处理基线漂移与提取R值

处理基线漂移与提取R值 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:苇锰签字日期:驯毕年,月,)日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丞整王丝盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名:蕈霞 签字日期:孙抖年,月,,日导师签名:娃签字日期:攀，埠年,月旬日 学位论文的主要创新点,嬲必嬲嬲舢『 一、设计了便携式家庭监护仪的信号采集硬件平台，实现了心电——————————————————————————————————————————————— 和脉搏波的同步准确测量，与以往信号采集电路相比，电路简单，引入噪声小; 二、对血压参数的检测采用基于脉搏测定法，通过检,，,，,，同一心动周期内心电,波到动脉充盈最大时的脉搏波所处的极值点之间的时间间隔，实现脉搏波传播时间的检测，以此来对血压的计算进行研究。该方法摆脱了袖带的束缚; 三、设计了一套完全可在下位机执行的信号处理和特征提取方法，其中包括一种新型简单的针对脉搏波信号中基线漂移的滤除方法。该套方法实现了信号的有效实时处理和对应特征的准确提取，为后期参数的计算和标定提供基础数据。 摘要 具有预防性、预测性、个体化和参与性医疗理念的家居化医疗产品越来越受到消费者的亲睐，加上政府的扶持以及各领域技术的发展，其相关技术发展迅速。市场前景也看好。目前家用医疗设备呈现着以下几个趋势:智能化、便携化、网络化、微型化、更高精度、更高性能需求。 本课题研究的是便携式家庭监护仪，监测的主要参数有心电、血氧饱和度和血压。本文首先就这三种参数进行基本介绍，对其检测方法进行总结与对比，确立了使用基于动态光谱法进行血氧饱和度的测量，基于脉搏测定法进行血压的测量。然后设计了一套基于超低功耗,,,,微处理器的便携式家庭监护仪的信号采集硬件平台，该平台包括由光源驱动电路、光电转换电路组成的脉搏波采集电路和由共模——————————————————————————————————————————————— 驱动电路、并联差动放大电路和基本差动电路组成的心电采集电路。该平台整体电路简单有效，引入噪声小。将该平台进行应用，能实现心电和脉搏波的同步测量，采集到的数据有效且运行稳定。 对于便携式家庭监护仪的软件部分，本文设计了一套适合下位机移植且实时运行的信号处理与特征提取方法。在通过对基于,,,,，,,上位机采集到的数据进行,,,,,,,(,,,,,变换得到信号的时频域分析后，鉴于分析结果，设计了数字,，,低通滤波器和平滑滤波器来完成工频干扰等高频噪声的滤除，设计了一种新型适合于脉搏波的基线漂移滤除方法，该方法运算量小，实时性较高，占用内存少。并且在对信号完成处理的同时实现了信号特征的提取，进一步缩短了运算步骤和时间，减少了内存的占用。通过对实测数据的,,,,,,处理和系统试验结果证明，该便携式家庭监护系统有效且实时性好。 本论文的创新点包括:(,)设计的便携式家庭监护仪的信号采集硬件平台实现了心电和脉搏波的同步准确测量，并且电路简单，引入噪声小;(,)对血压相关参数的检测采用基于脉搏测定法，摆脱了袖带的束缚;(,)设计了一套完全基于下位机的信号处理和特征提取方法，其中包括一种新型简单脉搏波的基线漂滤除方法，实现了信号的有效实时处理和特征的准确提取，为后期参数的计算和标定提供基础数据。关键字:医疗产品家居化、动态光谱法、脉搏测定法、基线漂移、,,,变换 ,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,;,,，,,;,,,,,,’,,,,,,,,,,,，,,,,,;,,,,，,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,’,,,,,,,;,,,,,,,’,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,;,,, ,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,？,,;,,,(，,,;,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,;;,,,;,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,？,,,,,,,,,(,,,, ,,,,,,,,,,,,,，,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,’,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,;？