光體積描記術(shù)原理及應(yīng)用

張?zhí)祉担?蘭 . I . 謝爾蓋

1 卡拉什尼科夫伊熱夫斯克國立技術(shù)大學(xué) 儀器制造學(xué)院，伊熱夫斯克市，426069，俄羅斯

2 卡拉什尼科夫伊熱夫斯克國立技術(shù)大學(xué) 數(shù)學(xué)和自然科學(xué)學(xué)院，伊熱夫斯克市，426069，俄羅斯

光體積描記術(shù)原理及應(yīng)用

【作 者】張?zhí)祉?，朱 蘭 . I . 謝爾蓋2

1 卡拉什尼科夫伊熱夫斯克國立技術(shù)大學(xué) 儀器制造學(xué)院，伊熱夫斯克市，426069，俄羅斯

2 卡拉什尼科夫伊熱夫斯克國立技術(shù)大學(xué) 數(shù)學(xué)和自然科學(xué)學(xué)院，伊熱夫斯克市，426069，俄羅斯

光體積描記是一種簡單的低成本技術(shù)，可以用來監(jiān)測毛細(xì)血管中血液的體積變化。利用這種技術(shù)制造的儀器因其便攜性和非侵入性，所采集的數(shù)據(jù)包含了人體的多項(xiàng)生理信息，可以給臨床醫(yī)學(xué)及個人日常健康監(jiān)測帶來便利，應(yīng)用前景十分廣闊。光體積描記圖一般由一個高頻分量（AC）和一個低頻分量（DC），分別對應(yīng)心血管系統(tǒng)中血液體積的變化及呼吸，人體組織，血液固有成分等。雖然光體積描記信號產(chǎn)生的具體原因還在探索中，但是依然可以從中獲得重要的心血管系統(tǒng)的多種信息。

光體積描記術(shù)；心電圖；脈搏波

0 引言

光體積描記術(shù)，國內(nèi)一般稱為光電容積脈搏波描記法[1]，是一種利用激光對待測流體或固體的體積進(jìn)行檢測并記錄，最后對體積的變化曲線進(jìn)行分析并做出評價(jià)的一種方法，是非接觸的、非侵入的[2]，屬于體積描記術(shù)的一種。自1938年Herzman首次發(fā)現(xiàn)并描述了背向散射光的光強(qiáng)與血液體積的關(guān)系[2-5]，光體積描記術(shù)已經(jīng)獲得了長足的發(fā)展，尤其在脈搏波的監(jiān)測和處理上有很高的價(jià)值，醫(yī)生可以根據(jù)其波形來判斷心血管系統(tǒng)的狀況[1]。并且由于其原理簡單，使用方便，與心電圖相比有著更好的應(yīng)用前景。不過由于人體組織和激光相互作用機(jī)理我們還不是很清楚[6]，其在穩(wěn)定性上還有缺陷，并沒有在醫(yī)學(xué)上大規(guī)模應(yīng)用，在電子工程、生物工程及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，國內(nèi)外的研究方向都是發(fā)展更穩(wěn)定更可靠的光體積描記儀器[4,7]。

1 原理

體積描記術(shù)最典型的應(yīng)用是測量肺活量[8]，即待測者坐在一個氣密的玻璃房中，只有一個管子連接外部，待測者先通過管子呼出空氣，之后記錄玻璃房內(nèi)空氣對玻璃的壓強(qiáng)，待測者再通過管子吸入空氣，此時(shí)再記錄壓強(qiáng)，兩者對比即可間接求出待測者身體體積的變化，也就同時(shí)得出了肺部體積的變化，如果在測量時(shí)持續(xù)記錄數(shù)據(jù)，最后可以得出一個曲線，該曲線也記錄了測試者肺部體積隨時(shí)間產(chǎn)生的變化。我們可以將體積描記術(shù)看作是用一個媒介的某個跟體積相關(guān)的參數(shù)的變化來表征待測物體積的變化。

