剔除反常数据方法和应用该方法的血液成分光谱分析系统的制作方法

专利名称：剔除反常数据方法和应用该方法的血液成分光谱分析系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种血液成分分析系统，更具体地说，涉及一种剔除由于人体内部和外部生命要素而产生的反常数据的方法，以及应用了此方法的血液成分光谱学分析系统。
背景技术：
在现代医学工程领域中，用非损伤性的方法测量生理信号是一个重要的问题，人们已经研制出一些测量各种生理变量的方法。特别是已经发表了多种无需采集血样就能分析血液成分的方法，还进行了有关无需采血而作血液成分分析的研究。例如，在一种用光谱学分析血液成分的方法中，无需采集血样，病人就不必忍受疼痛，也不会受到感染，而分析结果也能够实时得到。由于这些优点以及相关技术的发展，用于测量氧饱和度的传统仪器的常规技术已应用于分析诸如血红蛋白和葡萄糖等血液成分的医疗器械当中。这些医疗器械利用具有特定波长的光对血液成分发生反应，通过测量由被人体吸收的不同波长的光量的差值的方法来分析血液成分。
当使用光谱学技术(spectroscopy)时会产生一种光体积描记(photo-plethysmographic)(PPG)信号，其包含能脉动的成分和非脉动的成分。将结合附图1对所述PPG信号作进一步的描述。在附图1中，参考标号1o表示放射到人体的光的量，参考标号1t表示透过人体的光的量，参考标号1a表示被人体吸收的光的量，参考标号To表示一个心跳周期，参考标号1p表示脉动成分的最大值点，参考标号1v表示脉动成分的最小值点，参考标号P1表示由脉动成分即交流(AC)成分造成的光强度的变化，而参考标号P2表示由非脉动成分即直流(DC)成分造成的光强度的变化。吸收发射到人体的光的成分大部分属于非脉动的成分，即P2成分，例如骨骼以及不会随时间而改变的重要器官组织(vital tissue)，而主要的脉动成分，即P1成分由于心脏的跳动会随时间而改变。
对于用比率计来分析血液成分的方法来说，必须精确地测量随着时间而改变的脉动成分吸收的光量。然而，由于内部生命要素，如呼吸、血压、脉搏率、体温、血管状态或者植物性神经系统，和外部生命要素，如自发或非自发的运动，PPG信号的振幅和基线会经常变化。在定量条件下，与非脉动成分吸收的光量相比，脉动成分的振幅变化范围在2至5％，PPG信号的基线变化范围在3至5％。由于这些内部生命要素造成的脉动成分的振幅和PPG信号的基线的变化导致了反常数据。结果，在利用光谱学技术所作的血液成分分析中就产生了误差。
美国专利号5025791、5517988、5645060以及6393311中披露了PPG信号中产生反常数据的传统解决方法。在美国专利号5025791中，在放置探针的身体部位连接运动传感器和加速计，超出预定极限的运动会被检测到并形成与之对应的信号，将其传输至控制系统的微处理器上，于是在测出有运动的时间内测得的数据会在测量氧饱和度的分析中被剔除。在所述技术中，由于运动传感器和加速计是作为光学单元的附件使用的，该系统的结构复杂，因而提高了测量的成本。
美国专利5517988中，提出了表明那种数据是由非生理因素引起的实例，这是基于有关PPG信号的先前预定的标准，例如AC成分振幅的预定变化或者DC成分的预定斜率，这样就可以避免由于反常数据而造成的错误分析。然而，即使当PPG信号的AC和DC成分是稳定的，由于内部生命要素的影响，在很短时间内变量仍会变化很大，所述变量例如用于回归方程中，并在单位测量时间内从脉动成分中测得的比率的比值。