,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,( ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,(,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,,,,,,;,,,,;,,,,;,,;,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,;,,,,;,,;,,,(,,,,,,,,,,,,;,,,,;,,,,;,,;,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,;,,,;,,,,,,,,,;,,;,,,;,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,;,,,;,,,,,,,,,;,,,,;,,,,;,,;,,,;,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,;,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(，,;,,,,,,,,——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,;,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,( ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,，,,,,,,,,,,,;？,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,;？,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,;？,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,？,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,;;,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,—,,,？,,,;,,,,,,,,,,,,,？,,,;,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,;;,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,廿,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,’,;,,,,;,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,砀,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,幽翻,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,( ，,,,,,,,,,:(,),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,;,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,;(,),,,,,,,,,,,,,, ,,,,;,,,;(,),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,’,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,;,,,,;,,,,,,,;,,,,,’,,,,,,;,,,,(,,,,;,,,,,,,——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,( ,,,,,,,,:,,,,,,,,,,;,,,,,,,,;,,;,,,,,,;,,,;,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,—,,,,,,,,,,,,,, 目录 第一章绪 论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(, ,(,课题研究背 景„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,(,研究意义和现 状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,,论文的研究内容和安 排„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,(,本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„, 第二章各生理参数及其检测方 法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„, ,(,心电及其检测技 ——————————————————————————————————————————————— 