脈搏血氧儀是一種光電容積描記（PPG）傳感器，是一種電子設備，可以測量人的血氧飽和度（SpO2）和心率（HR）水平。自1930年代問世以來，這些傳感器已在許多應用中找到了應用，例如手術，麻醉后護理單元，新生兒護理和新生兒ICU，急診護理以及呼吸病人監護。最近，這些傳感器被用于可穿戴的健康和健身應用中。

PPG傳感器是一種對器官（包括動脈）進行體積測量的儀器。這些傳感器產生光學獲得的體積描記圖。市場上的產品使用專用的高性能模擬前端（AFE），這些前端驅動LED并檢測反射的光信號。產生的原始信號可以通過多種方式處理，以產生各種有用的結果，例如：

• 脈搏血氧飽和度（SpO2）水平
• HR和HR變異性（HRV）級別
• 收縮/舒張期血容量行為
• 周圍灌注指數（PPI或PI）
• 厚度變化指數（PVI）

本文介紹此列表中前兩個應用程序的信號處理和校準的詳細信息：SpO2和HR。如果您熟悉SpO2的基礎知識，請跳過本節，繼續進行反射性脈搏血氧飽和度測定。

SpO2基本原理
脈搏血氧儀，也稱為脈搏血氧傳感器或監護儀，可無創地估算動脈血氧飽和度（Sa O2）。動脈血氧飽和度水平可提供有關患者呼吸功能的信息，其中一系列器官負責吸收氧氣并排出二氧化碳。肺是與此功能相關的主要器官，它在我們呼吸時實現氣體交換。其他涉及的器官包括靜脈和動脈，它們分別是氧氣和二氧化碳進入細胞或從細胞傳出的途徑[1,2]。

傳統上，SaO2的測量是使用體外血氣分析儀進行的。這不僅耗時，而且還需要適當的醫學實驗室。另一方面，Pulse ox提供了一種技術，可以以一種快速且無創的方式以合理的準確度（即，醫療級儀器為2％）估算SaO2[1,2]。

SpO2代表外周毛細血管血氧飽和度。盡管從技術上講毛細管不被認為是器官，但血流卻來自動脈（由兩種或多種組織類型組成的器官）。通過脈沖ox，將功能性SpO2測量為含氧血紅蛋白（含氧的血紅蛋白，HbO2）與總血紅蛋白（含氧和非含氧血紅蛋白，HbO2+ Hb）之比。非氧化血紅蛋白也稱為還原血紅蛋白。公式如下：

氧飽和度是指血紅蛋白分子對氧分子具有高親和力的事實。如此之多，以至于血紅蛋白分子中的所有四個鐵位點通常會與氧分子結合。存在最大數量的氧分子鍵的這種狀態稱為氧飽和度。血紅蛋白分子特征性地具有兩種狀態：零個氧分子（非氧合血紅蛋白，Hb）或四個氧分子（氧合血紅蛋白，HbO2）。下面的圖1顯示了血紅蛋白分子的圖，并傳達了氧通常如何在四個結合位點結合。

圖1在血紅蛋白分子中，氧通常會在四個結合位點結合。

盡管SpO2通常被稱為血液的“氧飽和度水平”，但該術語在解釋上可能會產生誤導。SpO2或SpO2實際上是肺功能的量度。也就是說，血紅蛋白分子在肺部時與氧分子的結合程度。SpO2水平通常以百分比表示。下表1顯示了典型的脈沖ox范圍。請注意，低氧血癥是動脈血缺氧的疾病。低氧血癥可引起缺氧，這是身體器官和組織缺氧的狀況。

表1SpO2級別

反射式脈搏血氧飽和度儀市場上
可買到的光學設備系列由AFE和集成模塊組成，這些模塊采用反射技術來測量脈搏ox和/或HR信號。為此，需要兩個用于脈沖ox的固定波長光源（紅色和紅外）和/或用于手腕HR和一個光電探測器的一個固定波長的光源（綠色）。圖2說明了一個光學系統的示例，該光學系統具有兩個LED（即固定波長光源）和一個光電二極管（即光電檢測器），其后是用于將信號數字化的高性能ADC。

