文摘
根据脉搏血氧计的理论公式所表达的振幅之比(AC)和基线(DC)从photoplethysmographic获得两个波长的信号,吸收的光量的差异取决于黑色素指示的肤色取消了正常化的交流价值直流值每一个波长。因此,从理论上讲,肤色不影响血氧饱和度测量的准确性。然而,如果有直接路径的发光单元的光接收单元而不是通过人体,反射的光线通过皮肤表面的变化取决于皮肤的颜色。结果,根据不同肤色的串扰影响交流到直流的比率,导致错误的计算血氧饱和度值。我们相声传感器和crosstalk-free传感器和执行减饱和与呼吸气体控制实验对象与不同的皮肤颜色进行血氧饱和度测量60 - 100%不等。实验结果表明,测量误差的没有区别根据肤色的血氧饱和度传感器,避免串扰(亚洲主题−0.8824±2.2859,0.6741±3.2822白种人,和0.9669±2.2268为非裔美国人的主题)。然而,传感器,并没有阻止相声在深色皮肤主题显示一个大错误(亚洲主题0.8258±2.1603,0.8733±1.9716为白种人的主题,并为非裔美国人−3.0591±3.9925)。基于这些结果,我们重申传感器设计的重要性在使用reflectance-type脉搏血氧仪传感器的发展。
1。介绍
自日本的生物医学工程师,Takuo Aoyagi首次提出的想法用跳动的光测量动脉氧饱和度变化在1970年代,各种脉搏血氧仪的研究和发展在许多世界各地的大学和研究机构(1,2]。脉搏血氧仪,目前用于医疗设施在重症监护室患者监测,在手术室和麻醉科最常用的用手指夹类型传感器。这可以被视为一个transmittance-type传感器,因为测量血氧饱和度的发光部分身体的一侧,光接收部分是位于对面。由于这些形态学特征,transmittance-type传感器主要用于手指或脚趾。另一方面,自从reflectance-type传感器光发光部分和接收部分在同一平面上,它可以应用于不同的身体部位,一个代表性的例子是额头脉搏血氧计。Reflectance-type传感器没有在他们的历史短,开发多种形式,但是他们还没有广泛应用于实践相比,transmittance-type传感器的原因很多(3,4]。当transmittance-type传感器用于脉动的记录,它可以测量强烈十倍反射式传感器使用时(5]。此外,由于传感器固定在手指的剪辑,运动的可能性的外部光的传感器和入口的可能性很小,所以信号的质量来衡量更为普遍。另一方面,在reflectance-type传感器的情况下,如果胶的传感器是不固定的,运动传感器贴到皮肤上,导致噪音。然而,随着最近移动医疗设备吸引了注意力,有一个不断增长的需求使用reflectance-type脉搏血氧仪传感器(6]。移动医疗设备,现代reflectance-type脉搏血氧计导致光学传感器配置的变化。传统reflectance-type脉搏血氧仪传感器由两个或多个波长的led光电探测器,其间距为4毫米(7]。如图1(一),需要光学屏障以防止直接耦合之间的光发射部分和接收部分和应用形式之间的一个分区领导和光电探测器的光学传感器。通常情况下,发光二极管和光电探测器打包使用黑色橡胶材料和身体分离。发光二极管和光电探测器接触表面的传感器或涂上透明的环氧树脂。在这两种情况下,发光二极管和光电探测器,这是完全分离的,在与皮肤直接接触。因此,光子辐射的发光部分可以到达光接收部分只有通过人类的身体。近年来,光学传感器技术脉动测量已成为流行,和LED-photodetector对集成模拟前端,使其小型化和成为一个单独的组件。例如,马克西姆MAX30100包括光学传感器和测量模块在一个小尺寸为5.6×2.8×1.2毫米(8]。虽然传感器模块本身完全是物理隔绝光发射单元和接收单元,传感器模块之间的差距形成和设备模块安装在设备上。此外,在某些情况下,还有相声由盖草,图中描述1 (b)。结果,与传统的传感器不同,光子直接耦合的内部传感器或反映人体皮肤表面没有经过测量在一起的光接收部分脉搏血氧仪传感器。
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(b)
(c)
在这篇文章中,我们强调传感器设计的重要性,以防止相声当使用一个小模块化reflectance-type脉搏血氧仪传感器根据最近的趋势。具体来说,我们分析了影响光学串扰的reflectance-type脉搏血氧计根据主题的肤色通过理论和临床研究。首先,比尔-朗伯定律,脉搏血氧测量的理论背景进行了分析。然后,稀释测试执行,减少氧饱和度70%通过控制呼吸气体和氧饱和度测量结果比较使用传感器和无串扰预防。稀释测试是深圳大学委员会批准对人类进行研究和同意所有的科目。
2。理论公式