在美国专利号5645060中，包含运动和噪声项的Beer-Lambert’s方程中比率的比值被用在了比率计中以除去噪声的影响。在假设每个波长信号中运动/噪声值是成比例的，并且脉动成分不会受运动影响的情况下，这项技术是有效的。然而，脉动成分根据呼吸变化很大并影响了用于计算血液成分浓度的PPG信号，因此计算结果并不精确。
美国专利号6393311中，在单个的数据段上使用了傅立叶变换来找出具有代表性的频率，设计了一个带通滤波器来提取只与代表性频率相对应的信号，并且提取出从那些运动引起的噪声中已经去除的信号。在这项技术中，傅立叶变换中的计算量和用于窄带过滤的滤波器的抽头的数目都增加了，因此需要处理大量的数据。结果，很难实时地实现连续的信号处理。
正如上面所描述的，传统技术的方法仅局限于排除由于外部生命要素(例如在测量氧饱和度系统中由运动引起的噪声和探针的不稳定接触)产生的反常数据。再者，在传统技术中，诸如氧饱和信号等生理信号的测量是在预定时间过后直到病人生理上稳定下来才测得的，因此需要很长测量时间。

发明内容
本发明提供了一种在血液成分光谱分析系统中，剔除由于内部和外部生命要素(例如运动引起的噪声或探针的不稳定接触)所产生的反常数据的方法。
本发明还提供了应用上述方法剔除反常数据以便增加分析精确度并减少测量时间的一种血液成分光谱分析系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种利用光谱学技术在估测血液组份浓度的血液成分光谱分析系统中剔除反常数据的方法，所述方法通过对通过将对血液成分作出反应的第一和第二波长的光发射到试样上和对穿过试样的所述第一和第二波长的光进行光电转换所获得的光体积描记(PPG)信号进行分析，来估测血液成分的浓度，信号，所述方法包括(a)在预定的单位时间周期内采集与第一和第二波长相对应的PPG信号；(b)计算参数“n”，“n”为所采集PPG信号中包含的脉冲数据，为正整数；(c)计算参数“n”的平均值；(d)将对其平均值的偏差大于预定标准偏差的参数数目与参数“n”的比率与预定的剔除参考值相比较，以便确定脉冲数据“n”是否有效。
最好地，所述方法还包括(e)更新全部或一些脉冲数据“n”，并且当作为步骤(d)中的比较结果的比率等于或大于预定的剔除参考值时重复步骤(b)至(d)。
根据本发明的另一个方面，提供了一个利用光谱技术的血液成分分析系统，包括光发射装置，其包含至少两个能发射对特定的血液成分作出反应的波长的光的光源，并且能根据预定的定时向试样发射特定波长的光；光接收装置，用于接收从试样发出的光并将所接收的光转换成电信号；以及信号处理器，用于从由光接收装置所接收的电信号中提取与对特定的血液成分作出反应的特定的波长的光的体积描记(PPG)信号，对于在预定单元时间周期内采集的与所述波长相对应的PPG信号中包括的脉冲“n”，来计算参数“n”的平均值，以及将对其平均值的偏差大于预定标准偏差的参数的数目与参数“n”的比率与预定的剔除参考值相比较，以便确定脉冲数据“n”是否有效，这里n为正整数。
所述信号处理器最好包括用于存储脉冲数据“n”的先入先出(FIFO)数据缓冲器，和当所述脉冲数据“n”被确定为无效时，将所述脉冲数据“n”划分成预定的单元组，用与第一预定单元组相同数目的新数据来取代由初始输入数据组成的所述第一预定单元组，和确定新的脉冲数据“n”是否有效。


通过结合其附图详细描述优选实施例，本发明上述的和其它的特征和优点将会变得更清楚，其中图1说明了一个典型的光体积描记(photo-plethysmographic)(PPG)信号的曲线图；图2是根据本发明的一个实施例的血液成分光谱分析系统的方框图；图3是根据本发明的一个实施例中的剔除反常数据的方法的流程图；以及图4展示了第一波长和第二波长的光强的曲线图的例子，其中详细注明了图3中所示的方法的每一阶段中使用的参数。
具体实施例方式
