基于無(wú)線技術(shù)的醫(yī)用血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

金 鑫, 龔純貴, 鄭 剛

(1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院, 上海 200093;2.上海東方肝膽外科醫(yī)院 儀器科, 上海 200438)

引 言

血氧飽和度指數(shù)是測(cè)量人體氧合血紅蛋白數(shù)量的核心指標(biāo),也是衡量人體是否缺氧的主要依據(jù)之一,其測(cè)量結(jié)果對(duì)于醫(yī)生術(shù)中的指導(dǎo)、術(shù)后的監(jiān)護(hù)及病人后續(xù)的康復(fù)具有十分重要的意義。特別是對(duì)于外科,血氧飽和度指數(shù)是病人入院后每日必測(cè)的項(xiàng)目之一。目前醫(yī)院在用的均為單機(jī)式血氧飽和度儀,國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究均朝著單機(jī)集成化生命體征測(cè)量的方向發(fā)展,而對(duì)于無(wú)線醫(yī)用血氧監(jiān)測(cè)的研究則較少。無(wú)線醫(yī)用血氧監(jiān)測(cè)的研究不僅可以使血氧監(jiān)測(cè)得到進(jìn)一步的普及,輔助臨床診療工作,而且還可以形成血氧數(shù)據(jù)庫(kù)為臨床學(xué)術(shù)研究提供基礎(chǔ)資料,所以無(wú)線醫(yī)用血氧監(jiān)測(cè)具有很高的研究?jī)r(jià)值。

1 血氧飽和度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

1.1 傳統(tǒng)血氧飽和度儀

傳統(tǒng)血氧飽和度儀主要分為血氧探頭及血氧飽和度主機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“血氧模塊”)兩部分。

(1) 血氧探頭的核心部件是由一組發(fā)光二極管(660 nm的可見(jiàn)紅光及940 nm的不可見(jiàn)紅外光)及一組光敏傳感器構(gòu)成[1]。利用人體氧合血紅蛋白及非氧合血紅蛋白對(duì)兩種光的吸收反差的特異性,由光敏傳感器感知并將差值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

(2) 血氧模塊的核心部件是內(nèi)部的電信號(hào)過(guò)濾器及數(shù)字轉(zhuǎn)換器[2]。由于人體內(nèi)部較為復(fù)雜,往往血氧探頭采集的電信號(hào)中會(huì)含有許多的雜質(zhì)及無(wú)用信號(hào),所以采用電信號(hào)過(guò)濾器并利用某些算法對(duì)電信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾及去雜。

圖1 傳統(tǒng)血氧飽和度儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of traditional SpO2 instrument

圖2 血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of SpO2 monitoring system

傳統(tǒng)血氧飽和度儀由于其物理設(shè)計(jì)及制造成本等原因,存在著諸多的不足,不利于醫(yī)院臨床的使用,主要有以下幾點(diǎn):

(1) 傳統(tǒng)血氧飽和度儀的物理連接形式為有線式,即血氧探頭與血氧模塊之間的連接依賴(lài)于一根數(shù)據(jù)傳輸線,且數(shù)據(jù)傳輸線的長(zhǎng)度較短。

(2) 傳統(tǒng)血氧飽和度儀由于需要考慮其便攜的特點(diǎn),血氧模塊的體積受到了極大的限制[3]。

(3) 血氧飽和度指數(shù)作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的生命體征,需要進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。但目前醫(yī)院無(wú)法做到普及,對(duì)臨床的醫(yī)療工作開(kāi)展造成了較大的阻力[4]。

(4) 傳統(tǒng)血氧飽和度儀的血氧探頭與血氧模塊為“一對(duì)一”的模式,在無(wú)形中造成了極大的浪費(fèi)[5]。

(5) 在長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)過(guò)程中,醫(yī)護(hù)人員可能會(huì)離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng),導(dǎo)致一些緊急情況無(wú)法及時(shí)處理,可能會(huì)錯(cuò)過(guò)最佳搶救或治療時(shí)間。

針對(duì)以上傳統(tǒng)血氧飽和度儀的各種缺陷,血氧飽和度信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng))能夠利用科學(xué)合理的辦法,通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)血氧飽和度儀進(jìn)行改造與創(chuàng)新,能夠較好地解決以上問(wèn)題[6]。

1.2 血氧飽和度信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的血氧飽和度儀基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行了改造擴(kuò)充了其功能。主要由可聯(lián)網(wǎng)的血氧探頭、系統(tǒng)主機(jī)、系統(tǒng)監(jiān)視器及可推送至手機(jī)的APP等[7]組成,如圖2所示。

2 技術(shù)改進(jìn)

2.1 采用無(wú)線技術(shù)