术„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,(,血氧饱和度及其测量技术„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„, ,(,(,血氧饱和 度„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,,(,(,测量方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,,(,(,基于动态光谱法的血氧测 量„„„„„„„„„„„„„„„„(,,’,血压及其检测方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,,(,本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,, 第三章系统平台的搭 建„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,, ,(,系统平台的总体设 计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,,,,脉搏波检测平台的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,, ,(,(,设计思 路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,,(,(,具体实 现„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,,,,心电检测平台的设 ——————————————————————————————————————————————— 计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„。,, ,(,，,设计思 路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,,(,(,具体实 现„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,,(,系统其他部分的设 计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,, ,(,(, ,(,(,,,,模 块„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,,,,显示与通信模块„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,,(,,系统电 源„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,,(,系统软件设 计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,,,(,本章小 结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,, 第四章系统信号处理与特征提 取„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,, ,(,基于上位机的信号分 析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,, ——————————————————————————————————————————————— ,(,(,,,,,,,,,,,,,,变换, ,„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,,,(,(,基于,,,,,,,(,,,,,变换的信号分 析„„„„„„„„„„„„(,,,(,基于下位机的信号处理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,,,(,信号特征提取„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,, ,(,(,心电特征提 取„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,,,，,脉搏波特征提取„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,,(,本章小 结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,, 第五章系统评估与试 验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,, ,(,系统评 估„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,,,(,系统稳定性试 验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,, ,(,系统误差分 析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,, 