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作者:邱裕仁、楊哲彰(2009-05-01);推薦:謝建興、徐業良(2009-05-03)

以血氧連續脈動訊號擷取心率訊號

本文敘述如何以血氧連續脈動訊號擷取心率訊號。

1.         血氧訊號量測原理

血氧濃度(blood oxygenation)是指血液中血紅素(Hemoglobin, Hb)攜帶氧的程度,人體內的組織與器官都藉由呼吸與循環系統提供所需的氧氣來維持運作,因此可藉由血氧濃度評估人體的呼吸與循環系統功能,也是生命跡象的重要指標。

血氧濃度包括「動脈血氧濃度(arterial oxygen saturation, SaO2)」、「靜脈血氧濃度(venous oxygen saturation, SvO2)」、「組織血氧濃度(tissue oxygen saturation, StO2)」,以及「脈搏血氧飽和度(saturation of peripheral oxygen, SpO2)」,目前廣泛採用光學式脈搏血氧濃度計(pulse oximeter)量測血氧濃度,因此以SpO2血氧濃度測定較為普遍。血氧濃度採用紅外線穿透人體的方式量測,是一種非侵入式的量測方法。穿透式探頭可以配帶於手指頭上(如圖1大同公司之脈動血氧計即採用穿透式探頭),具備使用方便、可以重複使用、並且可以長期監測等優點。

1. 大同公司之脈動血氧計(http://www.tatung.com/)

血液中氧的含量多寡會反應在其光學特性上,血紅素對於特定光譜的吸收特性會隨著攜氧量而有所改變,例如動脈血液中氧合血紅素HbO2(oxygenated hemoglobin)濃度高,對於藍光有較高的吸收特性,對紅光吸收性相對較低,因此血液呈現鮮紅色;靜脈內去氧血紅素Hb(deoxyhemoglobin)濃度較高,對於整個可見光譜具有較一致的吸收特性,因此血液呈現深暗的偏藍色。圖2說明氧合血紅素HbO2與去氧血紅素Hb對可見光及近紅外光的吸收特性。由圖中HbO2Hb的曲線可見,兩者對波長660nm的紅光呈現較大吸收率差異;波長805nm(近紅外光)為兩者的等吸收點(isobestic point),幾乎呈現相同的光吸收率。

2. HbO2Hb對可見光及近紅外光的吸收特性示意圖

現今常見的光學式脈搏血氧濃度計,即是利用此光學特性做血氧濃度量測。手指與耳垂部位組織層較薄,且充滿微血管與血液貫流,相當適合作為量測血氧濃度的量測點,而考量到使用上的便利性,目前大多數產品採用手指作為量測點。如圖3所示,血氧濃度計上裝設兩個可發出不同波長的發光二極體(Light Emitting Diode, LED)光源,以805nm(或940nm)近紅外光作為HbHbO2對光的吸收率的比較基準,另一660nm紅光則用來偵測HbHbO2的光吸收率差異,量測時兩光源交替照射,穿透手指組織與血液的光源由一個光感測器(photo detector)接收,利用光學感測與光調變技術比較兩穿透光源的不同強度,經過訊號處理後,即可換算出血氧濃度數值。

3. 光學式血氧濃度計構造說明

此外,由於心臟收縮與舒張時,動脈血液與皮膚組織對光吸率會呈週期性變化,靜脈血液中光吸收率則變化較小;由動脈血液之光吸收率變化,可得知脈搏的跳動,因此光學式血氧濃度計除了血氧濃度的量測外,也可提供脈搏偵測。

2.         實驗方法

本研究使用多維度生理監測儀-MP60(圖4)來量測血氧與心跳的變化,並且將量測到的數據透過由Borland C++ Builder (BCB)撰寫的程式傳送到電腦上。MP60可以同時監測多項生理訊號,將血氧連續脈動和心電圖的訊號,透過介面同時儲存到電腦上以方便作分析和比較,用來觀察血氧和心跳之間的關連性。將MP60的訊號透過介面連接到電腦後,用BCB(圖5)撰寫的程式把訊號讀取出後,所有資料將會以txt檔的形式儲存。

4. 多維度生理監測儀-MP 60

5.  BCB程式介面

本研究紀錄心跳與血氧濃度訊號的取樣頻率分別為500Hz125Hz,只要將資料的筆數除以擷取頻率就可以換算到發生時間。例如從ECG看到第2下心跳發生在第724筆,第三下心跳發生在1125筆,所以發生時間分別為724/500=1.448秒、1125/500=2.25秒。以此方式可以將所有資料轉換為與時間的關係。

3.         訊號擷取與分析

3.1訊號擷取

6與圖7是擷取1分鐘長度的ECG和血氧連續脈動的訊號,總筆數分別是30000筆和7500筆。透過MATLAB軟體將資料繪成圖形並擷取波峰(紅色圓圈標記),所擷取出的波峰數目皆為78個。

6. 1分鐘長度之ECG訊號

7. 1分鐘血氧脈動連續波型

3.2 訊號關連性分析

以上圖為例,ECG量測到的第一到第三次的心跳發生時間分別在第0.761秒、1.578秒、2.422秒,血氧量測到的第一次到第三次心跳發生時間分別為第0.352秒、1.232秒、2.088秒。由於每次心跳先在心臟收縮後才將血液的脈動傳遞到手指,因此會有一定的延遲時間存在。例如從ECG中在第0.761秒時所量測到的心跳,其相對應的血氧濃度可能是在1.232秒或是2.088秒發生(參考表1)。

1列出前20ECG與血氧濃度資料,由數據可見每次心跳之間的時間差非常相近,且在第1.232秒所量測的血氧濃度,應為在第0.716秒發生的心跳經過0.516秒的延遲後所量到的;依此類推可繪出如圖8所示之相對應的心跳時間差,其變化幅度約在0.48秒至0.53秒之間,平均值為0.50秒。

1. ECG和血氧量測到的前20筆資料

ECG

 

血氧濃度

筆數

時間(s)

時間差(s)

心跳(1/min.)

 

筆數

時間(s)

時間差(s)

心跳(1/min.)

1

0.716

0.862

70

 

1

0.352

0.88

68

2

1.578

0.844

71

 

2

1.232

0.856

70

3

2.422

0.83

72

 

3

2.088

0.848

71

4

3.252

0.818

73

 

4

2.936

0.824

73

5

4.07

0.802

75

 

5

3.76

0.816

74

6

4.872

0.8

75

 

6

4.576

0.8

75

7

5.672

0.8

75

 

7

5.376

0.8

75

8

6.472

0.794

76

 

8

6.176

0.8

75

9

7.266

0.776

77

 

9

6.976

0.8

75

10

8.042

0.79

76

 

10

7.776

0.768

78

11

8.832

0.79

76

 

11

8.544

0.792

76

12

9.622

0.796

75

 

12

9.336

0.784

77

13

10.418

0.788

76

 

13

10.12

0.8

75

14

11.206

0.764

79

 

14

10.92

0.784

77

15

11.97

0.738

81

 

15

11.704

0.784

77

16

12.708

0.694

86

 

16

12.488

0.728

82

17

13.402

0.666

90

 

17

13.216

0.688

87

18

14.068

0.642

93

 

18

13.904

0.664

90

19

14.71

0.64

94

 

19

14.568

0.64

94

20

15.35

 

 

 

20

15.208

 

 

8. 同次心跳血氧量測時間與ECG量測時間之差值