圖2反射式脈搏血氧飽和度測定法使用的光學系統帶有兩個LED，一個光電二極管和一個高性能ADC。

注意：“ NO INK”標記表示光學透明的區域，用于將組織反射的光隔離到光電二極管（PD），同時減少環境光。在實際應用中，LED和PD之間通常有一個光學墻，以減少串擾，從而進一步隔離反射光。

雖然血液中包含各種類型的血紅蛋白化合物，但我們假設氧化和脫氧的血紅蛋白是SpO2計算的重要因素。在反射脈沖牛中，LED照亮皮膚組織，并且反射信號被光電二極管檢測到。該反射信號包含被動脈/毛細血管的體積變化光學調制的光。PPG信號在確定HR和SpO2水平時非常重要。PPG信號具有直流成分和交流成分（圖3）。

圖3PPG信號由直流和交流分量組成。

直流分量歸因于非搏動組織，靜脈毛細血管和動脈血的光吸收。[1]另一方面，AC成分是由于動脈血的搏動性所致。因為動脈與心臟直接相連，所以動脈血會隨著心臟的搏動而搏動。瞬時心率可以通過測量連續收縮峰之間的時間來計算。僅使用一個LED（例如紅色或綠色）即可測量HR，因為交流分量是唯一需要的信號。

SpO2測量使用兩個不同波長的LED來確定氧合血紅蛋白與氧合血紅蛋白的比率。紅色和IR LED通常用于確定單獨的PPG信號。圖4顯示了血紅蛋白的消光圖，該圖揭示了不同波長下光的相對組織吸收率。

圖4該血紅蛋白的消光圖顯示了HbO2和Hb的摩爾吸收系數。

當固定波長的光照射在皮膚組織上時，反射信號將包含靜態信號（隨時間變化），搏動信號（隨時間變化）和一些噪聲。圖5顯示了兩個波長脈動信號的典型體積描記圖。

圖5典型的紅色和IR PPG信號。

由于兩個LED的DC分量和AC分量具有不同的幅度，因此必須對其進行歸一化以進行有用的比較。對于此比較，比值[R被確定，其正比于血氧飽和度2。

R的以下方程式（也稱為“比率之比”）為：

注意：第二個因素將紅色和紅外AC信號的比率歸一化。

一旦找到R的值，就可以使用曲線近似或查找表來估計SpO2。

PPG信號
的信號處理來自脈沖ox和HR傳感器IC的數字化輸出信號代表原始PPG信號。以這種方式進行有意設計，可以對數據進行外部信號處理，以分離出相關的醫學信息，例如收縮/舒張血容量行為，呼吸行為，外周血流灌注指數（PPI），體積變異性指數（PVI），血氧（SpO2水平，心率（HR）和心率變異性（HRV）水平等。如前所述，本文的重點是血氧定量數據的信號處理，以得出外周毛細血管血氧飽和度和心率測量值。

圖6提供了原始PPG信號的信號處理示例，可得出SpO2和HR測量值。這個例子不是唯一的，您可以定制為增強信號信息而定制的步驟順序。通常，您要最大化信噪比。請注意，我們還沒有解決運動偽影剔除（由于運動效應而導致數據損壞）的問題。本節僅介紹確定HR和SpO2級別所需的信號處理，而不會產生明顯的運動偽影。接下來的幾節將介紹圖6中概述的功能組件。