第六章总结与展 望„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,参——————————————————————————————————————————————— 考文 献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,,发表论文和参加科研情况说 明„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,,致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,, 第一章绪论 第一章绪论 ,(,课题研究背景 随着人口老龄化、居民对健康的重视、政府的支持和半导体、微机电系统(,,,,)、通信、材料等领域的迅猛发展，医疗器械在近几年得到了迅速的发展，其中尤其突出的是便携式医疗监护仪的发展。医疗监护仪可广义地分为医用监护仪和家庭监护仪两大类。 医用监护仪是医护人员用来监测患者健康状态，提供连续监护病人的生理参数，检出变化趋势，指出临危情况，供医生应急处理和进行治疗的依据，使并发症减到最少，达到缓解并消除病情。该类监护仪主要应用于手术中、手术后、外伤护理、冠心病、危重病人、新生儿、早产儿、高压氧舱、分娩室等范围。根据功能可将医用监护仪分为三类:床边监护仪、中央监护仪和远程监护仪。便携家庭医疗监护仪是指各种体积小巧、整机份量轻、用电省、价格适中、直观易懂的监测人体基本生命体征或其他指标的电子器械。如电子血压计、电子血糖仪、数字式体温计、电子助听器等，易于携带且使用方便使得便——————————————————————————————————————————————— 携家庭医疗监护仪深受广大消费者的喜爱。 ,(,研究意义和现状 人口老龄化是全世界各国都面临的问题，到,,,,年底，我国老年人口达到了,(,,亿，占人口总数的,,(,,，衰老、老年常见病和慢性病将会成为制约家庭小康生活的一个很重要的因素，也是社会发展的一个沉重负担。这正是推动家用医疗电子设备发展的主力之一。现代化都市高节奏的生活方式给人们带来的城市亚健康，以及随着生活水平的提高，居民健康素养水平越来越高，越来越重视自身及家人的健康，防病重于治病的意识逐渐深入人心，越来越多的人希望通过简便的方式了解自身的基本状况，及时的预防疾病发生。全民健身计划和家庭医疗保健工程等的兴起也表明了政府对居民健康状况的关注。 在这些大背景的推动下，中国便携式医疗电子市场保持着持续高速增长水平。,,,,—,,,,年，市场规模增长率保持在,,,以上。特别是,,,,年，中国便携医疗电子市场规模达到,,,(,亿元，同比增长,,(,,。其中家用便携医疗电子市场的份额达到,,(,,，,,,,年中国便携式医疗电子市场的规模为,,,(,亿元， 天津工业大学硕士学位论文 ，司比增长,,(,,。 国外较早的开展了这一领域的研究，,,,,年苏黎世大学向世人展示了为心脏病患者和呼吸疾病患者设计的一种可穿着医疗监控——————————————————————————————————————————————— 报警系统——,,,,【,】;,,,,年哈佛大学研究的,,,,,,,,项目就是一种便于携带的,,,、小型血氧仪，并且使用,,,,,,通讯 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ，将信号传输给触板手持终端平台，以供监护人员和医疗救助人员监测【,,。除了大学等科研机构外，世界上很多领先的电子、通信产品公司也推出了一些便携式医疗仪器，如美国,,，的,,,,便携式多参数生理监护仪，,,,,,公司生产的腕式血压仪，,,,,,,,,,生产的心电图监测仪等 【,,。最近，智能医疗设备公司,;,,,,,,;,,,新研究出的一个随身医疗装置号称在,,秒内就能取得脉博、心跳、心脏电讯号、体温、心跳变化和血氧饱和度等健康参数，并且透过蓝牙低功耗(,,,,,,,,, 或,,,设备上显示。,(,,,,,,,,,,,,,,,)在,,,,,,, 在国内，便携式医疗设备始于,,年代，比发达国家晚几十年【,】。清华大学自净教授领导的研究小组较早对家庭护理与远程健康监护、社区保健工程进行了研究，第三军医大学承担的“,,,”家庭数字化医疗监护系统研究项目研制了一套基于掌上电脑的多生理参数监护网络系统，进行心电、血压和老年人活动等的监测,,,。近年来尝试研究便携式医疗的高校越来越多，像大连理工大学的张明勇对便携式远程医疗检测系统进行了设训,,，王维对基于,,,的便携式多生理参数监护装置进行了研制,,】，李爱华进行了基于,,,的便携式人体监护仪的设计。等等。一些国内公司也推出了一些——————————————————————————————————————————————— 产品，国内品牌有九安、鱼跃、金亿帝等，其产品多为单种生理参数测量仪如电子血压计等，另外还有深圳迈瑞有限公司生产的,,(,,,,,,,,,,,便携式多参数监护仪，深圳市乐夫科技有限公司生产的,,(,,,,,监护仪等,,,。 就目前家用便携式医疗电子设备的研究与生产而言。单种生理参数的便携式监护仪发展的比较好，并且能实现将监测到的信号通过,,,,或手机传送到相应的机构。