脉搏血氧计的原理可以解释为修改比尔-朗伯定律(2,9,10),检测到光强度,是入射光强度,摩尔吸光系数,是摩尔浓度,他们平均路径长度,是合适的因素占测量几何。记录变化的信号引起的跳动的心脏活动叫做photoplethysmogram (PPG)。如果我们假设光吸收材料是黑色素和其他血液或又有些皮肤保护方面的新组件,红色波长PPG信号的振幅(AC)可以表示为方程(2)。下标的和表示黑色素和血液是一个谱系的生色团在人类皮肤除了吗和 。此外,基线(DC)可以写成
交流到直流的比值反映了最大血容量的变化收缩时期(MBVSYS)。氧饱和度可以获得通过的比率MBVSYS以来红外红的HbO的红光吸收较少2比在Hb和红外线的情况恰恰相反。从(2)和(3),MBVSYS红色和红外波长分可以获得方程(4)和(5),分别为, , ,和 。最后,氧饱和度计算的比率可以派生并与氧饱和度的函数 。
如果有相声在脉搏血氧仪传感器像图1 (b),检测到的光强度 ,和ref MBVSYS PPG写成方程(6),下标表示相声。中描述(7),让比率的变化值,这样又引起血氧饱和度误差。
3所示。实验
我们将在图描述的传感器1 (b)传统的传感器和传感器图中描述1 (c)设计的传感器。光学传感器模块MAX30100(箴言集成产品公司,圣何塞,CA)是用于两个传感器(8]。它结合了两个发光二极管的典型波长880 nm和660 nm,光电探测器、光学、优化和16位法模拟-数字转换器。此外,它对环境光功能取消和调整数字滤波器拒绝权力干扰和环境噪音。为了控制MAX30100系统包括LED驱动电路,我们使用了皮质M4, STM32F401(美国意法半导体、达拉斯、TX),提供动态功耗的平衡和加工性能。唯一的区别是,设计传感器如图1 (c)雇了一个屏障结构物理上分离的领导和光电探测器在封面上玻璃。实验流程图如图2。两个稀释为每个传感器实验:(1)校准测试和(2)验证测试。对于每一个主题,每个实验,一系列的稀释进行如图3。每次运行开始在室内空气稳定时期,紧随其后的是稳定高原低饱和度各级60到100%之间。以下是价值目标:run1 - 92%, 87%, 82%, 77%,和72%,run2 - 93%, 88%, 83%, 78%, 73%。这些目标的目的是传播数据点均匀在所需的范围内。实现它们完全不重要。虽然是尽一切努力在2%。高原被定义为稳定生产的参考脉冲血氧计的读数时Nellcor血氧计(n - 550, Nellcor清教徒贝内特Inc .,而CA)没有改变超过1%,持续10秒。
对于每一个主题,这允许24稳定高原当初始室内空气饱和是(一系列的稀释:Run1-Run1和Run2-Run2)。因此,例如,240科目产生稳定的高原。减少血氧饱和度水平是由熟练的操作员在深圳大学,中国,通过调整air-nitrogen-CO灵感2混合物的圣2最终获得的响应预测的氧合血红蛋白解离曲线潮汐气体分析(11]。常识是黑色皮肤主题是已知一个手掌区域并不比身体的其他部位的皮肤颜色。但即便如此,最近的研究表明,他们有一个深点的颜色比亚洲和白人的手掌颜色(12]。在此基础上,我们测量了PPG信号串光的手指调查效果脉搏血氧计根据皮肤的颜色。在开始实验之前,我们附加传感器主体的食指,用胶带固定它,使它不动,因为在呼吸。在数据的测量,实验对象被放置在一个放松semisupine姿势的喉舌呼吸在椅子上大约30度倾斜。
3.1。校准测试
两个波长的吸光率的比率值()是对参考血氧饱和度测量的校准经验生产的n - 550脉搏血氧计Nellcor (Nellcor清教徒贝内特Inc .,而CA)的志愿者。与测量值的比率的血氧饱和度阅读脉搏血氧计,经验校准曲线推导了二阶多项式, 。的系数, , ,和测定曲线回归分析给出最适合参考为每个传感器类型。10个受试者招募为每个校准测试,其中3例非裔美国人与黑皮肤的颜色,和其他白人或亚洲。因此,总计240稳定高原为每个传感器类型是用于校准。
3.2。验证测试
在另一天,第二个实验进行评估的准确性通过氧饱和度值方程导出了校准测试。传统的传感器如图1 (b),共12个受试者招募和3主题与黑皮肤。这对白人或亚洲生产216稳定高原和72年稳定高原非裔美国人。同时,16人被招募为图中所示的传感器设计1 (c),4是黑色的皮肤主题(288稳定高原白人或亚洲和96年稳定高原为非裔美国人)。脉氧仪校准脉搏血氧仪的比较与参考测量(n - 550, Nellcor清教徒贝内特Inc .,而CA)报道的相关系数和均方误差。同时,Bland-Altman情节被用来评估测量值之间的差异。最后,偏差(引用热点2估计热点;2使用校准方程)精度±(标准差)的血氧计研究了根据不同的氧饱和度范围。
4所示。结果
