无创脉搏血氧仪的LED阶梯调光方法

摘要

本发明公开了一种无创脉搏血氧仪的LED阶梯调光方法，所述方法包括以下步骤：S1.系统初始化，将系统参数载入无创脉搏血氧仪的控制器内存中；S2.实时检测是否有探头插入，如果检测到探头插入，则执行步骤S3，否则继续执行S2；S3.实时检测是否有手指插入，如果检测到手指插入，则无创脉搏血氧仪的LED以默认驱动电流强度发光，否则继续执行S3；S4.根据PPG基线确定目标驱动电流强度；S5.调整驱动电流到目标驱动电流强度，无创脉搏血氧仪的LED以目标驱动电流强度发光。本发明的LED阶梯调光方法应用于无创脉搏血氧仪，无需复杂的计算，只需查表就可快速调整到特定的目标驱动电流。

权利要求

1.一种无创脉搏血氧仪的LED阶梯调光方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1.系统初始化，将系统参数载入无创脉搏血氧仪的控制器内存中，所述系统参数包括默认驱动电流强度以及PPG基线范围-目标驱动电流强度映射表；

S2.实时检测是否有探头插入，如果检测到探头插入，则执行步骤S3，否则继续执行S2；

S3.实时检测是否有手指插入，如果检测到手指插入，则无创脉搏血氧仪的LED以默认驱动电流强度发光，否则继续执行S3；

S4.根据PPG基线确定目标驱动电流强度；

S5.调整驱动电流到目标驱动电流强度，无创脉搏血氧仪的LED以目标驱动电流强度发光；

其中，步骤S4包括：对接收到的PPG基线信号计算其均值，得到默认驱动电流强度对应的PPG基线均值；根据PPG基线均值查询PPG基线范围-目标驱动电流强度映射表，确定目标驱动电流强度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据离散样本数据，确定默认驱动电流强度，具体包括：测量步骤：对大量样本人群分别测量并记录在不同驱动电流强度下的PPG基线值，形成驱动电流-PPG基线关系图，电流强度间隔5mA，最小值设为10mA，最大值设为100mA；

确定步骤：对驱动电流-PPG基线关系图进行分析，确定默认驱动电流强度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，默认驱动电流强度为30mA。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，根据离散样本数据，建立PPG基线范围-目标驱动电流强度映射表，所述映射表如下：PPG基线范围 目标驱动电流强度(mA)

0～15000 85

15000～20000 60

20000～45000 30

45000～60000 20

5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S3包括：设定某个长度为M的无重叠的滑动窗，求该滑动窗内的PPG基线的均值，设定饱和阈值THsat，若超过阈值，认为没有手指插入。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S5之后，还包括：S6.进行脉搏波提取，对脉搏波交流、直流分量进行分离，最终根据定标曲线计算血氧值；

S7.手指拔出或探头拔出，重新初始化。

说明书

无创脉搏血氧仪的LED阶梯调光方法

技术领域

[0001] 本发明涉及LED调光领域，具体来说，涉及应用于无创脉搏血氧仪的LED阶梯调光方法。

背景技术

[0002] 无创脉搏血氧仪是使用特定波长的光对人体组织进行透射或反射，对接收到的光电容积脉搏波信号(PPG)进行分析的医疗器械，通过对脉搏波交流、直流分量分离，提取脉搏波交流分量中的脉搏波幅度，可以计算并分析血氧参数。

[0003] 无创脉搏血氧仪使用LED发射用于对人体组织进行透射或反射的光，例如对手指进行透射或反射。但是，由于被测人群可能涉及儿童、成人、男性、女性、办公室人群、室外工作人群，不同被测人群的体质不同，因此手指的粗细、肤色，角质层厚度均会不同，如果LED采用统一的驱动电流强度进行发光，由此产生的PPG基线的斜率也会不同，并导致最终测量结果不准确。因此需要对LED进行调光，以提供高质量的PPG信号数据。

