[发明专利]一种基于光电容积波的呼吸率监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字信号处理方法，具体涉及一种基于高采样率的光电 容积波进行呼吸率监测的方法。

背景技术

光电容积波描记法(PhotoPlethysmograph，PPG)是应用光电转换技术在 皮肤表面测量微血管床血液容积变化的无创检测方法。基于此方法的光电容 积波已被广泛应用于血氧饱和度和心率的监测。由于人体不同系统间的相互 作用和影响，呼吸运动同样也会引起外周循环的变化，因此能够利用光电容 积波信号实现呼吸监测。和现有的呼吸监测方法，如胸阻抗及口鼻气流等法 相比，基于光电容积波技术的呼吸监测更加简便和高效，它仅用单一的光电 传感器就能同时完成呼吸率，心率以及血氧饱和度等多项指标的监测，在睡 眠呼吸障碍等症的早期检测与监护应用方面有着明显的技术优势。

光电容积波信号包含着频率对应于脉率的交流成分和调制于其上的低频 基线成分，其中基线中包含由呼吸引起的强度变量已得到共识。以瑞典 linkoeping大学相关研究小组为首的各国研究人员自1992年始对从光电容积 波中提取呼吸信息进行了大量研究工作，从光电容积波的基线中获得呼吸引 起的强度变量并进一步检测呼吸率的算法不断被提出。中国专利 ZL03808327.2则就通过对光电容积波的基线信号分析获得呼吸率等生理参数 的方法申请了专利保护。上述研究成果的共性都是通过对光电容积波中基线 信号的分析获取呼吸信息。从技术实现上则是通过滤波或时频分析技术从光 电容积波中提取与呼吸频率范围相对应的信号成分，而后对该成分做进一步 的分析处理来达到呼吸率检测的目的。

然而，由于人体系统的复杂性，光电容积波基线的成分并非单一。以成 年人为例，不仅包含有一般频率小于0.4Hz的呼吸成分；还包含有与自主神 经系统对微血管控制活动相关、频率在0.1Hz左右的Meyer波；以及与温度 调节相关、频率在0.04Hz左右的极低频成分。相对而言，极低频的温度漂移 较易消除，然而和呼吸频率极为接近甚至相互混叠的Meyer波成分对呼吸波 的影响则不容忽视，尤其当两种波形频率混叠的时候，采用滤波方法难以将 处于相同频带的两种不同波形分别提取出来。中国专利ZL03808327.2中尽管 指出了呼吸波和Meyer各自对应的相位变化特点，在明确获得两种不同波形 的条件下，可通过相位关系来判断其为呼吸波或Meyer波，但是该发明却并 没有对如何将频率混叠的两个波形分隔开提出明确的技术解决方案。

除Meyer波的干扰外，运动伪差对光电容积波信号的影响同样不容忽视。 在光电容积波的采集过程中，轻微的肢体运动甚至极微小的手指等局部运动 都会在光电容积波的强度上有所反映。当从基线中提取呼吸引起的强度变量 时，运动伪差直接对光电容积波的强度的改变会极大降低呼吸率检测的正确 性甚至导致无法检测呼吸率。

在早期的心电信号研究中已证实呼吸对心血管系统的影响包括呼吸对心 率的频率调制，即众所周知的呼吸性窦性心律不齐，以及呼吸对每搏心输出 量的幅度调制。在光电容积波中同样也存在受呼吸调制的脉率变量以及每拍 脉搏的幅度变量(见图2)。各种不同的呼吸调制方式中，脉率和幅度变量比 强度变量有着更好的抗干扰能力。具体而言，之前提到Meyer波是微血管收 缩和舒张运动在血液容积变化上的反映，也即是说Meyer波主要在强度和振 幅变量中得以体现，但是对脉率间期而言，此方面的影响甚微。因此当呼吸 频率居于0.05-0.15Hz时，脉率间期的变化能更准确地反映呼吸运动。而当呼 吸频率高于此区域时，由于幅度变量是峰值点与谷值点的强度差值，其抗干 扰能力比强度变量更优。因此针对不同的呼吸频率选择脉率间期或幅度变量 能获得比强度变量更好的呼吸检测效果。

然而现有的研究方法却极大制约了采用脉率和幅度变量进行呼吸检测的 进展。前述光电容积波主要包含有基线分量和交流分量，已有的算法通常将 两种成分隔离开来，将每种成分独立用于不同的研究目的。一方面通过滤波 手段滤除高频的工频干扰和低频的基线信号，滤除与呼吸相关的部分，仅仅 利用滤波所得的光电容积脉搏波来完成血氧饱和度和心率检测。另一方面在 研究呼吸检测时，认为呼吸信息仅仅包含于通过滤波提取的0.5Hz以下的基 线成分中，而将呼吸研究局限于基线成分。因此造成光电容积波中呼吸引起 的强度变化成为提取呼吸信息的唯一考虑。

发明内容