光體積描記術(shù)也是同樣的，只是測量媒介由空氣變?yōu)榧す猓郎y物體由整個人體變?yōu)槿梭w的一部分組織（通常為指尖）。當(dāng)一定波長的光入射至指尖皮膚后，一部分光會被組織吸收，一部分光會被散射。隨著心臟搏動，皮膚下的動脈也會收放根據(jù)比爾·郎伯定理（Beer-Lambert law），I(l)=Ioe-kλ/l，介質(zhì)的吸收系數(shù)kλ越大，厚度l越大，則對光的吸收越顯著。心臟收縮時(shí)，血液流向血管，血管中血液的體積增大，使得血管的直徑也增大。心臟擴(kuò)張時(shí)，血液回流至心臟，血管中血液的體積減小，使得血管的直徑也減小。因此，人體某一部位對光的吸收量會隨著心臟的活動而變化，光體積描記術(shù)就是借助光的吸收量的變化對指尖內(nèi)血流的情況進(jìn)行記錄和分析的，其原理見圖1。

圖1 光體積描記術(shù)原理Fig. 1 The principle of photoplethysmography

根據(jù)LeD和光電二極管的擺放方式的不同，光體積描記儀器的探頭大體上分為兩種：對透射光強(qiáng)進(jìn)行記錄的透射式和對反射光強(qiáng)進(jìn)行記錄的反射式[5]，參見圖2。嚴(yán)格意義上來說，光在射入人體后并不會產(chǎn)生大量的“反射”，反射式探頭接收到的光大多是散射回來的。從實(shí)際應(yīng)用及科研角度看，反射式比透射式好。透射式比反射式相比有更多的限制，因?yàn)長eD和光電二極管必須嚴(yán)格固定在待測位置上，而透射式不能很好得解決這個問題。

圖2 透射式和反射式光體積描記儀器Fig.2 Transmitted and refected photoplethysmographical devices

透射光或反射光會由波長對應(yīng)的光電二極管接收并轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行記錄，最后可以得到如圖3所示的光體積描記圖，其波形也被稱為脈搏波，表征被測區(qū)域血液體積的變化。

圖3 脈搏波波形Fig.3 The waveform of pulse wave

2 光體積描記圖的分析

光體積描記圖有兩個分量[1-2,7]：一個是固有光衰減量，低頻分量，英文文獻(xiàn)中稱之為直流分量(Dc)，另一個是隨著血管的收縮擴(kuò)張而變化的光衰減量，高頻分量，英文文獻(xiàn)中稱之為交流分量(ac)，參見圖4。

圖4 一般波形Fig.4 common waveform

Dc分量對于單個測試者來說其幅值大體上是不變的。不過在實(shí)際使用過程當(dāng)中，肺部因?yàn)楹粑\(yùn)動，進(jìn)而影響到心臟和附近的血管，使得Dc分量會有一定的起伏，與呼吸相應(yīng)。ac分量表征的是指尖毛細(xì)血管及小動脈的活動情況，是隨著時(shí)間隨著心臟的波動變化的。

在一個周期中一般有兩個波峰，第一個波峰表示脈搏波，在心臟收縮時(shí)產(chǎn)生，而第二個波峰則是波到血管末端動脈樹分叉后反射回來的反射波[2]。如果動脈很健康，反射波到達(dá)心臟的時(shí)候正好是在心臟的舒張階段，可以反過來幫助心臟正常工作，而如果人年紀(jì)大，動脈會硬化，使得脈搏波和反射波傳輸速度更快，這樣反射波會在心臟還沒有到舒張階段的時(shí)候就會到達(dá)心臟，增加了心臟的負(fù)荷。在老年人當(dāng)中，反射波的幅度甚至接近脈搏波的幅度，心臟需要更有力的收縮去克服反射波[9]。

