HbO2和還原血紅蛋白Hb對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)、的修正系數(shù)。即從而，血氧飽和度的計(jì)算公式可表示為令，則血氧飽和度計(jì)算公式可重新表示為其中，分別是對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)、的還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白的等價(jià)吸光系數(shù)。只要測(cè)定兩束光