以下将根据本发明的优选实施例，结合附图详细描述一种剔除反常数据的方法，以及应用了该方法的一种血液成分光谱学分析系统。
图2是根据本发明一个实施例中的血液成分光谱分析系统方框图。该血液成分光谱分析系统包括光发射装置21、受实验者22、光接收装置23、放大和过滤单元24、信号处理器25、存储单元26、以及显示单元27。
参见图2光发射装置21至少包含两个光源，例如发光二极管，其中每个都能发射一种能与特定血液成起作用的波长的光。根据信号处理器25控制的时间，每个光源都向受实验者22发射特定波长的光。
光接收装置23接收从放置在光发射装置21和光接收装置23之间的受实验者22传播、散射或者反射来的光，将接收光转化为电信号，并将该电信号提供给放大和过滤单元24。放大和过滤单元24将该电信号放大至预定的标准，然后过滤该放大的电信号使除去该电信号中的噪声成分。
信号处理器25从放大和过滤单元24提供的电信号中提取与特定血液成分作用的光体积描记(PPG)信号，将该PPG信号转换成数字数据，进行数据分析并对该数字数据进行处理以便除去其中的反常数据，然后将信号处理得到的信号提供给存储单元26和显示单元27。信号处理器25包含可机读的记录介质，其记录了实现根据本发明中的剔除反常数据的方法的程序。该信号处理器25优选含有一个具有先入先出(FIFO)结构的数据缓冲装置以储存数据“n”，其中“n”为正整数。这里，当数据“n”作为信号分析和处理的结果被确定为应被剔除时，数据“n”就被划分到预定量的组中，例如，有五个组时，只有最先输入的n/5个数据能得到更新并且应用到剔除反常数据的信号分析中。
存储单元26储存那些如信号处理器25处理结果那样被确定为有效的数字数据，而显示单元27显示出信号处理器25处理的结果以便用户得知。
图3是根据本发明一个实施例中的剔除反常数据的方法流程图。该方法包括采集数据(31)，计算波长之间参数的平均值(32至35)，以及利用该参数的平均值、标准偏差和预定的剔除参考值来确定该参数是否有效(36至38)。图3所示的方法将结合图4来描述。
参见图3，步骤31中，在预定的单位时间周期内，例如T1到T2，由放大和过滤单元24提供的PPG信号的脉冲数据“n”根据它们的波长进行采集。脉冲数据“n”通常可包含一个心跳周期，并且可以由调制信号产生，该调制信号由于外部压力引起的血流变化而具有较大的振幅。
在步骤32中，预定的单位时间周期内每一脉冲的光强的最大值点Ip和最小值点Iv都是从根据它们波长采集的脉冲数据组中获得的。关于第一波长和第二波长的光强曲线G1和G2，当从T1到T2的时间内出现的脉冲数为“n”时，在关于第一波长的曲线G1上可得到单个脉冲数“n”的最大值点Ip11至Ip1n和最小值点Iv11至Iv1n，在关于第二波长的曲线G2上可获得单个脉冲数“n”的最大值点Ip21至Ip2n和从最小值点Iv21至Iv2n。
在步骤33中，计算出每种波长光的每一脉冲的最大值点Ip和最小值点Iv的比率对数1n(Ip/Iv)。也就是说，在第一波长光的曲线G1上，计算出第一到第n个脉冲的比率对数为1n(Ip11/Iv11)到1n(Ip1n/Iv1n)。在第二波长光的曲线G2上，计算出第一到第n个脉冲的比率对数为1n(Ip21/Iv21)到1n(Ip2n/Iv2n)。
在步骤34中，每种波长的光得到的比率对数1n(Ip/Iv)被用来计算参数，例如波长之间比率的比值(ROR)，即比率R12为第一波长光的每一个脉冲的比率对数1n(Ip1k/Iv1k)(其中k为1到n)与第二波长光的每一个脉冲的比率对数1n(Ip2k/Iv2k)(其中k为1到n)的比值。此第一和第二波长光间的ROR值R12可用公式(1)表示。