如果將光電容積脈搏波的圖像與心電圖比較(圖5)[1]，可以看到兩者有很好的相關(guān)性。心臟收縮后，血液被推至人體各個部分，在血液到達(dá)指尖時(shí)可以通過PPG測到脈搏波。圖中PTTf為從心臟放電時(shí)至脈搏波波谷抵達(dá)被測區(qū)域時(shí)的時(shí)間，PTTp為從心臟放電時(shí)至脈搏波波峰抵達(dá)被測區(qū)域時(shí)的時(shí)間。這兩種時(shí)間參數(shù)會隨著監(jiān)測位置的變化而變化，因?yàn)樗鼈兊闹等Q于待測位置和心臟的距離。如果監(jiān)測位置在耳部，則時(shí)間參數(shù)會較短，如果監(jiān)測位置在腳趾，則時(shí)間參數(shù)會較長[1]。

圖5 與心電圖對比Fig.5 comparing with ecG

ac分量的幅度還與血壓相關(guān)[10-11]。圖6是患者在手術(shù)剛開始時(shí)的血壓和脈搏波對比圖，可以看到在血壓升高時(shí)脈搏波幅度會減小，這是因?yàn)榫o張后血管收縮，血管直徑變化量下降導(dǎo)致的。圖7為正常情況下與失血1 000 mL后血壓信號和脈搏波的對比，可見失血后血壓相應(yīng)降低，而脈搏波在幅度上則產(chǎn)生了一定的波動。

圖6 Pleth為光體積描記圖，BP為血壓Fig.6 Pleth - photoplethysmography, BP - blood pressure

圖7 正常情況與失血1000 mL后血壓信號和脈博波的對比Fig.7 BP pulsewave comparison between common situation and situation after losing blood 1000 mL

3 硬件系統(tǒng)

現(xiàn)代光體積描記儀器的探頭一般由一個LeD和與匹配的光電二極管組成。LeD為光源，光電二極管為接收器。LeD可以將電能轉(zhuǎn)換為光能，帶寬較窄(一般為50 nm)，可長時(shí)間工作，工作溫度范圍廣，溫度漂移小。由于其光強(qiáng)很弱，實(shí)際使用中也很安全，不會給被測試者帶來傷害。光電二極管結(jié)構(gòu)簡單，成本低，響應(yīng)時(shí)間快，可選響應(yīng)波長廣泛，與LeD搭配較為容易。光體積描記儀器整體的硬件大致組成有[1,6-7,12]：1）LeD，2）光電二極管，3）濾波器，4）放大器，5）信號處理系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖見圖8。

圖8 系統(tǒng)框圖Fig.8 System block diagram

低通濾波器可以去除高頻噪聲，如其他電器產(chǎn)生的高頻電磁波。高通濾波器可以降低光體積描記圖的低頻分量（Dc），如果濾波電路合適也可以消除交流電環(huán)境帶來的噪聲（如我國交流電頻率50 Hz，而北美交流電頻率為60 Hz）。高通濾波器的截止頻率必須小心選取，濾波能力太強(qiáng)會導(dǎo)致波形失真，濾波能力太弱會使得低頻分量（Dc）覆蓋高頻分量（ac）。跨阻放大器用來將光電二極管產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為電壓。儀器最終采集到的是一個連續(xù)的變化的電壓值[1]。采用跨阻放大器的原因是因?yàn)槠鋷捀撸m用于光電傳輸系統(tǒng)[13]。反相系統(tǒng)根據(jù)探頭是透射式的還是反射式的來確定。

