专利名称：一种血氧测量装置和方法
技术领域：
本发明涉及医疗产品技术领域，具体涉及一种血氧测量装置和方法。
技术背景
在脉搏式无创血氧饱和度测量技术中，一般都是通过红光与红外光经过人体组织的透射光或反射光被脉搏波动调制后，利用血氧接收传感器即光电二极管将透射光或反射光转换为电流信号，经由后级相应的模拟电路进行放大调理，使用模数转换器采集被脉搏搏动所调制的血氧信号，送入单片机进行相关运算，通过相应的算法完成血氧饱和度、脉率以及脉搏波形等参数的计算。
由于该技术是利用红光和红外光及其透射光或反射光进行检测的技术，而所检测到的血氧信号为一个微弱信号，所以很容易受到外界环境光的干扰，而环境光是一个相对较强的信号，使得受干扰后在血氧测量时很容易出现信号饱和现象，从而无法进行血氧饱和度及脉率的测量，特别是在院外转运上使用时，问题会更加突出。发明内容
为克服上述缺陷，本发明的目的即在于一种血氧测量装置和方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的 本发明一种血氧测量装置，主要包括光电流信号采集单元，所述光电流信号采集单元用于采集被测者含有脉搏信号的光电流信号；信号转换单元，所述信号转换单元与光电流信号采集单元连接，用于将采集到的光电流信号转换为相对应的电压信号；环境光信号滤除单元，所述环境光信号滤除单元与所述信号转换单元连接，用于滤除电压信号中的环境光干扰信号；电压信号放大单元，所述电压信号放大单元与环境光信号滤除单元连接，用于对滤除环境光干扰信号后的电压信号进行放大；模数转换单元，所述模数转换单元与所述电压信号放大单元连接，用于对放大后的电压信号进行模数转换，得到血氧脉冲数据；波形信号提取单元，所述波形信号提取单元与所述模数转换单元连接，用于从血氧脉冲数据中提取出血氧脉搏波信号，并通过低通滤波获得血氧脉搏波的直流分量波形信号， 同时通过带通滤波获得血氧脉搏波的交流分量波形信号；噪声分析单元，所述噪声分析单元与所述波形信号提取单元连接，用于对所述交流分量波形信号进行噪声分析，从而获取交流分量波形信号的噪声细节特征；波形处理单元，所述波形处理单元与所述噪声分析单元连接，用于根据噪声细节特征来动态调整波形处理的噪声阈值，并根据噪声阈值对交流分量波形信号进行消除噪声； 血氧数据计算单元，所述血氧数据计算单元与所述波形处理单元连接，用于对直流分量波形信号和消除噪声后的交流分量波形信号进行计算得到血氧测量数据。
本发明一种血氧测量方法，主要包括获取含有脉搏信号的光电流信号，并将该光电流信号转换为相对应的电压信号； 通过调整电压信号滤除环境光信号的干扰；对调整后的电压信号进行放大，并进行模数转换，得到血氧脉冲数据； 从血氧脉冲数据中提取出血氧脉搏波信号，并通过低通滤波获得血氧脉搏波的直流分量波形信号，同时通过带通滤波获得血氧脉搏波的交流分量波形信号；对所述交流分量波形信号进行噪声分析，从而获取交流分量波形信号的噪声细节特征；根据噪声细节特征来动态调整波形处理的噪声阈值，并根据噪声阈值对交流分量波形信号进行消除噪声；根据直流分量波形信号和波形处理后的交流分量波形信号进行计算得到血氧测量数据。
本发明中一种血氧测量的装置中设有环境光信号滤除单元，使得在进行血氧测量时，不会因为环境光的干扰而导致测量信号的饱和，使得血氧测量能在各种环境下进行，大大的扩展了血氧测量装置的使用范围，具有极高的推广性。
为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。
图1为本发明一种血氧测量装置一个实施例的结构原理图； 图2为本发明一种血氧测量装置另一个实施例的结构原理图； 图3为本发明一种血氧测量装置一个实施例的电路原理图；图4为本发明一种血氧测量装置另一个实施例的电路原理图； 图5为本发明一种血氧测量方法一个实施例的流程图； 图6为本发明一种血氧测量方法另一个实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1至图4，本发明一种血氧测量的装置，主要包括光电流信号采集单元101，所述光电流信号采集单元101用于采集含有被测者脉搏信号的光电流信号；信号转换单元102，所述信号转换单元102与光电流信号采集单元101连接，用于将采集到的光电流信号转换为相对应的电压信号；信号转换单元102包括电阻、电容、运算放大器，其中运算放大器可以采用使用单个运算放大器实现，也可以采用两个运算放大器实现。
