基于胸反射式光电容积描记术的实时血氧饱和度（SpO2）估计：算法开发及与动脉血氧饱和度（SaO2）对照的临床验证

《Sensors》：Real-Time SpO2 Estimation from Chest Reflectance Photoplethysmography: Algorithm Development and Clinical Validation Against Arterial SaO2

　　

外周血氧饱和度（SpO2，peripheral oxygen saturation）估计通常基于从手指或耳垂等外周部位获取的红光与红外（IR，infrared）光电容积描记（PPG，photoplethysmography）信号中的脉动成分。尽管这些部位可提供较强PPG信号，但不利于与心电图（ECG，electrocardiography）集成监测，包括心律失常检测。因此，从胸戴设备同步获取PPG与ECG可实现连续一体化生理监测。然而，胸部PPG灌注较低，更易受呼吸与运动伪影影响，可靠提取红光与IR脉动成分难度较大。研究人员开发并在临床上评估了一种基于胸反射式PPG的实时SpO2估计算法。在低灌注条件下具有较明显脉动波形的绿光PPG被用于心拍检测；结合心率自适应分析窗、基于归一化互相关（NCC，normalized cross-correlation）的信号质量评估，以及交流（AC，alternating current）幅度比的最小二乘估计，计算红对红外ratio of ratios，再通过校准方程估计SpO2。算法以血气分析仪测得的参考动脉血氧饱和度（SaO2，arterial oxygen saturation）进行评价，相对参考SaO2的精度均方根达2.91%。结果表明胸反射式PPG用于SpO2估计具有技术可行性，且在受控低氧条件下具备准确性。

研究背景方面，可穿戴技术趋于单设备同步测量心率、呼吸、血氧与心电图等多参数。传统脉氧仪多依赖手指、耳垂、手腕等外周部位，虽信号强但冷环境或外周循环差时幅度下降，长期佩戴限制活动且运动伪影明显。胸部贴片可同位点获取ECG、呼吸、加速度与PPG，适合长期连续监测，但胸反射式PPG灌注低、呼吸与身体运动导致基线漂移和波形畸变，传统峰谷法提取红光与红外AC成分不稳定，既往胸骨反射式研究多为离线分析，实时运动伪影检测、信号质量评估和输出稳定化未充分解决。因此研究人员开展胸戴设备HiCardi M350上的实时SpO₂估计算法开发，并以动脉血气SaO₂为参考进行受控低氧临床验证，论文发表于《Sensors》。

关键技术方法上，研究分两阶段：第一阶段5名健康成人用于算法开发与校准模型锁定，第二阶段12名20至49岁健康成人用于准确性评价，共17人；采用HiCardi M350同步采绿、红、红外PPG与ECG、加速度，参考值为Radiometer ABL90 FLEX PLUS血气分析仪动脉SaO₂；通过鼻夹与开放式回路吸氮降氧实现70至100%目标平台，每平台采动脉血。算法核心为绿光PPG心拍检测、加速度运动伪影排除、ECG R峰辅助校验、心率自适应窗、NCC信号质量指数、四拍集平均、红红外最小二乘AC幅度比、二次校准方程及低信号质量冻结与缺氧双轨后处理。

研究结果如下。3.1 各波长PPG灌注指数（PI，perfusion index）比较：研究人员在12人中用有效10秒窗计算中值PI，绿光0.563%、红光0.166%、红外0.158%，绿光显著高于红与红外且每人皆然，支持绿光作胸部位心周期参考。

3.2 校准模型比较与选择：第一阶段94对数据拟合一次、二次、三次多项式，拟合均方根误差分别为3.39%、2.96%、2.65%；留一受试者交叉验证中三次模型数值最优但R增大到一定范围预测SpO₂反升，违背R与饱和度反比生理关系；二次模型在观测R范围内单调下降且优于线性，故锁定二次校准方程进入第二阶段。

3.3 所提SpO₂估计算法准确性：第二阶段300个动脉样本剔基线12个及范围外10个，剩278对；M350输出按采血时刻就近配对，全段线性回归R²强，回归残差标准差2.54%，修剪后73至97%范围总体精度均方根2.91%，满足4.0%预设指标；分区70至80%、80至90%、90至100%精度均方根分别为3.42%、3.04%、2.13%；总体均值偏差?0.70个百分点，低饱和段低估、高饱和段略高估；组间方差占比小，约71%变异来自受试者内。

3.4 Bland–Altman分析：278对总体均值偏差?0.70%，差值标准差2.83%，95%一致限约?6.3%至4.9%；低饱和段负偏更明显，说明个体误差分散度大，不能仅以精度均方根代表单次误差。

讨论部分总结：研究人员指出胸部反射式PPG加信号质量与逐拍分析可在受控低氧下实现SpO₂估计，单贴片集成ECG与SpO₂利于病房、围术期与出院后监测；算法上以绿光定窗、最小二乘估R、NCC筛拍、加速度拒动、双轨滤波平衡稳定与响应，优于既往离线胸骨研究以指脉氧为参考的思路。局限包括人群仅年轻健康、受限活动、未采肤色量表、低饱和样本边界少、全局校准在低氧段有比例偏倚、SQI冻结无最长保持期、按ISO 80601-2-61:2017而非2026版与FDA 2025草案。未来需多样人群、步行睡眠等自由活动、肤色分层、饱和依赖校准与有界保持机制。

研究结论部分译文：综上，融合绿光PPG心拍分割、信号质量指数引导的拍选择、AC幅度比最小二乘估计与实时后处理，支撑了胸反射式PPG的SpO₂估计技术可行性，并在受控低氧条件下显示出相对于动脉SaO₂的准确性。然而，由于研究受试者数量有限且于受限活动的受控低氧条件下完成，该结果尚不能代表自由生活连续监测或心肺疾病患者中的临床表现。