LeD的波長和光電二極管的響應(yīng)波長的選取非常重要，有三個參數(shù)需要考慮：1）光在水中的透射窗口：人體組織的主要組成部分是水，水對紫外和遠(yuǎn)紅外波段的吸收率特別高，這類波段的光不易透過人體組織，而對可見光和近紅外波段的吸收率較低，使得他們可以較為容易地透過組織。這也是紅色及紅外波段光被選做光源的原因。2）等吸收波長：在大多數(shù)情況下，血紅蛋白和氧和血紅蛋白對同一波長的光的吸收率有很大的不同，如圖9所示[14]。必須選擇一個波長，使得這兩者對光的吸收率相同，才可以把血液含氧量對測量結(jié)果的影響降到最低。可以看到在810 nm及550 nm波長上兩者吸收率是一樣的，再結(jié)合透射窗口，一般光源波長選定在810 nm附近。3）透射深度：光強(qiáng)一定時(shí)，光的透射深度由波長決定。

圖9 血紅蛋白1和氧合血紅蛋白2的光譜吸收系數(shù)Fig.9 Spectral absorption coeffcient of hemoglobin 1 and oxyhemoglobin 2

探頭一般放置在毛細(xì)血管豐富且皮層較薄的地方，比如耳朵，手指及腳趾，光可以很容易地透過并監(jiān)測到血管。除此而外，也有對重要的動脈部位進(jìn)行監(jiān)測的研究[15]，大多數(shù)監(jiān)測建立在單個探頭的基礎(chǔ)上，也有用多個探頭的情況[16]。還有利用近紅外ccD光體積描記攝像系統(tǒng)在二維層面上對皮下血流和其他相關(guān)問題進(jìn)行的研究[17]。有研究指出可以在遠(yuǎn)距離上利用具有三種波長（660 nm，810 nm，940 nm）的光體積描記陣列監(jiān)測人體組織內(nèi)的含氧血紅蛋白的分布情況[18]，伴隨著被測者的呼吸可以看到組織含氧量的變化。這一研究可以在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，比如對組織健康程度進(jìn)行評估，對皮下創(chuàng)傷進(jìn)行監(jiān)測。

光體積描記術(shù)除了應(yīng)用在對人體內(nèi)部微觀上血液流動狀況的檢測中，還可以應(yīng)用在宏觀上對人體某一部位橫截面積變化的檢測。這種方法是將待測部位放置在由四個光探測器組成的盒子中央，激光光源會在待測部位上劃出一個橫截面，橫截面的面積可以很快得出。如果這個部位因?yàn)榧膊』蛘邉e的原因體積發(fā)生細(xì)微的變化，儀器可以探測到這種微小變化[19]。

以手臂的靜脈曲張的檢測為例，先用皮筋將手臂勒緊阻斷血液，然后放入儀器中對體積進(jìn)行測量，然后在不拿出手臂的情況下突然松開皮筋，血液會迅速流入手臂，這時(shí)儀器會很快測出體積的變化以及變化的時(shí)間，進(jìn)而可以根據(jù)這兩個數(shù)據(jù)來判斷手臂血管系統(tǒng)的健康程度。

多普勒血流儀是多普勒測速儀在醫(yī)學(xué)上的一種應(yīng)用[20]。其原理是：激光在擊中紅細(xì)胞后波長發(fā)生變化，頻率發(fā)生了變化，這種頻率變化被稱為頻移，而這種變化和被測點(diǎn)處的紅細(xì)胞數(shù)量和移動速度相關(guān)，所以通過監(jiān)測頻移來監(jiān)測血流。血流儀的光源必須是單色相干光，否則頻移將變得不明顯[21]。

光體積描記儀器只是記錄了光強(qiáng)的變化，波長的變化沒有記錄，也就是說記錄的是血液在被測點(diǎn)體積的變化，或者說是血管直徑的變化，而且光源不需單色相干光，只需要光電二極管能夠響應(yīng)光源即可。有部分品牌的手機(jī)已經(jīng)裝備有光體積描記組件，光源使用的就是攝像頭下的閃光燈。閃光燈雖然波長成份復(fù)雜，但是只要光強(qiáng)足夠，固定波長的光電二極管就可以響應(yīng)到。