但还存在问题有待解决:虽然现在对各种生理参数的都能进行检测，但由于生理参数的微弱性及各种干扰，测得的数据还不够精准;由于参数测量方法的限制，如测量血压现常用的示波法，需用到袖带，这必然会影响人体的舒适感，并不适宜长时间进行:现有产品多不便于携带。体积小的重量轻的多为单一生理测量仪器，多生理参数测量的智能便携式仪器仍然处于研究阶段等等。全球医疗设备发展呈现着以下几个趋势:精度更高、智能化、便携化、网络化、微型化、更高性能需求。,(,论文的研究内容和安排 第一章绪论 本课题设计一种低功耗便携式的多生理参数智能监护仪一‘家庭医生”。使系统更便携、更精准、更低功耗、更舒适。 (,)低功耗:由于是便携式设备，设备的体积越小越好，而为了设备的稳定性需电池供电，电池的大小局限了设备的体积，系统越低功耗，耗电量亦愈少，电池体积要求就可降低; (,)便携化、舒适化:目前一些生理参数的测量方法不算舒适，——————————————————————————————————————————————— 如血压的测量，需使用袖带对手臂或手腕进行施压，这会对人体造成不适，另外佩戴式多生理测量仪还在研究; (,)精准化:生理信号为微弱信号，且无创测量的干扰和噪声更大，信号采集技术与软件处理方法的都在改进中。 本文详细介绍了基于,,,,的便携式家庭监护仪信号采集硬软件平台的设计和对采集到的生理参数信号的分析处理及相关特征提取。 本文的主体结构和各章节内容安排如下: 第一章:绪论。介绍了本课题的研究背景和实际意义，在调研了国内外相关课题研究动态的基础上，介绍了本文的主要研究内容和工作安排。 第二章:各生理参数及其检测方法。介绍系统要监测的三个主要参数的产生机理、基本特征和检测方法，主要介绍了基于动态光谱法的血氧饱和度的测量原理和基于脉搏测定法的血压测量理论基础以及这两种方法与其他方法的比较。 第三章:系统平台的搭建。对便携式家庭监护仪的信号采集硬件平台和软件设计进行详细介绍。分别对脉搏波采集平台和心电采集平台的设计思路和具体实现进行介绍，再对系统整体的其他部分如主控单元、电源模块、通信和显示模块进行了介绍。最后对系统的软件部分进行了设计。 第四章:系统信号处理和特征提取。通过,,,,,,,(,,,,,变换对系统采集的信号进行具体分析，根据分析结果对信号进——————————————————————————————————————————————— 行处理，考虑下位机微处理器的主频和信号处理的实时性，选用简单的低通滤波器对信号进行高频滤除，设计一种简单又实时的方法实现了脉搏波中基线漂移的滤除，同时完成了信号特征的提取。 第五章:系统评估与试验。对本系统硬件采集平台进行评估，进行试验检验系统的稳定性，并分析了造成系统误差的原因，给出了解决方法。 ,(,本章小结 本章介绍了本课题的研究背景和意义，并介绍了本文的主要研究内容和工作安排。 天津工业大学硕士学位论文 第二章各生理参数及其检测方法 第二章各生理参数及其检测方法 通常的家庭监护仪监护的参数有:心电、血氧饱和度、血糖、呼吸、体温、血压、呼吸等等，每个参数都体现着人体的某项指标或身体某个部位的状态，反映着人身体的健康情况。现在市面上大受欢迎的有像腕式血压计、试纸式血糖仪、体温计、计步器、脂肪检测仪等单参数检测电子器件，也有些家庭式多参数监护仪类产品，但多参数的监护仪多用于医院。家庭式的多参数监护仪与家庭式单参数监护仪相比价格昂贵且操作复杂。所以操作简单，方便，价格便宜，便携的家庭式多参数监护仪会受广大消费者喜爱。 本课题主要针对心电、血氧饱和度、血压这三种重要参数进行研究。下面将就这三种参数的产生机理以及现有的检测技术做详细介绍。 ——————————————————————————————————————————————— ,(,心电及其检测技术 心脏的跳动是由于心肌细胞的收缩动作，在这过程中，心肌细胞去极化产生的电势差变化形成了心电，而我们往往测量到的心电是经过传导路径在体表采集到的。采集电极放置的位置不同，心电经过的传导路径不同，采集到的心电也会相应的不同;不同的导联方式采集到的心电也会有差异。临床常见的心电图多为,,导联心电图， 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的,,导联心电图是由,,个电极，分布在人体特定的,,个位置， 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 的,,个心电图像，最常用于临床医疗,,,。这里的导联指的是两个电极之间电位差的变化形成的心电图。另外还有,导联心电图、,导联心电图以及在标准,,导联的基础上的扩展。原则上导联越多记录的心电图越全面，更能发掘心电和心脏的信息。 按照美国心脏学会规定的标准，心电信号的幅值范围为,(,,,,,,，频率范围为,(,,—,,,,,,,。。单周期内正常的心电包括一个,波、一个,,,波群、一个,波和以一定概率(,,,(,,,)出现的,波等以一定的时间间隔顺序组成。其中心电信号的主要部分为,,,波群，是最易检测到的心电特征，也是分析心电的基础，,波和,波的幅度小于,,,波群，频率相对也更低【,,】。