[0004] 传统的调光控制方法采用线性调光或二分法加微调的调光逻辑。

[0005] 对于线性调光，多数算法将LED的发光强度和驱动电流看成线性关系，预测光强来调整PPG直流分量(即基线位置)。例如，专利文献CN102389311A公开了一种多级调光的数字脉搏血氧仪及其使用方法，其采用分段线性调光，即在PPG基线超出上限值或低于下限值时，进行线性调光。但实际情况中，LED的发光强度和驱动电流实际上只能在较小范围内维持线性，在整个额定驱动电流范围内，光强和驱动电流是曲线关系而非完美的直线。因此在大范围电流调光时，容易导致基线调节差异较大，在调节过程中会出现振荡，从而延长调光过程。

[0006] 对于二分法加微调，需要不断调整驱动电流，针对不同的驱动电流，对PPG基线信号进行多次计算，实现PPG基线的逼近调整，使得PPG基线落入目标区域，再通过比例法等算法计算驱动电流，多次调整后完成调光。专利文献CN107773250A公开了一种自动增益控制的光电脉搏血氧仪快速调光控制方法，但是整个计算过程比较复杂，导致调光时间较长，系统复杂度较高。

发明内容

[0007] 针对现有技术过于复杂及调光时间较长的缺陷，本发明提出一种无创脉搏血氧仪的LED阶梯调光方法。本发明能够针对不同待测人群快速将无创脉搏血氧仪的LED光强调整到合适光强，而且不需要复杂的计算。

[0008] 本发明公开了一种无创脉搏血氧仪的LED阶梯调光方法，所述方法包括以下步骤：

[0009] S1.系统初始化，将系统参数载入无创脉搏血氧仪的控制器内存中；

[0010] S2.实时检测是否有探头插入，如果检测到探头插入，则执行步骤S3，否则继续执行S2；

[0011] S3.实时检测是否有手指插入，如果检测到手指插入，则无创脉搏血氧仪的LED以默认驱动电流强度发光，否则继续执行S3；

[0012] S4.根据PPG基线确定目标驱动电流强度；

[0013] S5.调整驱动电流到目标驱动电流强度，无创脉搏血氧仪的LED以目标驱动电流强度发光。

[0014] S6.进行脉搏波提取，对脉搏波交流、直流分量进行分离，最终根据定标曲线计算血氧值。

[0015] S7.手指拔出或探头拔出，重新初始化。

[0016] 其中，所述系统参数包括默认驱动电流强度以及PPG基线范围-目标驱动电流强度映射表。

[0017] 根据离散样本数据，确定默认驱动电流强度，具体包括：

[0018] 测量步骤：对大量样本人群分别测量并记录在不同驱动电流强度下的PPG基线值，形成驱动电流-PPG基线关系图，电流强度间隔5mA，最小值设为10mA，最大值设为100mA；

[0019] 确定步骤：对驱动电流-PPG基线关系图进行分析，确定默认驱动电流强度。

[0020] 其中，默认驱动电流强度为30mA。

[0021] 中，根据离散样本数据，建立PPG基线范围-目标驱动电流强度映射表，所述映射表如下：

[0022]PPG基线范围 目标驱动电流强度(mA)
0～15000 85
15000～20000 60
20000～45000 30
45000～60000 20

[0023] 其中，步骤S3包括：设定某个长度为M的无重叠的滑动窗，求该滑动窗内的PPG基线的均值，设定饱和阈值THsat，若超过阈值，认为没有手指插入。

[0024] 其中，步骤S4包括：对接收到的PPG基线信号计算其均值，得到默认驱动电流强度对应的PPG基线均值；

[0025] 根据PPG基线均值查询PPG基线范围-目标驱动电流强度映射表，确定目标驱动电流强度。

[0026] 本发明具有以下有益效果。

[0027] 本发明基于大量样本的统计结果，设置合理的默认驱动电流强度，并将PPG基线值划分为多个目标区域，根据默认驱动电流强度驱动LED发光所产生的PPG基线值，快速调整到特定的目标驱动电流强度。整个过程不需要复杂的计算，只需查表就能自动确定适应不同待测人群的目标驱动电流，能提高测量的速度和效率。