4 運(yùn)動偽影及其他干擾

光學(xué)儀器屬于精密儀器，光體積描記術(shù)雖然原理簡單，但如果被測試物有細(xì)微的變化也會被儀器捕捉到進(jìn)而影響測量結(jié)果。就光電容積脈搏波來說，待測試者的身體運(yùn)動會明顯影響波形的質(zhì)量。這是由于身體在運(yùn)動時(shí)（或者說手指在運(yùn)動時(shí)），人體組織受到加速度影響會發(fā)生形變，密度分布也會發(fā)生變化，甚至血管的形狀也會改變。在這種情況下，非正常的圖形就會出現(xiàn)。如圖10和11所示，這是筆者在使用實(shí)驗(yàn)室的原型機(jī)在一家美容院對一些顧客測量時(shí)獲得的圖像，可以看到圖10是正常圖像，而圖11有很強(qiáng)烈的干擾。這是由于在獲取圖11時(shí)筆者的手在刻意抖動。

圖10 正常圖像Fig.10 Normal image

圖11 受運(yùn)動偽影影響的圖像Fig.11 Image with motion artefacts

由于運(yùn)動偽影形成原因復(fù)雜，如咳嗽、說話、輕微抖動都會造成偽影，完全隨機(jī)沒有規(guī)律可循，與一般的電磁干擾相比沒有很好的方法屏蔽，目前大多通過后期信號處理和修正來改善。可以將信號作為非平穩(wěn)時(shí)間序列來處理。關(guān)于非平穩(wěn)時(shí)間序列的處理方法有很多種，如利用小波分析，選擇較為平滑的濾波器組將時(shí)間序列的隨機(jī)項(xiàng)、周期項(xiàng)及趨勢項(xiàng)分離[22-23]，隨機(jī)項(xiàng)即為運(yùn)動偽影和其他干擾，周期項(xiàng)為光體積描記圖，趨勢項(xiàng)為呼吸信號。利用獨(dú)立元素分析法對信號用概率的方法進(jìn)行分析，也可以適當(dāng)削弱運(yùn)動偽影[24]。此外，通過自適應(yīng)濾波器[25-26]及自動增益控制[7]也可以對運(yùn)動偽影進(jìn)行一定程度上的修正。

如果需要實(shí)時(shí)消除運(yùn)動偽影，較常見的方法是加裝加速度計(jì)，在使用儀器時(shí)，裝在三個軸上的三個加速度計(jì)可以測得被測區(qū)域的運(yùn)動情況，借此來對圖像進(jìn)行修正，一般可以取得較好地效果[27-28]。

由于光體積描記儀器也是電子儀器，因此環(huán)境中的電磁波和外界光會對儀器采集的數(shù)據(jù)造成影響。對此可以通過濾波器來解決電路內(nèi)電磁干擾，通過修改新的探頭樣式和材料來屏蔽外界光。

圖12是筆者和導(dǎo)師一起設(shè)計(jì)的探頭[29]。探頭是圓形，和手指接觸部分扁平，可以更好的和手指貼合。在這種情況下自然光不容易透進(jìn)光電二極管，而且由于材料上選用金屬，可以在一定程度上屏蔽外界電磁波。

圖12 圓形內(nèi)嵌式探頭Fig.12 circular embedded sensor

5 臨床應(yīng)用

血氧飽和度 脈搏血氧飽和度是過去幾十年臨床檢測技術(shù)進(jìn)步的一個標(biāo)志，在手術(shù)過程中血氧飽和度是一項(xiàng)重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過光體積描記術(shù)，可以獲得動脈的血氧飽和度及心率[30]。在紅光和近紅外波長范圍內(nèi)，血紅蛋白和氧和血紅蛋白對光的吸收率差異明顯，根據(jù)光體積描記波形的振幅比和低頻分量（Dc）的幅度大小，可以計(jì)算出血氧飽和度。在實(shí)際使用中，由于動脈血體積隨心臟跳動而變化（高頻分量ac），會對最終結(jié)果產(chǎn)生影響，因此在實(shí)際使用中還需要進(jìn)行修正[31]。此外，如果血氧飽和度本身非常低，監(jiān)測的精確度也不會高，這是因?yàn)檠躏柡投鹊南嚓P(guān)信息會被淹沒在低頻分量（Dc）和動脈血體積的變化中[32]。