無(wú)線技術(shù)是將多個(gè)末端設(shè)備通過(guò)無(wú)線(包括長(zhǎng)距離或短距離)在多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下采用適當(dāng)?shù)陌踩珯C(jī)制進(jìn)行管理、控制、運(yùn)營(yíng)等。基于此理念,在不改變傳統(tǒng)血氧監(jiān)測(cè)方式的基礎(chǔ)上,利用無(wú)線技術(shù)將多個(gè)血氧探頭與血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)互聯(lián),以達(dá)到監(jiān)測(cè)血氧指數(shù)和及時(shí)介入病人治療的目的[8]。其主要改進(jìn)包括:① 硬件,在傳統(tǒng)血氧探頭上增加無(wú)線信號(hào)傳輸裝置,以一臺(tái)血氧信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)代替所有血氧模塊[9]。② 軟件,以血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件對(duì)多個(gè)血氧探頭的信號(hào)進(jìn)行分析,取代傳統(tǒng)單機(jī)分析的情況。③ 整體結(jié)構(gòu),通過(guò)無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)“一對(duì)多”的血氧信號(hào)分析管理模式[10]。④ 無(wú)線連接方式,由于我國(guó)醫(yī)院病房區(qū)域與護(hù)理站距離較近,所以血氧探頭與血氧信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)之間的通信采用目前主流的802.11ac。⑤ 傳輸速度,理論上每個(gè)血氧探頭的傳輸速度可達(dá)到1.3 Gbit/s,受到各種客觀條件限制,實(shí)際傳輸速度要低于理論速度,但血氧信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸要求較低,所以不受任何影響。⑥ 最大連接承載力,血氧信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)理論上可聯(lián)接無(wú)限個(gè)血氧探頭,但為了保證目前測(cè)試樣品的正常運(yùn)轉(zhuǎn),設(shè)計(jì)為最多可連接99個(gè)血氧探頭[11]。根據(jù)我國(guó)醫(yī)院與醫(yī)療機(jī)構(gòu)的配置標(biāo)準(zhǔn),一般病房的床位數(shù)為20～50個(gè)左右,所以目前的血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)完全可以滿足臨床需求。

2.2 采用傅里葉算法的血氧信號(hào)過(guò)濾與分析

血氧信號(hào)的算法是整個(gè)血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心,它直接決定了系統(tǒng)的性能、準(zhǔn)確性、監(jiān)測(cè)速度等重要指標(biāo)。經(jīng)多次試驗(yàn)與比較,傅里葉變換算法是最適合血氧信號(hào)過(guò)濾與分析的算法之一[12]。利用傅里葉變換原理將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào),其表達(dá)式為

(1)

式中ω為頻率。

由光敏二極管轉(zhuǎn)換并輸出帶有較多干擾與雜質(zhì)的原始電信號(hào),如圖3所示。

圖3 原始信號(hào)時(shí)域示意圖Fig.3 Time domain of original signal

將原始電信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換,由原來(lái)的時(shí)域變換為頻域,變換后的頻域圖像如圖4所示。從轉(zhuǎn)換后的頻域圖像可以清晰地區(qū)分有效值與無(wú)效值(干擾波及雜質(zhì)),圖中0頻與左右兩個(gè)波峰達(dá)到0.5的為有效值,其余均為干擾波與雜質(zhì)[13]。在頻域圖像中區(qū)分出有效值與無(wú)效值后,可以設(shè)置分段函數(shù)對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行濾波,保留有效值,去除無(wú)效值。具體方程表達(dá)式如下:

(2)

式中:ω0為濾波器中心頻率;d為濾波器半窗寬。

經(jīng)提取有效值后,得到有效信號(hào)頻域圖像如圖5所示。

圖4 原始信號(hào)頻域示意圖Fig.4 Frequency domain of original signal

圖5 有效信號(hào)頻域示意圖Fig.5 Frequency domain of effective signal

此時(shí)可將過(guò)濾后的頻域信號(hào)直接作為有效血氧信號(hào)。為了證明傅里葉變換算法的有效性,也可以將頻域信號(hào)通過(guò)傅里葉逆變換為時(shí)域信號(hào)[14]。傅里葉逆變換表達(dá)式如下:

(3)

與血氧探頭輸出的原始電信號(hào)相比,經(jīng)過(guò)處理后的電信號(hào)圖像改善明顯,能夠有效提高血氧監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性[15]。

2.3 血氧數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析與推送

血氧信息系統(tǒng)具有存儲(chǔ)容量大、穩(wěn)定度高的特點(diǎn)。當(dāng)血氧信號(hào)完成過(guò)濾后,由系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算、轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)。此時(shí)信息系統(tǒng)軟件自動(dòng)讀取連續(xù)的血氧指數(shù)并形成各種類(lèi)型的趨勢(shì)圖等輔助醫(yī)護(hù)人員診斷的信息。