数据4和5展示相关,Bland-Altman情节描述精度的结果中所示的传感器数据1 (b)和1 (c),分别。图中所示的传感器1 (b)传统相声(传感器)、氧饱和度估计误差是所有科目−0.2083±3.2405。误差为亚洲主题竞赛为0.8258±2.1603,0.8733±1.9716为白种人的主题,并−3.0591±3.9925非裔美国人。另一方面,在缺乏相声(传感器)设计的,没有根据肤色不同的估计误差,如图3。血氧饱和度的估计误差对所有受试者−0.1587±2.5089,0.8824±2.2859−亚洲主题,为白人受试者0.6741±3.2822,0.9669±2.2268对于非裔美国人的学科。参考氧饱和度和之间的相关系数估计用传统的传感器测量值是0.9298和0.9639与设计传感器测量时对所有科目。学科竞赛的相关系数为0.8864的结果使用传统的传感器(相声)为非裔美国人的主题和0.94或更高版本,除了案例。
(一)
(b)
(一)
(b)
在图6箱线图显示,中位数中心线,第一和第三个四分位数(框轮廓),和最小和最大值(胡须)的热点2估计误差在不同范围的血氧饱和度。相声在reflectance-type脉搏血氧仪传感器的存在(传统传感器)倾向于高估整体与黑皮肤,受试者的血氧饱和度和估计误差是在低氧饱和度特别大。表1显示参考和估计热点之间的偏差2根据种族(肤色)和传感器类型。在热点;2水平的不到70%,最大的错误−15.05±5.58%被发现在非洲美国主题集团当使用传统测量传感器。甚至在80 - 90%血氧饱和度水平的非裔美国人与传统测量传感器,他们表现出更大程度的错误比在其他情况下。没有区别血氧饱和度的测量精度根据竞赛设计传感器的情况下,阻止了光串扰。
(一)
(b)
5。讨论和结论
自从脉搏血氧仪技术早已为人们所熟知,可以轻松实现,它最近被一般消费者设备制造商而不是医疗器械公司开发移动医疗产品。然而,很少有研究reflectance-type脉搏血氧仪传感器主要用于这一目的。最近公布的可穿戴式脉搏血氧计研究reflectance-type传感器使用,但是他们中的大多数并没有被测试对象与不同的皮肤颜色,尤其是深色皮肤的颜色。陆等人提出了一个反映脉搏血氧计底面的智能手持设备(13]。热点;2测试16 80 - 100%的范围内,但没有肤色信息的主题。在这些原型,光学串扰封底和LED和PD的主板安装不阻塞,因此预计错误可能发生在黑皮肤主题,特别是热点2这是低于80%。Poh等人提出了一个earphone-type反光分测量系统,建议可以测量血氧饱和度通过添加了不同的波长(14]。领导和光电晶体管在他们的原型被集成到一个小树脂包和安装在耳机的耳塞。因此,尽管实验结果在血氧饱和度不提出,如果不仔细光学障碍设计如图所示1 (b),热点;2测量误差可能会发生在黑皮肤。Venema等人还提出了一个类似的系统(15]。他们把它命名为入耳式脉搏血氧仪,因为原型光学传感器被放置在内部耳屏。他们封一个光学传感器到一个耳模。个人定制的耳模,但需要精心设计,确保表面的光学传感器在耳屏的完美接触皮肤表面以防止直接串扰。他们突然热点的结果2下降由于睡眠呼吸暂停睡眠,但是没有测量黑皮肤主题。最近,研究积极进行衡量PPG信号以非接触的方式使用网络摄像头或智能手机相机(16- - - - - -18]。它使无触点心率监测通过检测心脏脉冲诱导微妙的颜色变化在皮肤表面。特别是近年来,它已经不仅试图测量心率,还用相机(血氧饱和度19- - - - - -22]。大多数的研究一直在进行有关低采样率(帧率),噪声由于环境光,计量和光源,相声在非接触的情况下只是忽视了噪声源之一。然而,预计由于肤色会发生一个错误当相机用于脉搏血氧仪,所以有必要测试对象有各种颜色。
在本文中,我们回顾了传感器设计的重要性,以防止直接相声reflectance-type脉搏血氧仪传感器通过理论分析和实验。根据脉搏血氧计的理论公式所表达的交流和直流的比例从分两个波长的信号,获得不同的光吸收的数量取决于黑色素指示的肤色取消了正常化的交流价值直流值每一个波长。换句话说,它可以解释说,这个术语包括下标“m”所示的交流和直流的比率公式方程(4)取消了在最后的公式。然而,如果发生串扰的情况下的传感器如图1 (b),有一个词由一个下标表示“c”的不同的值取决于皮肤的颜色。因此,相声的存在增加了血氧饱和度的测量误差的概率取决于皮肤颜色。实验结果还表明,大部分的错误在血氧饱和度在传统传感器受到光串扰发生在黑皮肤主题。总之,光学障碍设计防止直射光串扰是至关重要的,确保准确性不管肤色反射式脉搏血氧仪移动医疗设备。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是支持的Soonchunhyang大学研究基金。