R12=ln(Ip1k/Iv1k)ln(Ip2k/Iv2k)---(1)]]>在步骤35中，第一和第二波长间光的ROR值R12的平均值M12可根据公式(2)计算。
M12=Σk=1nln(Ip1k/Iv1k)ln(IP2k/Iv2k)n---(2)]]>在步骤36中，在由步骤34计算出的参数“n”中，计算与步骤35中计算出的平均值M12偏差大于标准偏差的参数数目，即参数“m”。这里，标准偏差可以通过实验或模拟而设置一个最佳值。例如，标准偏差可依据用于获得不同波长之间ROR值的两种波长类型而设置不同的值。当两种波长对应于等消光点时，标准偏差设置为±3.5％至±4.5％，优选设置为±4％。当两种波长在红光或红外范围时，标准偏差应设置为±1.5％至±2.5％，优选设置为±2％。
在步骤37中，从步骤34得出的所有参数数目“n”与从步骤36得出的平均偏差大于标准偏差的参数数目“m”的比值，即m/n，与预设的剔除参考值相比较。这里，为保证分析的精确度，剔除参考值可以通过实验或模拟而设置一个最佳值。步骤37的比较结果中，如果比值m/n大于或等于预设的剔除参考值，当前采集的数据“n”将被丢弃并不用于分析，然后该方法退回到步骤31。这里步骤31中所有的数据“n”将更新为新的数据。或者，数据“n”可以被划入预定的单元组中，相同数量的新数据将代替由前次输入数据组成的初始预设单元组，并且成为初始预设单元组。
如果m/n小于预设的剔除参考值，步骤34中得到的第一和第二波长光之间“n”个ROR值R12就被确定为有效数据并被储存到存储单元26之中。储存在存储单元26中有效数据的平均值，即第一和第二波长光之间的RORs值R12的平均值，可被运用到例如通过多元线性回归分析确定的回归方程中以便计算特定血液成分的浓度。
例如，当计算血红蛋白量(Hb)的回归方程用公式(3)表示时，在步骤31至38中确定为有效的第一和第二波长光之间的RORs平均值举例如下表1Hb＝50.3-21.5×R13-1.30×R15-9.00×R45…(3)表1


这里，预定单位时间周期内包含的脉冲数“n”为30，R13表示569nm波长和805nm波长光之间的ROR值，R15表示569nm波长和970nm波长光之间的ROR值，R45表示940nm波长和970nm波长光之间的ROR值。血红蛋白浓度可通过将两种波长光之间RORs的平均值应用于R13，R15或R45中估测出来，根据本发明此RORs值被确定为有效。
本发明可以通过记录在可机读的记录介质上并能被计算机识别的编码来实现。例如，实现剔除反常数据的方法可以通过以下方式实现在可机读的记录介质上记录第一程序，用于计算出与第一和第二波长光相对应的PPG信号中包含的有关“n”个脉冲的参数“n”，其中PPG信号是在预定的单位时间周期内采集到的；以及记录第二程序，用来计算参数“n”的平均值，并将对平均值的偏差大于所预定的标准偏差的参数数目与参数n的比率与预定的剔除参考值相比较，以便确定脉冲数据“n”是否有效。同时，可机读的记录介质可以是能够在其上记录计算机可读数据的任何类型的介质，例如，ROM、RAM、CD-ROM、磁带、软盘或者光学数据存储装置。本发明还可以通过载波(例如通过互联网传播)实现。或者，可机读的记录介质分配到通过网络连接的计算机系统中，这样本发明就能作为存储在记录介质上并能被计算机读取并执行的编码来实现。本发明领域的程序员很容易推导出可实现本发明的功能程序、编码和编码片段。
<实验>
根据本发明的一个实施例，为了获得剔除反常数据方法的定量结果，要连续10分钟从30个血红蛋白浓度在10.5-16.5g/dl的仰卧受试者身上采集数据。30个被试者以2比1的比例分组，通过对作为标准模型的20个受试者试样作多元线性回归分析获得回归方程。并将该回归方程应用于从余下10个受试者采集的数据以计算出结果作为预测模型。作为参考的所有受试者的血红蛋白值是用HemoCue AB(瑞典)来测量的，它是一种用小试管作非损伤性测量的装置。