圖6信號處理提取了SpO2和HR測量值。

低通濾波器操作
第一個低通濾波器（LPF）模塊可提供高頻噪聲抑制功能。這也包括高頻運動效果。圖7顯示了典型的PPG波形。由于其復雜的性質（即非正弦曲線），在選擇合適的LPF時必須小心。如果選擇了具有陡峭過渡的LPF，則由于色散（組成復雜波形的諧波分量的不相等延遲），PPG波形可能會失真。在許多情況下，采用恒定或近似恒定群延遲數字濾波器（又稱線性相位濾波器）。貝塞爾（Bessel），等波紋線性相位和/或過渡數字濾波器是也可以在此處使用的濾波器類型。

圖7典型的PPG信號具有峰值和谷值。

一些系統將結合LPF操作使用平滑濾波器（例如，移動平均濾波器，數字濾波器，Savitzky-Golay濾波器等）。在需要識別數據趨勢和抑制噪聲的地方，采用了平滑濾波器。平滑濾波器的另一個特征是色散最小。這有助于提高數據精度，而不會扭曲信號趨勢。

峰值/谷值檢測
峰值/谷值檢測操作不僅提供基本的脈沖時序（即HR信息），而且還提供計算SpO2級別所需的未補償的DC和AC級別。

圖7示出了典型的原始PPG數據信號。當系統相對穩定時，峰值/谷值檢測非常簡單。就是說，不是太吵，沒有運動偽影，并且沒有足夠的用戶灌注。現在，我們將專注于檢測波形的峰值和谷值所需的基本操作。

一種檢測信號峰值的技術是對數據信號進行微分。峰值與導數等于零的點相關。在圖7中，這些零交叉點用紅色圈出。

不幸的是，PPG信號很復雜，具有多個導數等于零的點。在存在噪聲的情況下，這甚至更具挑戰性。幸運的是，感興趣的導數零交叉點始終位于導數波形峰值之后。避免進行另一次導數運算（即，獲得第二階導數以確定一階導數中的最小/最大點），可以應用簡單的電平檢測運算來確定峰的負斜率側，從而確定下一個零位。與PPG峰相關的交叉點。

通過找到連續的零交叉之間的時間，您可以測量脈沖頻率R'-R'（又稱HR）。將其與ECG RR脈搏率區分開來稱為R'-R'。盡管R'-R'具有與之相關的血容量傳輸延遲，但其值是HR的正確度量。

圖8顯示了用于檢測PPG信號峰值和谷值的基本流程圖示例。子例程末尾的一些操作是SpO2確定的準備操作。

圖8用于檢測峰值和谷值的子例程流程圖示例。

平滑導數數據
為了成功地將微分應用到光信號處理中，必須將微分與平滑結合使用，以優化信噪比（SNR）。進行足夠的平滑處理后，平滑后的導數的SNR會好于未平滑原始信號的SNR。

從理論上講，無論在何處執行平滑操作（在導數函數之前或之后）都無關緊要，應牢記信號的動態范圍。在某些情況下，未平滑的差分信號可能會超出允許的“凈空”，從而導致信號失真。選擇平滑濾波器的主要設計注意事項包括：

• 平滑類型
• 平滑率（平滑寬度與原始峰的寬度之比），以及
• 執行平滑操作的次數[3]。

當信號被微分時，該信號中的噪聲也被微分。如果信號噪聲主要為“白色”，則在導數信號中它將變為“藍色”。在有限的頻率范圍內，隨著頻率的增加，藍噪聲功率密度以每倍頻程3dB的速率增加。因此，平滑濾波器將減少藍噪聲功率，從而與原始信號相比，會增加導數信號的SNR [3]。

在設計使用平滑的算法時要格外小心。例如，一種用于檢測和測量信號峰值的流行技術是在平滑的一階導數中定位向下的零交叉點。平滑操作僅應用于導數以找到信號峰值的位置。每個峰的位置，高度和寬度由零交叉點附近的原始原始數據段的最小二乘曲線擬合確定。因此，即使需要進行大的平滑以可靠地識別噪聲尖峰，通過曲線擬合提取的峰值參數也不會失真。

