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毕业设计(设计)

英文文献翻译

Title: EFFECTS OF MOTION ARTIFACTS ON PULSE OXIMETER READINGS FROM DIFFERENT FACIAL REGIONS

不同面部区域运动伪差对于脉搏血氧测量仪读数的影响

Anmol Nagre and Yitzhak Mendelson

Department of Biomedical Engineering and Bioengineering Institute Worcester Polytechnic Institute, Worcester, MA 01609

摘要

在战场上医疗人员使用脉搏血氧计进行远程分诊时，需要仔细选择合适的监测点。本文研究了几个面部区域作为传感器连接的潜在监测点，以测量在人体产生运动伪影过程中的心率和血氧饱和度。

引言

在军事远程医疗[1]中，医务人员在战场上执行远程分诊的能力受到越来越多的关注。例如，脉搏血氧计可以用于无线传输士兵的心率(HR)和动脉血氧饱和度(SpO2)给医生，帮助评估受伤士兵的生理状态。

众所周知，脉搏血氧计在存在某些运动伪差的情况下会产生错误的信息。到目前为止，脉搏血氧仪在该领域的可靠运行程度仍不确定。商业传输传感器通常在临床实践中用于从手指测量心率和血氧饱和度，但在门诊监测中可能不被接受。手指也不是一个用来连接脉搏血氧计探头的合适位置，因为手的活动除了干扰士兵的战斗能力，还会引入运动伪差，导致不稳定的信息。

本研究旨在评估替代面部区域是否可以用于测量我们实验室正在开发的可穿戴式无线脉搏血氧计，用来检测心率和动脉血氧饱和度。实验将会把来自头部几个潜在检测位置的数据与作为参考位置的手指测量数据进行比较。

实验装置

本研究所用的实验装置框图如图1所示。戴尔Inspirontrade;8500笔记本电脑用于从附着在受试者身上的四个脉搏血氧计传感器获取数据。第二台戴尔笔记本电脑被用来跟踪主笔记本电脑捕捉到的实时生理数据。

三台美国燕牌 (美国燕牌医疗公司,普利茅斯，MN) Xpod型号的脉搏血氧仪被选来检测受试者的心率和动脉血氧饱和度，这些血氧仪都配备一个反射式传感器。将Nellcor N-395型号的透射率脉搏血氧计(普耐特医疗公司，普莱森顿，CA)连接到受试者手指上，作为参考血氧计。

为了验证脉搏血氧计在运动伪差影响期间计算的心率读数，我们使用了Polar S810i (博能电子有限公司，成功湖，NY)胸带。S810i显示器可以使用一种特殊的无线红外发射器(IrDa)与笔记本电脑通信，无线红外发射器可以通过USB接口与电脑连接。使用MEMS加速度计记录受试者的活动。

每个连接到受试者身上的设备都与放置在受试者背包内的主笔记本电脑通信。主控和监控笔记本电脑通过无线局域网连接，以便在现场测试期间密切跟踪受试者心率和血氧饱和度的变化，并在这些值超过预先设定的安全限值时，向调查人员发出警报。

通过使用Labviewtrade;软件开发的算法，连接到主膝上的计算机仪器获取数据。为了从Polar S810i显示器上获取数据，我们使用了制造商提供的定制软件。

图1. 用于无线试验生理监测的无线数据采集系统[2]

整体实验

使用图一中描述的数据采集系统，进行了工业基准的初步研究。美国燕牌Xpod型号反射传感器连接到受试者的前额, 使用弹性带将上颌和下巴连接起来。受试者佩戴的军用头盔内装有加速度计，用于跟踪受试者在进行模拟不同战斗情况的短期演习时的活动。第四个透射式脉搏血氧计传感器通过粘接薄膜附着在受试者的手指上。S810i显示器被放置在受试者的胸部。

三组独立的基线记录最初是通过指示受试者仰面躺下，静止2分钟之后来获得的。然后，每位受试者都被引导进行几项包括步行、慢跑、爬行和跳跃在内的短距离野外运动，以引入不同的运动伪差。

结果

室外环境温度为8℃时的基线心率和血氧饱和度记录见图2和图3。这些测量结果证实，连接在受试者前额、上颚和下巴上的传感器产生的心率读数与独立于S810i 心率监视器获得的参考读数相似。在博能牌胸带的心率记录中观察到短时间的误差，但这些误差是由于受试者身体姿势的变化或无线调制解调器的射频干扰造成的。我们还注意到，手指传感器的基线读数通常不稳定，而且变幻莫测。我们将这些误差归因于受试者手指的血液循环不良，因为其他人认为寒冷引起的周围血管收缩是导致传输脉搏血氧计性能不佳的原因之一。受试者平躺在床上时，传感器承受的过大压力也会影响前4分钟下巴区域记录的数据，导致传感器下方的血液循环显著减少。

图2. 休息时的基本心率记录

图3. 休息时的基本血氧饱和度记录

讨论

要从反射率脉冲血氧计传感器获得稳定的光电容积描记(PPG)信号，不仅取决于足够的外周血灌注，还取决于传感器对皮肤施加的接触压力。商业上可用的反射率传感器通常使用双层胶带固定在皮肤上，但这种附着技术在战斗应用中可能存在问题。因此，本研究的目的之一是评估脉搏血氧计传感器记录的数据的可靠性，该传感器利用橡皮筋贴在皮肤上。我们的研究表明，这种方法是可行的，虽然它可能由于传感器定位的变化而导致间歇性的数据丢失。

我们现场测试中记录的心率和血氧饱和度数据表明，与位于下巴或下颌的反射率传感器上的读数相比，前额传感器受运动伪差的影响较小。我们还发现附着在指尖的参考传感器的传输测量值受运动伪差的影响很大。这种效应，加上外围循环减少导致的低质量数据，表明指尖不适合用脉搏血氧计可靠记录心率和血氧饱和度。

图4. 野外训练时的心率记录

图5. 野外训练时的血氧饱和度记录

结论

我们的初步研究表明，即使在存在适量运动伪差的情况下，用弹性带固定的头戴式反射率传感器可以提供可靠的血氧读数。因此，脉搏血氧仪可用于伤员的远程分诊。然而，还需要进行进一步的现场研究，以确定不同的传感器连接技术如何提高现场脉搏血氧计记录数据的可靠性。

致谢

这项工作得到了美国陆军医学研究与材料司令部的支持，合同号DAMD17-03-2-0006。文中所提到的观点、意见和调查结果归本文的作者所有，除非其他文件另有规定，否则不应解释为军方的立场、政策或决定。

参考文献

[1].Ling G, Day B, Rhee P, and Ecklund J, In search of Technological Solutions to Battlefield Management of Combat Casualties, SPIE Conf on Battlefield Biomedical Technologies, April 1999.

[2].Traviglia D and Mendelson Y, A Portable Setup for Comparing Transmittance and Reflectance Pulse Oximeters for Field Testing Applications, 30th Annual Northeast Bioengineering Conference, March 2004.

[3].Schramm WM, Bartunek A, and Gilly H, Effect of local limb temperature on pulse oximetry and the plethysmographic pulse wave, Int J Clin Monit Comput 14:17-22, 1997.

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