心电的幅值、频率、各波段时长、各波段间隔以及其出现的频率都是用来诊断心脏状态以及与心脏有关疾病的重要依据，其中大家所熟知的心率就是,分钟内有多少个两相邻心动周期内,波的时间间隔，该参数反应了心脏跳动的频率，正常成人在安静状态时的心率范围为:,,(,,,次,,,,，不问生理条件下，心率范围最低——————————————————————————————————————————————— 可到,,次 天津工业大学硕士学位论文 ,,,,,，最高可到,,,,:欠,,,,。 早在十九世纪七十年代,,,,,,,,,,,,,,,,,就曾记录了从发烧的病人手腕上通过导线用里普曼微电流计获得的心脏跳动的电信号;心电第一次突破性的被记录是,,,,年荷兰的生理学家,,,,,,,,,,,,,,,,利用弦线电流计和光学放大原理在感光板上记录到的【?】。后来心电图检测中的电极放置位置的一个经典——艾因托文三角也是由,(,,,,,,,,,第一次引入的，,(,,,,,,,,,还将检测到的心电图中的特征波分别进行了命名，就是我们大家所熟知的,、,、,、,、,波。他对医学与生理学的贡献也使得他名至实归的获得了这方面的诺贝尔奖。 从心电开始被记录至今，随着科技的一步步发展心电检测技术也发生了翻天覆地的变化，从最初的弦线电流计简单记录到心电;到西门子公司采用电子管放大技术制造的心电图机【,,】;再到,,,,,,的能对心电进行实时动态检测的用于临床的动态心电图仪,,,,,,系统【?】:直到现在的便携式心电监护仪、远程心电监护仪、无线心电监护系统等。人类对心电的检测越来越精确，越来越实时，越来越便捷，获得的心电信息越来越多，对心电的了解也越来越充足。当然实现了心电的检测后，肯定要对检测得到的心电进行分析，心电的分析技术大体经过了三个阶段发展:模拟电路分析技术、——————————————————————————————————————————————— 计算机，,,，电图分析技术和心电自动分析技术。,,,,年美国学者,,,,,,,,,设计的模拟心电分析电路能够辨别每一个周期的心电波形，但不能自动识别,波、,,,波群和,波的起始点:随着,,,技术的发展,,,,,,,,等人开创心电图计算机分析技术，,,,,年他们借用,,,,,导联体系进行试验，开发出第一个关于导联心电图的分析程序【,】:各种数字信号处理方法的发展使得,,;,,,,等人将其应用到心电的分析，提出了最早的心电标准,,导联体系检测算法，通过提取特征参数来识别心电波形，虽然只能实现简单的波形识别，但打开了心电自动分析技术的闸门【,,,。随着电子技术、网络技术的飞速发展和日益普及，现如今心电监护系统正在趋向于无线化、低功耗性和便携式。 本课题所研究的心电检测和分析技术就是向着系统的低功耗、便携式、实时性更强、准确性更好的目标靠近。 ,(,血氧饱和度及其测量技术 ,(,(,血氧饱和度 血液是人体的重要组成部分，血液对于人体就好比水对于地球。血液由血浆和悬浮其中的血细胞组成，血浆中除了大量的水外，还包含了无机盐、各种蛋白、酶、激素、各种营养物质和代谢产物等，其中各种营养物质里面就有对人体非常重要的氧。人体中通过血液中的血红蛋白(,,)来搭载人体所需的氧分形成氧 第二章各生理参数及其检测方法 合血红蛋白(,,,,)，除了搭载氧以外还有少量一部分血红——————————————————————————————————————————————— 蛋白会对铁、一氧化碳、硫等一些成分进行搭载形成碳氧血红蛋白(,,,)、正铁血红蛋白(,,,,,)以及硫血红蛋白(,,,,,,，,)等，以满足人体对各种成分的需求和对某些产物的代谢【,,,。 血氧饱和度(,,,,)——顾名思义。就是指血液中与血红蛋白结合的氧含量占血红蛋白能够结合的最大氧容量的比重，如式,(,所表示的: 勋,:墅垒×,,,,(,,,) ‘,,,,，月, 其表征了人体血液的载氧能力和肺交换氧的能力，反映了人体各组织可以提供的氧分的状态。是一个十分重要的生理指标，是监护仪器的基本监测指标。从医学上来讲，血液中含氧量兰,,为正常指标。 ,(,(,测量方法 血氧饱和度的测量方法从原理应用方面讲，通常分为两大类:电化学法和光学法。 电化学法由于需要取得人体血液才能进行分析，所以属于一种有创的方法。该方法通过插管或者动脉穿刺取得动脉血，然后使用血气分析仪对其进行分析，需要在数分钟内才能计算出血氧饱和度。该方法虽然测量结果精确，但操作比较复杂，且会给被测者带来痛苦，不能实现血氧饱和度的实时测量,，列。 光学法也分有创和无创。有创方法是指对离体的血液采用分光计等光学仪器进行分析，从而计算出血氧饱和度【,引。相较于有创血——————————————————————————————————————————————— 氧测量，无创法更受到学者们的亲睐。早在,,世纪就有研究者开始对基于光学法的血氧测量方法进行研究，,,,,年德国,(,,;,,,,和,,,,,,研制出了接近现代使用的脉搏血氧测量仪【】,】;,,,,年，日本的两位学者研制了第一台投入到商业应用的脉搏血氧测量仪;之后第二年,(,,,,,,,,等开始在临床上进行血氧饱和度的检测;随着计算机的发展、半导体的盛行等，无创血氧检测技术也有了飞速的发展，目前比较盛行的是脉搏血氧检测技术，其在检测精度上略逊于有创的电化学，但其检测的无创性、连续性、实时性以及易于操作性使得该方法得到了广泛的认同，尤其是在便携式医疗设备中该方法得到了普遍的应用。 ,(,(,基于动态光谱法的血氧测量,,,,,,】 脉搏血氧的测量原理就是根据人体动脉的搏动造成被测部位血液容量的波动，引起光吸收量的变化，而非血液组织(皮肤、肌肉、骨骼等)的光吸收量恒 天津工业大学硕士学位论文 定不变，通过检测被测部位的光吸收量变化，然后消除其中由非血液组织造成的影响从而求得,仍。 该方法的理论基础是,,,,,,,(,,,,定律——物质在一定波长处的吸光度正比于它的浓度。那么当使用适合波长的光对被测对象进行检测时，检测被测对象对该波长光的吸光度来实现被测对象浓度的检测。根据,,,,,,,(,,,,定律，透射光强与入射光强、被测对象的厚度和浓度的关系可由式(,(,)表示: ——————————————————————————————————————————————— ，,，,,一砒(,(,) 式中，，为透射光强，厶为对应入射光强，口为被测物质的吸光系数，;为被测物质浓度，工为光在被测物质中的传输距离(即光程)。但此定律的适用需要满足以下几点条件:?使用的一定波长的光为单色光，即入射光的单色性要好:◎光吸收过程中被测物质中的各成分之间无相互作用;?吸收过程不出现散射现象、荧光现象和光化学现象【,,,,,,。 然而对于以上的条件，真实的被测对象有不能满足的，因为被测对象并非单纯某一种物质或者由几种互不相关的纯物质组成的，而是比较复杂的人体部位，像手指、脚趾、额头、耳朵等，是由不同成分和大小的细胞以及细胞间质组成的，光学上称之为浑浊介质，是一种强散射介质。这样,,,,,,,(,,,,定律的第,个条件就无法得到满足。,,,,年,,,,,等提出了强散射条件下修正的,,,,,,,(,,,,定律，在此基础上，,,,,,,,等提出了微分光路长和平均光路长的概念，用平均光路长替代物理光路长，给出了修正的,,,,,,,(,,,,方程，推算出吸光度的表达式(,(,),,,】。式中，,为吸光度，，为光在组织中的平均光路长，,是由散射引起的光损失。 爿,一,,,，,一,(,。,伽,，,(,,,) 现假定被测部位为手指，当恒定光强的某一波长入射光透过手指时，组成手指的肌肉骨骼等组织、静脉血液、非脉动的动脉血液以及脉动的动脉血液分别会以不同程度对入射光进行吸收。其中由于动脉——————————————————————————————————————————————— 的搏动，脉动动脉血液对光的吸收量是随着动脉的搏动而变化的。那么对应透射过来的光也是一个变化的量，称其为动态部分。肌肉骨骼等组织、静脉血液、非脉动的动脉血液等对光的吸收量是恒定不变的，那么对应透射过来的光也是一个恒定不变的值，称其为静态部分。所以当光强恒定的某一波长的入射光穿过手指后的透射光是由动态部分和静态部分组成。其具体原理示意图如图,(,所示。由于最终要获得的是由脉动的动脉血液引起的动态部分，因此要对静态部分进行去除。传统的脉搏血氧测定法将静态部分视为是不随搏动和时间发生变化的一个直流分量，然而静态部分受测试条件如入射光强、探头压力以及个体差异等的影响是会发生变化的。 第二章各生理参数及其检测方法 彰 二二)‘、。,,,,?’’,。?,。,,一 彭 动态部分 静奎部分 图,(,脉搏血氧测量原理图 动态光谱法利用脉搏血氧测量的原理检测血液的成分浓度，然后利用动脉充盈与动脉收缩时吸光度的变化量，来消除测量中的静态部分，从而计算得到高精度的勋仍。“动态光谱:指的是各个单波长对应的单个脉搏波周期上吸光度的最大值与最小值的差值,,,构成的光谱，即动态部分。 ——————————————————————————————————————————————— 根据 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 (,(，)所示，计算勋岛需要两个数据:,,和,,,,，当对多组织成分进行测定时，需要依据各组织成分的吸收曲线来分析。图,(,为,,和,,,,对光的吸收曲线图，从图可知，,,和,,,,的吸光曲线有重叠，根据吸光度的可加性，联立方程来求解测定勋仉。两个未知数对应两个不同波长下的建立的方程组就可以解出。 救长(,,,) 图,,,,,,,,,,,的吸光曲线 对于两种不同波长的光源的选择，一般选择一个波长为两种成分的最大吸收波长处或者是一个吸光系数相等波长处，另一个波长为两种成分的吸光系数之差 天津工业大学硕士学位论文 最大处，对血氧的测定一般选择的是后者，即吸光系数之差相对最大的,,,,,,附近，属于红光区。,,,,,处为等吸光系数点，,,在此处吸光系数的变化梯度较大，当发光管存在个体差异时，会造成比较大的差异，而在,,,,,,附近两吸光曲线变化较缓，且接近重合，所以一般将另一个波长选在,,,,,附近，属于近红外光区。 在近红外光透射检测中，血液散射的影响相对较少，所以式(,(,)中的,仅仅为肌肉骨骼等组织造成的影响，在测量过程中可视其为恒定不变的。设生物组织的吸收系数为鼬，则?。,伽。则式(,。,)中可写成: ——————————————————————————————————————————————— ,,,,(,,,儿,十,(,,,) 设动脉血液以外的被透射组织为玎层，则第,层的吸收系数为?