由于Savitzky-Golay濾波器[3,4]可以同時執行微分和平滑處理，因此它是考慮的絕佳候選者。平滑有助于減少導數中的噪聲，從而產生更可靠的過零檢測（即時間戳）。這可能是系統鏈中最困難的處理任務：區分噪聲信號以準確確定PPG信號的峰值和谷值位置。訓練有素的DSP工程師應該能夠為他/她的應用程序開發最佳的系統設計，該設計可以實現以下處理任務：

• LPF可以減少較高頻率的噪聲（包括運動偽影）。
• 平滑濾波器有助于峰值/谷值檢測過程。
• 差異化因素。

有多種類型的平滑濾波器可供選擇。以下是一小部分平滑濾波器，供潛在考慮[5]：

• 矩形平滑或未加權的滑動平均平滑
• 加權滑動平均平滑度（例如，三角形，指數等）
• 卡爾曼濾波器
• Savitzky-Golay平滑濾波器
• 平滑樣條

由于各種平滑濾波器實現之間需要權衡取舍，因此您應該研究多種平滑濾波器設計，以確定給定應用的最佳解決方案。

AC / DC估計器圖9中
的峰值通過相關的時間導數零交叉點突出顯示。該算法接下來將找到谷值（即谷值）。

圖9這些圖顯示了PPG信號的交流和直流電平的估計。

需要了解峰值和谷值位置處的信號幅度，以便按以下方式估算AC和DC信號值：

AC紅色= ADC（紅色）Cnts @峰值– ADC（紅色）Cnts @谷值
AC紅外= ADC（紅外）Cnts @峰值– ADC（紅外）Cnts @谷值
DC紅色=（ADC（紅色）Cnts @峰值+ ADC（紅色）Cnts @谷底）/ 2
DC紅外=（ADC（紅外）Cnts @峰值+ ADC（紅外）Cnts @谷底）/ 2

此處顯示的DC估計值基于峰值和谷值的平均值。這提供了一些額外的濾波（即平均），可以幫助解決低頻（運動）偽影和帶內噪聲。單獨的峰值/谷值也可以用作DC估計值，但是它更容易受到瞬時噪聲的影響。

在可穿戴應用中使用反射式PPG傳感器時，通常會觀察到低頻（運動）偽影，有時稱為基線漂移。它顯示為PPG信號趨勢或漂移。它可以具有正斜率，負斜率或根本沒有斜率。

“ R”計算
下一步是純粹的計算。例如，我們將使用以下PPG峰值和谷值：

ADC（紅色）Cnts @峰= 81533
ADC（紅色）Cnts @谷= 81427
ADC（紅外）Cnts @峰= 94383
ADC（紅外）Cnts @谷= 94078

計算AC / DC估計產量：

AC紅色= 81533 – 81427 = 106
AC紅外= 94383 – 94067 = 305
DC紅色=（81533 + 81427）/ 2 = 81480
DC紅外=（94383 + 94067）/ 2 = 94225

然后使用“比率比率”公式計算R，如下所示：

SpO2傳感器校準

為了獲得SaO2估算值（即SpO2傳感器測量值），必須建立R和SaO2之間的關系。這涉及通過以下方法之一對SpO2傳感器進行校準：

• 醫學實驗室中的經驗數據收集
• 內標校準
• 免校準脈沖牛

對于高精度（2％）傳感器系統（例如，醫療級脈沖牛），美國食品藥品監督管理局（FDA）為SpO2傳感器系統的測試，數據收集和后續校準建立了標準[6] 。這些標準包括以下內容：

ISO 80601-2-61：2017 –醫用電氣設備—第2-61部分：脈搏血氧儀設備的基本安全性和基本性能的特殊要求。

脈搏血氧儀–上市前通知提交[510（k）s]工業和食品藥品監督管理局工作人員指南

請注意，FDA要求整個系統（不僅是傳感器）都要完成SpO2性能分析。因此，每位客戶必須在最終產品中使用所用傳感器產品前面的光學屏蔽來驗證FDA級SpO2測量性能。有關更多校準的詳細信息，請參考使用Maxim MAX32664傳感器集線器進行SpO2測量的指南應用說明。