3 血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試與分析

血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成初步設(shè)計(jì)之后,對(duì)樣品進(jìn)行了測(cè)試與分析。使用美國(guó)福祿克公司生產(chǎn)的Index 2型血氧檢測(cè)儀作為標(biāo)準(zhǔn)器,該設(shè)備上的兩組發(fā)光二極管是人為可調(diào)的,可以通過(guò)自由調(diào)整兩組發(fā)光二極管所發(fā)射光束的強(qiáng)度來(lái)模擬實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中光敏二極管接收到的光束強(qiáng)度。

(1) 正常血氧數(shù)值檢測(cè):將血氧檢測(cè)儀調(diào)至人體正常血氧指數(shù),對(duì)傳統(tǒng)血氧飽和度儀與血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量性能進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知,兩者測(cè)量結(jié)果相同并與標(biāo)準(zhǔn)值一致;檢測(cè)耗時(shí)血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)血氧飽和度儀。

(2)非正常血氧數(shù)值檢測(cè):在連接兩種設(shè)備的血氧探頭后快速調(diào)低血氧指數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 正常血氧檢測(cè)對(duì)比Tab.1 Contrast in the normal SpO2 test

由表2可知,血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值一致,傳統(tǒng)血氧飽和度儀與標(biāo)準(zhǔn)值有2%的相對(duì)誤差;檢測(cè)耗時(shí)血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)血氧飽和度儀。

血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)耗時(shí)比傳統(tǒng)血氧飽和度儀更短,更利于臨床治療過(guò)程中的應(yīng)急處理。同時(shí),雖然傳統(tǒng)血氧飽和度儀2%的相對(duì)誤差在可允許誤差范圍內(nèi),但血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果更為精確。所以,血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比傳統(tǒng)血氧飽和度儀更適合在臨床應(yīng)用。

4 血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臨床試用與評(píng)價(jià)

得到醫(yī)院臨床認(rèn)可后,對(duì)3套血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行為期1個(gè)月的試用。在試用過(guò)程中有3個(gè)特殊案例(2例急救案例,1例其他設(shè)備故障案例,摘自臨床護(hù)理記錄)如下:

(1) 病人突發(fā)心衰導(dǎo)致血氧指數(shù)下降案例:中午12:43,21床病人由于突發(fā)心衰導(dǎo)致血氧指數(shù)下降,值班護(hù)士未能及時(shí)監(jiān)測(cè),引發(fā)智能終端(手機(jī))報(bào)警,后經(jīng)醫(yī)護(hù)人員及時(shí)搶救,病人脫離危險(xiǎn)。

(2) 病人壓迫手臂導(dǎo)致血氧指數(shù)下降案例:凌晨2:28,13床病人由于睡眠時(shí)壓迫手臂,血流灌注不正常導(dǎo)致血氧指數(shù)下降,值班護(hù)士未能及時(shí)監(jiān)測(cè),引發(fā)智能終端(手機(jī))報(bào)警,經(jīng)值班護(hù)士更正病人睡姿,血氧指數(shù)恢復(fù)正常。

(3) 輸液泵問(wèn)題導(dǎo)致血氧指數(shù)波動(dòng)案例:上午10:08,護(hù)士監(jiān)測(cè)到7床病人血氧指數(shù)有小幅波動(dòng)屬異常情況,后經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是由于輸液泵與輸液管路問(wèn)題導(dǎo)致輸注藥量誤差,影響病人血氧指數(shù)。

從臨床護(hù)理記錄中的3個(gè)案例來(lái)看,人體血氧指數(shù)具有突發(fā)性與不確定性的特點(diǎn),所以對(duì)病人應(yīng)進(jìn)行24 h的連續(xù)監(jiān)測(cè),這樣可以避免許多不必要的問(wèn)題,為安全醫(yī)療與精準(zhǔn)醫(yī)療提供有效保障。

5 結(jié) 論

綜上所述,血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有可無(wú)線連接、輕簡(jiǎn)便攜、易連續(xù)監(jiān)測(cè)、多點(diǎn)位合一、智能化報(bào)警等優(yōu)點(diǎn)。它的設(shè)計(jì)完全彌補(bǔ)了傳統(tǒng)血氧飽和度儀的主要缺點(diǎn),同時(shí)也符合現(xiàn)代化醫(yī)院的實(shí)際需求,是血氧監(jiān)測(cè)與無(wú)線技術(shù)的有效結(jié)合。它不僅包含了血氧監(jiān)測(cè)的領(lǐng)域,而且還將無(wú)線傳輸、大數(shù)據(jù)分析、信息處理與共享等多個(gè)方面融合,完全取代了傳統(tǒng)的血氧測(cè)量概念。同時(shí),血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠以較低的制造成本實(shí)現(xiàn),大大提高了該系統(tǒng)普及的可行性,希望在不久的將來(lái),血氧監(jiān)測(cè)能夠以信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方式真正在醫(yī)院得到普及。