环境光信号滤除单元103，所述环境光信号滤除单元103与所述信号转换单元102 连接，用于滤除环境光干扰信号；所述的环境光信号滤除单元103包括电阻、电容、运算放大器、场效应管以及单片机的I/O 口控制电平；电压信号放大单元104，所述电压信号放大单元104与环境光信号滤除单元103连接， 用于对滤除环境光干扰信号后的电压信号进行放大；模数转换单元105，所述模数转换单元105与所述电压信号放大单元104连接，用于对电压信号进行放大后的信号进行模数转换，得到血氧脉冲数据；在本发明中的模数转换单元105采用的是分辨率为大于十六位的高分辨率模数转换器；由于人体的脉搏信号是一种非常微弱的交流生理信号，而低分辨率的模数转换器，输入动态范围较小，将无法非常精确的采集到微弱的脉搏信号，尤其是在病人的血流灌注度较弱的情况下；所以低分辨率的模数转换器及复杂电路引入的更多电路噪声，最终将大大影响血氧测量的准确性；而采用高分辨率的模数转换器能极大的简化电路的复杂程度，提高测量的准确性。
波形信号提取单元106，所述波形信号提取单元106与所述模数转换单元105连接，用于从血氧脉冲数据中提取出血氧脉搏波信号，并通过低通滤波获得血氧脉搏波的直流分量波形信号并进行存储，同时通过带通滤波获得血氧脉搏波的交流分量波形信号；噪声分析单元107，所述噪声分析单元107与所述波形信号提取单元106连接，用于对所述的血氧脉搏波的交流分量波形信号进行噪声分析，从而获取血氧脉搏波交流分量波形信号的噪声细节特征；波形处理单元108，所述波形处理单元108与所述噪声分析单元连接107，用于根据噪声细节特征来动态调整波形处理的噪声阈值，所述噪声阈值包括噪声频率阈值和噪声幅度阈值，并依据噪声阈值对血氧脉搏波的交流分量波形信号进行消除噪声以实现平滑波形；血氧数据计算单元109，所述血氧数据计算单元109与所述波形处理单元108连接，用于对直流分量波形信号和波形处理后的交流分量波形信号进行计算得到血氧测量数据。
进一步，所述环境光信号滤除单元103包括信号范围扩展模块110，所述信号范围扩展模块110与信号转换单元102连接，用于增大电压信号的动态检测范围；电压基线调整模块111，所述电压调整模块111与信号范围扩展模块110连接，用于对该电压信号的基线电压值进行调整，使调整后的基线电压值固定在预设的电压值上；其具体过程为两次基线电压值的调整，第一次基线电压值的调整为，将基线电压值进行下调或上调，并使下调后的基线电压值处在动态检测范围之内；在获取电压信号后，将基线电压值调整至预设的电压值上，从而让电压信号在幅度不变的情况下整体提升。优选的，将基线电压值上调至0V。
进一步，所述血氧测量装置还包括信号幅度判断单元112，放大补偿倍数计算单元113，数据发送单元114;所述信号幅度判断单元112与模数转换单元105连接，用于判断模数转换后的血氧脉冲数据是否达到预设的阈值，当没有达到预设的阈值，则驱动放大补偿倍数计算单元113 ； 当已达到预设的阈值，则驱动波形信号提取单元106 ；所述放大补偿倍数计算单元113与信号幅度判断单元112和电压信号放大单元104连接，用于当血氧脉冲数据没有达到预设的阈值时，根据预设的阈值对电压信号的放大补偿倍数进行计算，并将该放大补偿倍数发送至电压信号放大单元，以实现对调整后的电压信号进行重新的放大；所述数据发送单元114与血氧数据计算单元109连接，用于将血氧测量数据发送至控制终端，控制终端在后续对血氧测量数据进行显示、存储、打印以及报警等工作。
