基于光电容积脉搏波的血红蛋白无创检测技术_肖杨.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023收稿日期:20220106修改日期:20220214Noninvasive Detection of Hemoglobin Based on PhotoplethysmographyXIAO Yang1，ZHAO Xingqun1*，YU Zhengtao2(1School of Biological Science and Medical Engineering，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China;2Nanjing Osteotech Biotechnology Co，Ltd，Nanjing Jiangsu 210046，China)Abstract:To determine the total hemoglobin(tHb)concentration noninvasively，a measurement based on multi-wavelength photoplethys-mography(PPG)is proposed The theoretical relationship between tHb content and PPG signals is derived according to modified Lambert-Beer s Law Then a noninvasive measurement system is conducted to collect PPG signals from fingertip irradiated by 6 kinds of specificwavelength light sources Finally，the amplitude features of these signals are extracted，and Partial Least Squares egression(PLS)andSupport Vector egression(SV)algorithms are implemented to predict tHb concentration Experimental results manifest that thepredicted values of both regression models are highly correlated with the standard values(r07)SV achieves better performance，themean absolute error between predicted values and standard values on all 82 samples is 0849 8 g/dl，and the correlation coefficient is 0845 7This study further confirmed the feasibility of noninvasive detection of tHb concentration and provided a clinically practical prototypeKey words:total hemoglobin concentration;photoplethysmography;noninvasive measurement;regression analysisEEACC:7510Jdoi:103969/jissn10059490202301011基于光电容积脉搏波的血红蛋白无创检测技术肖杨1，赵兴群1*，俞政涛2(1东南大学生物科学与医学工程学院，江苏 南京 210096;2南京澳思泰生物科技有限公司，江苏 南京 210046)摘要:提出一种基于多波长光电容积脉搏波(PPG)的检测技术，实现人体总血红蛋白(tHb)浓度的无创测量。首先，根据改进的 Lambert-Beer 定律，推导 tHb 浓度与 PPG 信号的理论关系。然后，设计无创检测系统，采集 6 种特定波长光源照射下的PPG 信号。最后，提取信号的幅度特征，分别应用偏最小二乘回归(PLS)和支持向量回归(SV)算法预测 tHb 浓度。实验结果表明，两种回归模型的预测值与标准值均具有较高的相关性(r07)。SV 模型预测的结果更准确，在 82 例样本上的预测值与标准值的平均绝对误差为 0849 8 g/dL，相关系数为 0845 7。进一步证实了无创检测 tHb 浓度的可行性，提供了具有临床实用性的实现方案。关键词:总血红蛋白浓度;光电容积脉搏波;无创检测;回归分析中图分类号:3185文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01006206全球约有三分之一的人口受贫血症影响1，血红蛋白的浓度水平是临床诊断贫血症的关键指标2。然而，当前广泛使用的检测方法需要采集血液样本，会对病人造成创伤，且由于检测周期长、无法实时监测，不能在血液透析、分娩等治疗过程中发挥作用。因此，tHb 浓度的无创检测技术具有极高的应用价值。无创检测人体 tHb 浓度的方法主要有近红外光谱法3、拉曼光谱法4、光声成像法5 和视频图像分析法6 等。其中，近红外光谱法具有结构简单、信噪比高的优点，广受研究人员关注。根据光谱采集方法的不同，可以将其分为透射光谱和漫反射光谱技术。Aldrich 等人7 使用超声传感器测量心脏收缩期血管扩张引起的指尖厚度的变化，并将其与穿过指尖相同位置的近红外透射光的强度进行归一化，来估计 tHb浓度。然而，透射光的强度还与肤色、探测器角度、组织密度等有关。因此，Jeon 等人8 提出了利用多波长光信号本身进行光程长度校正的方法。