为了确定参数，即不同波长光之间的RORs值是否是反常数据，将有关569nm波长光的对数比与有关805nm波长光的对数比之比值R13的标准偏差，和有关940nm波长光的对数比与有关970nm波长光的对数比之比值R45的标准偏差分别增加2％和1％。剔除参考值设置为20％，用于测定的单位时间周期设置为1分钟。由于该标准偏差小，所以相关系数就大，但是满足标准偏差的试样数目N减少了，能够用来分析的数据就不多了。相关系数与满足标准偏差的试样数目N成反比。因此，R13和R45的标准偏差最好分别设为4％和2％。表2给出了有关R13和R45的标准模型和预测模型中的相关系数和被分析试样数目N。
表2


参见表2，根据本发明，当将剔除反常数据的方法应用于30个被试者时，该方法用最佳标准偏差和预定的剔除参考值确定所采集的数据是否能用于非损伤性测量血液中血红蛋白浓度应用到，从标准模型中获得的相关系数为0.71，预测模型中获得的相关系数为0.61。与没有用本发明的方法所得到的分析结果相比，其中标准模型中获得的相关系数为0.51，预测模型中获得的相关系数为0.3，本发明改善了分析结果。因此证明了本发明有效地减小了由于内部生命要素如(呼吸、血压、脉搏速度、体温、血管状态或是植物性神经系统)和外部生命要素(如运动引起的噪声或与探针的不稳定接触)，导致的脉动成分生理信号变化的影响。
正如上面所描述的，根据本发明，利用光谱学技术的血液成分分析系统从被试者产生的PPG信号中计算回归方程的参数，在预定单位时间周期内分析参数的反常数据，并在分析中排除包含那些比率大于或等于预定的剔除参考值的反常数据的数据组，从而减小由于内部生命要素使脉动成分变化而造成的影响，以及外部生命要素造成的影响，并且无需单独增加硬件系统如运动传感器和加速计。结果能在无需增加血液成分分析系统生产成本的情况下提高分析的精确度。
另外，根据本发明，对于普通的生理信号测试，用于使病人达到稳定状态所需的准备时间消除或者减少了，这样用于分析的总时间就能减少。而且，与传统的由试验人员主观决定的分析相比，剔除或者不剔除反常数据可以自动和客观地决定，这样可以达到稳定的分析精确度。
尽管这里展示和记载了本发明的一些实施例，本领域技术人员应该知道，可以在不背离本发明原理和实质的情况下对这些元件做出改变，这些范围在所附的权利要求及其等价物中做出了限定。
权利要求
1.一种在利用光谱学技术的血液成分分析系统中剔除反常数据的方法，其通过对通过将对血液成分作出反应的第一和第二波长的光发射到试样上和对穿过试样的所述第一和第二波长的光进行光电转换所获得的光体积描记(PPG)信号进行分析，来估测血液成分的浓度，所述方法包括(a)在预定的单位时间周期内采集与第一和第二波长相对应的PPG信号；(b)计算参数“n”，其中“n”为所采集的PPG信号中包含的脉冲数据，这里n为正整数；(c)计算参数“n”的平均值；以及(d)将对平均值的偏差大于所预定的标准偏差的参数的数目与参数“n”的比率与预定的剔除参考值相比较，以便确定脉冲数据“n”是否有效。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括更新全部脉冲数据“n”，并且当作为步骤(d)中的比较结果的比率等于或大于预定的剔除参考值时，重复步骤(b)至(d)。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括更新一些脉冲数据“n”，并且当作为步骤(d)中的比较结果的比率等于或大于预定的剔除参考值时，重复步骤(b)至(d)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述标准偏差是根据第一和第二波长来确定。