心率 光體積描記的高頻分量（ac）提供了心臟跳動的相關(guān)信息（脈搏），一般這些信息和血氧飽和度是混合在一起的。心率主要是從接收到的波形上獲取的，比如通過數(shù)字濾波和過零檢測可以分離心率和呼吸信息[33]。有超過8 h的臨床試驗(yàn)指出[34]，光體積描記和心電檢測儀器同時(shí)使用可以獲得高質(zhì)量的心電圖，在測試中有6%的時(shí)間用來調(diào)整光體積描記儀器，其測到的心率有2%是錯誤的。

血壓 動脈血壓也是臨床監(jiān)測中一個很重要的參數(shù)，光體積描記術(shù)提供了一種非侵入性的方法來對血壓進(jìn)行測量。最早期的血壓測量是使用一個內(nèi)部帶有光體積描記傳感器的充氣指套對手指動脈壓進(jìn)行測量[35]，主要應(yīng)用在麻醉監(jiān)測和自主神經(jīng)監(jiān)測中。同時(shí)使用心電圖和光體積描記術(shù)來檢測血壓的方法也有研究[36]，通過對PTT時(shí)間(圖7)的記錄來間接得出血壓。將PTT的高頻信息和收縮壓中的低頻信息混合，所預(yù)測出的收縮壓變化和實(shí)際檢測的收縮壓變化相差在10%以內(nèi)[37]。

呼吸 前文提到光體積描記圖的趨勢信息與呼吸有關(guān)，有關(guān)呼吸的信息在低頻分量（Dc）中，這是因?yàn)楹粑鼤绊懩┥已h(huán)。低頻呼吸所導(dǎo)致的光體積描記信號的強(qiáng)度變化也有記錄[38]。一般認(rèn)為產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是呼吸會使胸內(nèi)壓力變化進(jìn)而影響到靜脈血的回流，但這一說法沒有得到驗(yàn)證。

6 總結(jié)

光體積描記術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，如血管硬化、血氧飽和度、血壓、心律不齊、血液成份測定等，但并沒有在臨床上大規(guī)模使用。今后對光體積描記術(shù)的研究方向在工程上將是降低或消除運(yùn)動偽影以便大規(guī)模進(jìn)行臨床應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)上將是擴(kuò)展應(yīng)用（如在非接觸方面）及提出新的使用方法。

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The Principle and Application of Photoplethysmography

【 Writers 】ZHANG Tianmiao1, YURAN.I. Sergey2
1 Faculty of Instrumentation, Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, 426069, Russian Federation
2 Faculty of Math and Natural Science, Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, 426069, Russian Federation

photoplethysmography, ECG, pulse wave

R318；TN911.23

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.03.009

1671-7104(2016)03-0186-06

2016-02-29

張?zhí)祉担琫-mail: ztm1212121@gmail.com

【 Abstract 】Photoplethysmography is a simple technology with low-cost. It can be used to detect blood volume changes in the microvascular. Because the photoplethysmographic devices, which are produced by this technology, are portable and noninvasive, and the data which is received consists of many physiological information of human body, this technology can give great convenience to clinical diagnostic and personal daily health monitoring. This is why it has very broad application prospects. Photoplethysmogram usually consists of an AC component which depends on the blood volume changes in cardiac system, and a DC component which is decided by respiration, tissue, inherent components of blood. Although the origin of the photoplethysmographic signal are being researched still, we can get many valuable information of cardiac system.