[0028] 通过参照以下附图及对本发明的具体实施方式的详细描述，本发明的特征及优点将会变得清楚。

附图说明

[0029] 图1是本发明的LED阶梯调光方法的流程图；

[0030] 图2是人群实测驱动电流与PPG基线的关系图。

具体实施方式

[0031] 为了使本发明的技术方案更加清楚、明了，下面将结合附图作进一步详述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0032] 如图1所示，本例提供一种无创脉搏血氧仪的LED阶梯调光方法，包括以下步骤：

[0033] S1.系统初始化，将默认驱动电流强度以及PPG基线范围-目标驱动电流强度映射表载入无创脉搏血氧仪的控制器内存中。

[0034] 其中，根据离散样本数据，确定默认驱动电流强度。

[0035] 默认驱动电流强度，是基于大量人群测试的统计结果确定的，没有公式可循，但有几个要求。设置默认驱动电流强度的要求，包括：

[0036] 人群覆盖面需充分。因测量部位为手指，关注参数为透光度，因此人群选择重点考虑手指粗细、皮肤颜色、粗糙度等。人群选择包括：儿童、老人、建筑工人、中青年白领等。

[0037] 默认驱动电流强度下，PPG基线应具有一定的可区分性。若驱动电流强度较低，将会使得人群基线较接近，区分难度大，因此驱动电流强度不能过低。驱动电流强度也不应过大，避免透光度较高手指在该驱动电流强度下基线饱和，例如：儿童手指、较细手指，无法进行后续光调整。

[0038] 确定默认驱动电流强度的具体方法是：

[0039] 测量步骤：对大量样本人群分别测量并记录受测者手指在不同驱动电流强度下(5mA间隔)的PPG基线值，形成驱动电流-PPG基线关系图。电流强度间隔5mA,最小值设为10mA，最大值设为100mA(传感器LED能接受的最大电流值)。图2显示了人群实测驱动电流与PPG基线的关系图。

[0040] 确定步骤：对驱动电流-PPG基线关系图进行分析，由图2可见，20mA时，部分PPG基线重叠交错，较难区分；40mA会使得部分受测者(儿童)PPG基线饱和；30mA既能满足PPG基线区分要求，也可以保证PPG基线不饱和。所以根据大量样本分析，确定30mA作为默认驱动电流强度。

[0041] 其中，根据离散样本数据，建立PPG基线范围-目标驱动电流强度映射表。

[0042] 传感器能设置的最大电流为100mA(以所选传感器参数为准)，在设定的工作温湿度范围内，为保证传感器发热在允许的范围内，设定最高电流强度为85mA。

[0043] 为最大化提高弱灌注情况下的测量精度，应尽可能将PPG基线设置调整到不超过饱和上限阈值(上限阈值即THsat，指ADC采样满量程值(65536)的90％，优选取值60000)的最大值，即应尽可能将驱动电流强度调整到允许范围内的最大值。

[0044] 从人群实测驱动电流与PPG基线的关系图(图2)来看，驱动电流强度在85mA时，90％以上人对应的PPG基线都未超过THsat，所以对这部分人群，驱动电流强度应设为85mA，此时对应的PPG基线最大。这部分人群对应默认驱动电流强度(30mA)下的PPG基线范围为0～15000。由此确定0～15000的PPG基线区域对应的目标驱动电流强度为85mA。

[0045] 儿童手指透光度最高，在默认驱动电流强度下，PPG基线接近或超过THsat，因此对这部分人群，驱动电流强度需要调小，经过实验可知，设为20mA时，能使PPG基线最大。这部分人群在默认电流强度下，PPG基线范围为45000～THsat。这部分人群占比约1％。由此确定45000～60000的PPG基线区域对应的目标驱动电流强度为20mA。