漫反射光谱法不需要在人体组织进行深度传输，能够减小组织特异性的干扰。Kim 等人9 通过分析可见光照射睑结膜的漫反射光谱来测量 tHb 浓度，并通过优化光路提高了检测精度。还有研究人员提出了一些新颖的方法，Santra 等人10 认为皮肤的“红度”是衡量血液中tHb 浓度的重要指标，使用相机拍摄人手掌部位的视频，从中提取特征，通过回归分析预测 tHb 浓度。Ahsan 等人11 基于类似的原理，提出了一种基于智能手机的无创 tHb 检测方法。但是，人体肤色容易受外界环境影响，且在不同人种之间有很大差异，所以这类方法测量结果的准确度较低。为此，有学者提出了动态光谱法12，能够消除人体组织背景噪声对分析第 1 期肖杨，赵兴群等:基于光电容积脉搏波的血红蛋白无创检测技术精度的影响，提高光谱信噪比。近年来，机器学习13 和人工神经网络算法14 也被广泛应用在 tHb 浓度的无创检测技术中。然而，由于皮肤、肌肉、脂肪等组织背景噪声的干扰，现有的检测方法在测量结果的准确度和测量装置的实用性上有待提高。本研究提出了一种通过分析多种特定波长近红外光照射下的 PPG 信号来定量预测 tHb 浓度的方法，并设计了具有临床实用性的无创检测系统。1方法11基于多波长 PPG 的检测原理人体组织中的不同成分对光的吸收具有特异性，表现为不同波长的光源穿过同一物质或同一波长的光源穿过不同物质后光的强度的差异。因此，当光束穿过人体组织，透射光的强度受到组织中各种成分含量信息的调制。通过分析透射光谱，就可以实现对某些特定成分含量的检测。根据改进的 Lambert-Beer 定律15，介质对光的吸收程度与介质的浓度、厚度以及光在介质中的传播路径有关，表示为:I=I0eaCd+G(1)式中:I0和 I 分别表示入射光和透射光的强度。为摩尔消光系数，C 为介质的浓度，d 为介质的厚度。a 表示由于光在介质中的散射而使光程长度延长的倍增因子。G 为补偿由光电探测器的几何形状和散射造成的光信号损失的修正因子。将公式(1)应用到 n 种介质组成的混合物，可以表示为:I=I0eani=1iCid+G(2)tHb 主要包括氧合血红蛋白(Oxyhemoglobin，O2Hb)和还原性血红蛋白(educed Hemoglobin，Hb)，以及少量的高铁血红蛋白(Methemoglobin，MetHb)和 碳 氧 血 红 蛋 白(Carboxyhemoglobin，COHb)。在血液中，蛋白质和水是最主要的发色团。而在近红外波段，水和血浆蛋白的摩尔消光系数远小于血红蛋白。因此，在仅考虑血红蛋白的情况下，可以得到:I=I0ea(1C1+2C2+3C3+4C4)d+G(3)式中:C1、C2、C3、C4和 1、2、3、4分别表示上述四种血红蛋白的浓度和摩尔消光系数。如图 1 所示，在光电容积脉搏波描记法中，PPG信号由因血管中动脉血部分的吸收产生的交流分量(IAC)和因皮肤、骨骼、肌肉、静脉血等恒定成分的吸收产生的直流分量(IDC)组成。在实测信号中，IAC远小于 IDC，推导可得:IACIDC=a(1C1+2C2+3C3+4C4)d(4)式中:d 表示心脏收缩和舒张引起的指尖厚度的变化量。由公式(4)可知，使用多种波长的光源采集PPG 信号后，即可通过联立方程组，计算出 tHb 浓度。求解这一方程组相对困难，但公式(4)建立了tHb 浓度与 PPG 信号的幅度之间的相关性。因此，可以从 PPG 信号中提取相关的幅度特征，与标准值做回归分析，实现对 tHb 浓度的无创测量。图 1光电容积脉搏波形成原理图 2无创检测系统结构框图12无创检测系统本文设计了具有临床实用性的无创检测系统，主要包括信号采集硬件和上位机软件，前者又包括血红蛋白检测探头和主控电路板。硬件部分负责采集PPG 模拟信号并对其做模数转换;上位机软件负责信号处理和 tHb 浓度的计算。硬件装置与上位机之间通过蓝牙传输数据。系统的整体结构如图 2 所示。121硬件设计在血红蛋白检测探头的设计上，采用透射光谱法，选择拇指指尖作为测量部位。在波长为 600 nm至 1 000 nm 范围内，血液中的血红蛋白是最主要的36电子器件第 46 卷发色团，这一波段被称为“治疗窗口”。因此，本文选择波长为 610 nm、660 nm、740 nm、760 nm、810 nm 和940 nm 的发光二极管(Light Emitting Diode，LED)作为发射光源。光电探测器使用 OSAM 公司生产的BPW34BS 型硅基 PIN 光电二极管，其有效感光范围为 350 nm 至 1100 nm。为了降低环境光对 PPG 信号的干扰，探头使用黑色橡胶将测量部位完全包裹。主控电路板输出 LED 驱动信号控制光源模组的发光时序，对光电二极管接收的 PPG 模拟信号做滤波放大和模数转换后通过蓝牙将数字信号发送至上位机。主控电路板主要包括 LED 驱动电路、信号放大器、模数转换器、蓝牙模组和主控制器。其中，模数转换器采用 TI 公司生产的 ADS122U04 芯片，其具有UAT 接口，采样精度为24 bits，满足系统对分辨率的要求。主控制器使用 STM32F407VET6 单片机芯片，其主频为 168 MHz。为减小数据采集耗时、提高检测速度，系统采用循坏切换采样的方式采集 6 通道 PPG信号。模数转换器的采样频率为 600 Hz，对单通道信号的采样频率为 100 Hz。主控电路板上的单片机嵌入式程序由 Keil uVision5 开发，使用 C 语言编码。图 3上位机软件流程图122软件设计系统需要先对 PPG 信号做数字滤波降噪，然后计算特征参数，才能应用回归模型计算出 tHb 浓度。然而，单片机的浮点运算性能较低，实验测试使用信号采集硬件计算 tHb 浓度的延迟大于 3 s，会降低系统的实时性。为了提高信号处理速度并方便样本数据的采集，本文基于 NI LabVIEW 开发了上位机软件，实现信号处理、tHb 浓度计算、波形可视化和数据存储等功能。图 3 所示为上位机软件流程。