下面以一个实施例详细介绍本发明一种血氧测量的方法，请参看图5，具体流程为201.获取光电流信号利用血氧接收传感器获取被检测体上通过透射或反射所得的含有脉搏信号的光电流信号；202.光电流信号转换为电压信号利用电流-电压转换电路，将该光电流信号转换为相对应的电压信号；203.滤除环境光干扰通过调整电压信号滤除电压信号中的环境光干扰信号；204.电压信号放大对滤除环境光干扰信号后的电压信号进行放大；205.电压信号模数转换进行模数转换，得到血氧脉冲数据；206.提取脉搏波信号从血氧脉冲数据中提取出血氧脉搏波信号，并通过低通滤波获得血氧脉搏波的直流分量波形信号，同时通过带通滤波获得血氧脉搏波的交流分量波形信号；在所述血氧脉搏波信号的交流分量波形信号中，包含两路的交流分量波形信号；一路是与红光被脉搏搏动所折射或反射相对应的血氧脉搏波的交流分量波形信号，另一路是红外光被脉搏搏动所折射或反射相对应的血氧脉搏波的交流分量波形信号；207.噪声分析对所述的血氧脉搏波的交流分量波形信号进行噪声分析，从而获取血氧脉搏波交流分量波形信号的噪声细节特征；208.波形处理根据噪声细节特征来动态调整波形处理的噪声频率阈值和幅度阈值，并依据噪声阈值对血氧脉搏波的交流分量波形信号进行消除噪声以实现平滑波形；209.得到血氧测量数据根据直流分量波形信号和消除噪声后的交流分量波形信号，通过计算得到血氧测量数据。
其中，所述血氧测量数据包括血氧饱和度数据、脉率数据、体积描记波数据。
为了能更好的了解本发明，下面以另一个实施例来对本发明进行详细的描述，请参看图6，具体为301.获取光电流信号利用血氧接收传感器获取被检测体上通过透射或反射所得的含有脉搏信号的光电流信号；302.光电流信号转换为电压信号利用电流-电压转换电路，将该光电流信号转换为相对应的电压信号；303.增加信号检测范围通过设置偏置电压调节电路以调整基线的电压，从而增大血氧信号的检测范围；在测量过程中，因为所接收到的电压信号中往往叠加有环境光信号，而导致电压信号超出检测范围，无法进行血氧数据的测量；而在本发明中增大了电压信号的检测范围，以确保叠加有环境光信号的电压信号也在检测范围之内；304.对电压信号进行调整对该电压信号的基线电压值进行调整，使调整后的基线电压值固定在预设的电压值上；其具体过程为两次基线电压值的调整，第一次基线电压值的调整为，将基线电压值进行下调，并使下调后的基线电压值处在动态检测范围之内；在获取电压信号后，将基线电压值上调至预设的电压值上，从而让电压信号在幅度不变的情况下整体提升。优选的，将基线电压值上调至0V。
电压信号放大以预设的放大补偿倍数对调整后的电压信号进行放大；306.电压信号模数转换利用分辨率为十六位以上的高分辨率模数转换器进行模数转换，得到血氧脉冲数据；307.判断脉搏波数据是否达到阈值判断模数转换后的血氧脉冲数据是否达到预设的阈值，当没有达到预设的阈值，则进入对电压信号的放大补偿倍数进行计算；当已达到预设的阈值，则开始从血氧脉冲数据中提取出血氧脉搏波信号；308.计算并修改电压信号的放大补偿倍数当没有达到预设的阈值，根据预设的阈值对电压信号的放大补偿倍数进行计算，对预设的放大补偿倍数进行修改，再根据修改后的放大补偿倍数，进入对电压信号进行放大；309.提取脉搏波信号从血氧脉冲数据中提取出血氧脉搏波信号，并通过低通滤波获得血氧脉搏波的直流分量波形信号，同时通过带通滤波获得血氧脉搏波的交流分量波形信号；在所述血氧脉搏波信号的交流分量波形信号中，包含两路的交流分量波形信号；一路是与红光被脉搏搏动所折射或反射相对应的血氧脉搏波的交流分量波形信号，另一路是红外光被脉搏搏动所折射或反射相对应的血氧脉搏波的交流分量波形信号；310.噪声分析对所述的血氧脉搏波的交流分量波形信号进行噪声分析，从而获取血氧脉搏波交流分量波形信号的噪声细节；其中，获取血氧脉搏波交流分量波形信号的噪声细节特征包括 将血氧脉搏波的交流分量波形信号从时域波形转换至频域波形，并通过频谱分析获取噪声细节；在被测者的血流灌注微弱时，经过带通滤波的血氧脉搏波交流分量波形上通常叠加有较高频的随机噪声，比较均勻的分布在频谱的较高的频段，且能量小于信号能量，通过频谱分析可获知噪声的频率范围和能量范围，可知噪声的周期范围和幅度范围，即得到噪声细节；而模数转换器的分辨率越高，越能够保留小幅高频噪声的特征信息，噪声的识别准确性越高。