[0046] 默认驱动电流强度下，PPG基线大于15000的大部分落在15000～20000区间内，因此尽可能大，但又不超范围的驱动电流强度约为60mA。由此确定15000～20000的PPG基线区域对应的目标驱动电流强度为60mA。

[0047] 剩下部分即20000～45000,该范围使用默认电流强度即可，即确定20000～45000的PPG基线区域对应的驱动电流强度为30mA。

[0048] 由此，默认电流强度下的PPG基线范围被划分为4段，并分别对应特定的目标驱动电流强度。PPG基线范围-目标驱动电流强度映射表如下表所示。

[0049]PPG基线范围 目标驱动电流强度(mA)
0～15000 85
15000～20000 60
20000～45000 30
45000～60000 20

[0050] S2.实时检测是否有探头插入。如果检测到探头插入，则执行步骤S3，否则继续执行S2。

[0051] 在实际应用中，如果探头没有连接到无创脉搏血氧仪的系统，则整个系统无法正常工作，系统保持在传感器未连接状态。因此持续检测探头是否正常插入。具体地，通过检测输入阻抗值判断是否有探头插入。

[0052] 优选地，若检测到探头的输入阻抗值，则通过输入阻抗值的大小，判断探头是否正常，若正常，选择预置的定标曲线参数。

[0053] S3.实时检测是否有手指插入。如果检测到手指插入，则调整驱动电流到默认驱动电流强度，启动调光过程，无创脉搏血氧仪的LED以默认驱动电流强度发光，否则继续执行S3。

[0054] 在探头连接到系统后，初始状态下，人体手指(或其他受试部位)尚未连接到探头，此时传感器将饱和，因此检测到饱和后一直持续检查PPG基线。在手指插入探头后，PPG基线将因人体组织对光线的吸收下降，此时调整驱动电流到默认驱动电流强度，启动调光过程。

[0055] 具体地，设定某个长度为M的无重叠的滑动窗，如500ms，求该窗长内的PPG基线的均值，设定饱和阈值THsat，若超过阈值，认为没有手指插入。实际应用中，考虑到探头放置可能受环境光的干扰，以及探头打开角度不同，导致PPG基线值不同，因此需要在各干扰环境条件及探头打开角度下实际测试后设定阈值。

[0056] S4.根据PPG基线确定目标驱动电流强度。

[0057] 具体地，首先计算PPG基线均值。当无创脉搏血氧仪的LED以默认驱动电流强度发光时，对人体组织进行透射或反射，对接收到的PPG基线信号计算其均值，得到默认驱动电流强度对应的PPG基线均值。由于待测人群不同，因此计算得到的PPG基线均值并不相同。

[0058] 然后根据PPG基线均值查询PPG基线范围-目标驱动电流强度映射表，确定目标驱动电流强度。例如，如果在默认驱动电流强度下计算得到的PPG基线均值为16000，则目标驱动电流为60mA，如果在默认驱动电流强度下计算得到的PPG基线均值为51000，则目标驱动电流为20mA。

[0059] S5.调整驱动电流到目标驱动电流强度，启动调光过程，无创脉搏血氧仪的LED以目标驱动电流强度发光。

[0060] S6.完成调光后，进行脉搏波提取，对脉搏波交流、直流分量进行分离，最终根据定标曲线计算血氧值。

[0061] S7.手指拔出或探头拔出，重新初始化。

[0062] 本发明测试不同手指粗细、肤色，儿童、建筑工人(角质层较厚)等大量样本数据，根据统计结果设置默认电流强度并将PPG基线值划分为多个区域，根据默认驱动电流强度所产生的PPG基线值，快速调整到特定的目标驱动电流。本发明的LED阶梯调光方法应用于无创脉搏血氧仪，无需复杂的计算，只需查表就可快速调整到特定的目标驱动电流。

[0063] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。