5.根据权利要求4所述的方法，其中当所述第一和第二波长与等消光点相对应时，将所述标准偏差设置在±3.5％至±4.5％。
6.根据权利要求4所述的方法，其中当第一和第二波长在红光范围和红外光范围之一中时，将所述标准偏差设置在±1.5％至±2.5％。
7.根据权利要求1所述的方法，其中从由外部压力引起的血流中的变化所影响的调制信号来产生所述脉冲数据“n”。
8.一种在利用光谱学技术估测血液成分浓度的血液成分光谱分析系统中使用的计算机可读记录介质，所述估测血液成分浓度是通过分析通过将对血液成分作出反应的第一和第二波长的光发射到试样上和对穿过试样的所述第一和第二波长的光进行光电转换所获得的光体积描记(PPG)信号来进行的，所述计算机可读记录介质包括第一程序，用来对应于与第一和第二波长相对应的PPG信号中包含的脉冲数“n”来计算参数“n”，其中PPG信号是在预定的单位时间周期内采集到的，n为正整数；以及第二程序，用来计算参数“n”的平均值，并将对其平均值的偏差大于预定的标准偏差的参数的数目与参数“n”的比率与预定的剔除参考值相比较，以便确定脉冲数据“n”是否有效。
9.一种利用光谱技术的血液成分分析系统，包括光发射装置，其包含至少两个能发射对特定的血液成分作出反应的波长的光的光源，并且能根据预定的定时向试样发射特定波长的光；光接收装置，用于接收从试样发出的光并将所接收的光转换成电信号；以及信号处理器，用于从由光接收装置所接收的电信号中提取与对特定的血液成分作出反应的特定的波长的光的体积描记(PPG)信号，对于在预定单元时间周期内采集的与所述波长相对应的PPG信号中包括的脉冲“n”，来计算参数“n”的平均值，以及将对其平均值的偏差大于预定标准偏差的参数的数目与参数“n”的比率与预定的剔除参考值相比较，以便确定脉冲数据“n”是否有效，这里n为正整数。
10.根据权利要求9所述的血液成分分析系统，其中所述信号处理器包括用于存储脉冲数据“n”的先入先出(FIFO)数据缓冲器，和当所述脉冲数据“n”被确定为无效时，将所述脉冲数据“n”划分成预定的单元组，用与第一预定单元组相同数目的新数据来取代由初始输入数据组成的所述第一预定单元组，和确定新的脉冲数据“n”是否有效。
11.根据权利要求9所述的血液成分分析系统，其中所述标准偏差是根据第一和第二波长来确定。
12.根据权利要求11所述的血液成分分析系统，其中当所述第一和第二波长与等消光点相对应时，将所述标准偏差设置在±3.5％至±4.5％。
13.根据权利要求11所述的血液成分分析系统，其中当第一和第二波长是在红光范围或红外光范围中时，将所述标准偏差设置在±1.5％至±2.5％。
14.根据权利要求9所述的血液成分分析系统，其中从由外部压力引起的血流中的变化所影响的调制信号中来产生所述脉冲数据“n”。
全文摘要
本发明提供了一种剔除反常数据的方法和一种利用光谱学技术作血液成分分析的系统。在利用光谱学技术作血液成分分析的系统中剔除反常数据的方法包括(a)在预定的单位时间周期内采集与第一和第二波长相对应的PPG信号；(b)计算参数“n”，“n”为所采集的PPG信号中包含的脉冲数据，其中n为正整数；(c)计算参数“n”的平均值；和(d)将对平均值的偏差大于预定标准偏差的参数数目与参数“n”的比率与预定的剔除参考值相比较，以便确定脉冲数据“n”是否有效。
文档编号A61B5/00GK1519557SQ20041002832
公开日2004年8月11日 申请日期2004年1月7日 优先权日2003年1月7日
发明者李宗渊, 尹吉源 申请人:三星电子株式会社