或，在血氧脉搏波的交流分量波形信号的时域波形上进行噪声峰值检测，检测出噪声的峰值特征，转换为噪声的周期范围和幅度范围，即得到噪声细节。
波形处理根据噪声细节来动态调整波形处理的噪声频率阈值和幅度阈值，并依据噪声阈值对血氧脉搏波的交流分量波形信号进行消除噪声以实现平滑波形；其中，波形处理可以有两种实现方法，一种实现方法是小波阈值去噪，根据噪声细节特征中的噪声的频率特征，判断是否需要对交流分量波形信号的小波分解的尺度进行动态调整，若需要，则进行相应的动态调整，并记录为实时的小波分解的尺度；若不需要，则将现有的小波分解的尺度记录为实时的小波分解的尺度，小波分解的尺度决定了信号按频率分解的细化程度，分解尺度越小，则信号和噪声无法明显的划分开来，分解尺度越大，信号波形的平滑度越大，再根据实时的小波分解的尺度和噪声细节特征中的噪声幅度特征，动态调整小波去噪的阈值，判断是否达到小波去噪的阈值，保留高于小波去噪的阈值的交流分量波形信号，舍弃低于小波去噪的阈值的交流分量波形信号，得到消除噪声后的交流分量波形信号；使得重构后的信号更准确、更接近真实的脉搏波信号；另一种实现方法是根据噪声细节特征，动态的调整传统滤波器的截止频率、衰减系数， 得到消除噪声后的交流分量波形信号，达到更好的消除噪声，平滑脉搏波形的目的，从而获得更准确、更真实的脉搏波信号；312.得到血氧测量数据根据直流分量波形信号和消除噪声后的交流分量波形信号，通过计算得到血氧测量数据；313.发送血氧测量数据将血氧测量数据发送至控制终端，以便控制终端对血氧数据进行显示、存储、打印以及报警等工作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种血氧测量装置，其特征在于，包括光电流信号采集单元，所述光电流信号采集单元用于采集被测者含有脉搏信号的光电流信号；信号转换单元，所述信号转换单元与光电流信号采集单元连接，用于将采集到的光电流信号转换为相对应的电压信号；环境光信号滤除单元，所述环境光信号滤除单元与所述信号转换单元连接，用于滤除电压信号中的环境光干扰信号；电压信号放大单元，所述电压信号放大单元与环境光信号滤除单元连接，用于对滤除环境光干扰信号后的电压信号进行放大；模数转换单元，所述模数转换单元与所述电压信号放大单元连接，用于对放大后的电压信号进行模数转换，得到血氧脉冲数据；波形信号提取单元，所述波形信号提取单元与所述模数转换单元连接，用于从血氧脉冲数据中提取出血氧脉搏波信号，并通过低通滤波获得血氧脉搏波的直流分量波形信号， 同时通过带通滤波获得血氧脉搏波的交流分量波形信号；噪声分析单元，所述噪声分析单元与所述波形信号提取单元连接，用于对所述交流分量波形信号进行噪声分析，从而获取交流分量波形信号的噪声细节特征；波形处理单元，所述波形处理单元与所述噪声分析单元连接，用于根据噪声细节特征来动态调整波形处理的噪声阈值，并根据噪声阈值对交流分量波形信号进行消除噪声； 血氧数据计算单元，所述血氧数据计算单元与所述波形处理单元连接，用于对直流分量波形信号和波形处理后的交流分量波形信号进行计算得到血氧测量数据。
2.根据权利要求1所述的血氧测量装置，其特征在于，所述环境光信号滤除单元包括 信号范围扩展模块，所述信号范围扩展模块与信号转换单元连接，用于增大电压信号的动态检测范围；电压基线调整模块，所述电压调整模块与信号范围扩展模块连接，用于对该电压信号的基线电压值进行调整，使调整后的基线电压值固定在预设的电压值上。
3.根据权利要求2所述的血氧测量装置，其特征在于，所述血氧测量装置还包括信号幅度判断单元，放大补偿倍数计算单元，数据发送单元；所述信号幅度判断单元与模数转换单元连接，用于判断模数转换后的血氧脉冲数据是否达到预设的阈值，当没有达到预设的阈值，则驱动放大补偿倍数计算单元；当已达到预设的阈值，则驱动波形信号提取单元；所述放大补偿倍数计算单元与信号幅度判断单元和电压信号放大单元连接，用于当血氧脉冲数据没有达到预设的阈值时，根据预设的阈值对电压信号的放大补偿倍数进行计算，并将该放大补偿倍数发送至电压信号放大单元，以实现对调整后的电压信号进行重新的放大；所述数据发送单元与血氧数据计算单元连接，用于将血氧测量数据发送至控制终端。