使用內標進行校準涉及對已知設備的擁有，維護和定期校準。在收集SpO2校準數據時，該已知單元應用作控制單元。請注意，由于缺乏環境氧氣水平控制，因此涉及的患者數據范圍非常有限。需要醫學實驗室來控制和監視低于正常水平的環境氧氣水平，以及受試者的健康和安全。

免校準脈沖ox基于理論上得出的SpO2/R數據。有許多文件可以解決這種方法。由于該技術伴隨著較大的錯誤，因此被用于非臨床應用。

下面的圖10顯示了SpO2/R經驗數據的示例。顯示了兩個數據擬合以供參考：1）最佳擬合直線（BFSL）和2）二階多項式擬合，均使用最小二乘回歸法得出。注意，當R<0.4時，SpO?2估計值實質上為100％。

圖10經驗SpO2/R）數據示例。

取決于給定應用的可接受誤差水平，與數據擬合方法（例如曲線擬合，分段曲??線，樣條擬合等）相反，可能需要數據表查找技術。

SpO2估計器（即SpO2測量）
確定R后，可以使用曲線近似或查找表確定SpO2估計。以下是使用圖10中的二階多項式逼近確定脈沖ox測量的示例：

這樣就完成了圖6中概述的信號處理。如前所述，這只是可以實現的眾多信號處理算法之一。

SpO2傳感器錯誤源
在得出結論之前，用戶應意識到可能損壞HR和脈搏氧信號的潛在錯誤源。根據應用程序的不同，可能需要各種設計技術來減輕下列錯誤源的數量：

• 生物學因素：CO-Hb和MET-Hb
• 低頻電噪聲（白噪聲和閃爍噪聲，50 / 60Hz電源線噪聲，附近組件的系統噪聲和不良的布局技術等）
• 低頻光學噪聲（熒光燈，柵欄效果導致陰影/光事件等）
• 呼吸（與SpO2和HR信號具有幾乎相同的周期性運動）
• 傳感器位移
• 運動偽影

灌注（環境溫度低；黑色素等生理差異；等）

反射式PPG傳感器系統中的運動偽像是一個特別難于減小的誤差源。外殼和光學組件系統設計加劇了這兩種情況，這兩種設計都針對特定的可穿戴身體位置。通常可以通過使用光學仿真工具和基準評估來減少這種情況。加速度計可與HR / SpO2傳感器設備一起使用，以監視和檢測運動，使用戶能夠確定運動事件的必要條件（數據平滑，丟棄損壞的數據等）。

本文研究了脈沖氧和心率監測系統的信號處理和校準要求。通過使用強大的信號處理算法并減輕噪聲源，光學傳感解決方案可以提供將原始信號轉化為有用的健康狀況所需的性能。

馬克·史密斯（Marc Smith）是Maxim Integrated的前雇員。有關本文的問題或意見，可以直接聯系Steve Koh ，。

參考

Wukitsch，MW，Petterson，MMT，Tobler，DR，和Pologe，JA（1988）。脈搏血氧飽和度：理論，技術和實踐分析。臨床監測雜志，4（4），290-301。

Nitzan，M.，Romem，A.，Koppel，R.，（2014）。脈搏血氧飽和度：基本原理和技術更新。德芙醫學出版社有限公司。醫療設備：證據和研究。脈搏血氧飽和度測定法的準確性，第4頁。

O'Haver，T。，（2014年）。信號處理的語用簡介及其在化學分析中的應用。

羅納德·W·謝弗（Shafer），“什么是Savitzky-Golay濾波器？” IEEE信號處理雜志。2011年7月。

MathWorks。過濾和平滑數據

Maxim集成應用筆記AN6845：使用Maxim MAX32664傳感器集線器進行SpO2測量的指南

編輯：hfy