4.一种血氧测量方法，其特征在于，包括获取含有脉搏信号的光电流信号，并将该光电流信号转换为相对应的电压信号； 通过调整电压信号滤除环境光信号的干扰；对调整后的电压信号进行放大，并进行模数转换，得到血氧脉冲数据；从血氧脉冲数据中提取出血氧脉搏波信号，并通过低通滤波获得血氧脉搏波的直流分量波形信号，同时通过带通滤波获得血氧脉搏波的交流分量波形信号；对所述交流分量波形信号进行噪声分析，从而获取交流分量波形信号的噪声细节特征；根据噪声细节特征来动态调整波形处理的噪声阈值，并根据噪声阈值对交流分量波形信号进行消除噪声；根据直流分量波形信号和消除噪声后的交流分量波形信号，计算得到血氧测量数据。
5.根据权利要求4所述的血氧测量方法，其特征在于，所述通过调整电压信号滤除环境光信号的干扰包括增大电压信号的动态范围；对该电压信号的基线电压进行调整，使调整后的基线电压固定在预设的电平上。
6.根据权利要求5所述的血氧测量方法，其特征在于，所述进行模数转换，得到血氧脉冲数据之后包括判断模数转换后的血氧脉冲数据是否达到预设的阈值，当没有达到预设的阈值，则根据预设的阈值对电压信号的放大补偿倍数进行计算，并根据该放大补偿倍数对调整后的电压信号进行重新的放大；当已达到预设的阈值，则开始从血氧脉冲数据中提取出血氧脉搏波信号。
7.根据权利要求6所述的血氧测量方法，其特征在于，所述对所述交流分量波形信号进行噪声分析，从而获取交流分量波形信号的噪声的细节特征具体包括将血氧脉搏波的交流分量波形信号从时域波形转换至频域波形，并通过频谱分析获取噪声的细节特征；或，在血氧脉搏波的交流分量波形信号的时域波形上进行噪声峰值检测，获取噪声的细节特征。
8.根据权利要求7所述的血氧测量方法，其特征在于，所述根据噪声细节特征来动态调整波形处理的噪声阈值，并根据噪声阈值对交流分量波形信号进行消除噪声还包括根据噪声细节特征中的噪声的频率特征，判断是否需要对交流分量波形信号的小波分解的尺度进行动态调整，若需要，则进行相应的动态调整，并记录为实时的小波分解的尺度；若不需要，则将现有的小波分解的尺度记录为实时的小波分解的尺度，再根据实时的小波分解的尺度和噪声细节特征中的噪声幅度特征，动态调整小波去噪的阈值，判断是否达到小波去噪的阈值，保留高于小波去噪的阈值的交流分量波形信号，舍弃低于小波去噪的阈值的交流分量波形信号，得到消除噪声后的交流分量波形信号；或，根据噪声细节特征，动态的调整传统滤波器的截止频率、衰减系数，得到消除噪声后的交流分量波形信号。
9.根据权利要求8所述的血氧测量方法，其特征在于，所述血氧测量数据包括血氧饱和度数据、脉率数据、体积描记波数据。
10.根据权利要求9所述的血氧测量方法，其特征在于，所述计算得到血氧测量数据之后包括将血氧测量数据发送至控制终端。
全文摘要
本发明涉及医疗产品技术领域，具体涉及一种血氧测量装置和方法。本发明包括按信号流向依次连接光电流信号采集单元，信号转换单元，环境光信号滤除单元，电压信号放大单元，模数转换单元，波形信号提取单元，噪声分析单元，波形处理单元，血氧数据计算单元，所述环境光信号滤除单元与所述信号转换单元连接，用于滤除环境光信号的干扰；本发明中一种血氧测量的装置中设有环境光信号滤除单元，使得在进行血氧测量时，不会因为环境光的干扰而导致测量信号的饱和，使得血氧测量能在各种环境下进行，大大的扩展了血氧测量装置的使用范围，具有极高的推广性。
文档编号A61B5/1455GK102512178SQ201110437409
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者涂娅玲, 胡士峰 申请人:深圳市理邦精密仪器股份有限公司