，，动脉血液的吸收系数则为掣扪在一个脉搏波周期内动脉收缩过程中的最小平均光路长为‘,，动脉充盈过程中的最大平均光路长为,，那么动脉收缩过程中的吸光度爿，和动脉充盈过程中的吸光度爿,分别为: ,, ,,,,,(,,,?,,,,,,,。一,(,,,,，,,,。，,(,,,) ,,,,(,,,?“，,。一,(,,,,曲,,畎，,(,,,) ,,, 由于皮肤肌肉骨骼等组织的稳定性较好，不会发生周期变化，因此这一部分对吸光度的影响是不变的。设,,,。。一,岫。将式(,,,)与式(,—,)进行相减得: ,,,,,一,,,,,，,,,,曲(，一一，衄),,,(,,,?曲，(,(,) 这样非血液组织造成的影响包括对光的吸收和散射等分量都被消除了。吸光度差值以就只是最终需要的脉动动脉血液造成的变化量。结合公式(,(,)和公式(,(,)得: 鲋吐叫地(砉,吨,老)地(等) 九,处的吸光度可表示为:沼,，又对于离体的血液而言，丸】、——————————————————————————————————————————————— ,分别为两光波长，,,、,,分别为,,,,和总的,,在波长九,处的吸光系数，;,、,,分别为,,,,和总的硒的浓度，在波长 ,,】,一,,?,,,;,，口,,,一,，)】×， 由此推导出:(,—,) 第二章各生理参数及其检测方法 曲？,,,,,南一去 ,,协?式中,,为血液对九，波长光的吸光度。,,,,和总的,,在波长粒处的吸光系数分别为西和,，同理可推导出来的,;,,,为:,,,,:旦: ,,慨一?:,:，鼠,,,(,—,,) 式中如为血,覆对,波长光的吸光度。联立方程(,,,,)和(,,,,)消去总的,,浓度;,和总的平均光路长,得到,,,,的方程为: ,,,,,瓦,口,乒,,西,,,丽‘,,) 其中?,,争，而其中由于选取的波长九,，,,,,并,,,,对其的吸光系数近似相等，即盯,?口,?口，则,,,,的方程亦可写成: 勋,，:生一生三一:,,，?(,,,,),,一,、,:一,、, 那么对于无创测量的血氧饱和度’,,爱中的,,和舶可以由脉动动脉血液造成的变化量来表示。也就是说在无创脉搏血氧饱和度的——————————————————————————————————————————————— 计算中，,,薏吨(案,誓,, ,(,血压及其检测方法 血压是血液在血管内流动时，作用于血管壁的压力，它是推动血液在血管内流动的动力，习惯以毫米汞柱(,,,,，,,,,,,,(,,,,,,)为单位。而通常所说的血压(,,,,,,,,,,,,,，,,)指的是体循环动脉血压，而且是主动脉血压。血液在体内的流动是由于心脏的收缩动作，心脏收缩时，血液从心室流入动脉，当到收缩中期时血液对动脉的压力达到最高，称为收缩压(,,,,,,,;,,,,,在心舒末期的动脉血压最低，此时的压力称为舒张压(,,,,,,,,;,,,,,,,,。,,,)。心脏舒张时，动脉血管弹性回缩，血液仍慢慢继续向前流动，血压下降，,,,,,,,,,,,,,， 天津工业大学硕士学位论文 ,,,)。一个心动周期的动脉血压的平均值——平均血压,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,)则是一份收缩压和,份舒张压的平均值，即,,,,(,,,，,,,,,),,。 由国家体育总局,,,,年发布的中国人平均正常血压参考值，,,,,,岁女性的正常血压参考值为:,,,『,,。正常血压与高血压的临界值为,,,,,,，,,,,,为低血压的临界值。正常成年人平均动脉压正常范围为,,,,,,。正常的血压是血液在体内正常循环的保证，血压过高，血管压力过大，容易受损，并引发各类心血管疾病:血压过低，会造成供血不足，造成身体机能紊乱等。——————————————————————————————————————————————— 身高、年龄、血粘度、姿势、血管本身因素、个人生活和精神等以及外界环境等因素影响着血压的变化。在一天内血压会随着心情和人体活动在一定范围内波动，进行血压测量前应保持身心的平稳，单次测量结果高于正常范围并不就表明是高血压。需要多次连续测量才能确诊，最好是对血压进行定时监测。 血压的测量方法同样也分有创的和无创的，血压的有创测量方法的精准度虽然高，但操作过于复杂，只适用于手术中的病人或病危病患。,,,多年前无创血压测量技术的发展和应用，使得人们的视线转向了无创血压测量。在无创方法的发展过程中，出现了张力测定法、双袖带法测量技术、柯氏音听诊法、示波法、恒定容积法、脉搏延时法等各种无创测量方法,,,】。其中最具代表性现阶段被广泛应用的有柯氏音听诊法、示波法和恒定容积法。 柯氏音听诊法,,,,可以说是最常见的血压测量方法，日常体检测量血压使用的就是柯氏音听诊法，是由医护人员在被测者的胳膊上臂绑上袖带，然后通过给袖带充气从而达到给肱动脉加压的效果，加压到一定程度后，再让袖带放气，在整个过程中，使用听诊器探听袖带下肱动脉的声音情况，来实现血压收缩压和舒张压的记录。柯氏音听诊法虽然是目前血压测量的“金标准”，但由于需要用到人工的辨识去确定血压值，人工的经验影响着血压测量的准确度，且重复性差。 恒定容积法【,,圳】是一种连续血压自动测量技术，该方法是通过光电描记法检测到血管容积的变化，然后通过一个随动压力跟踪——————————————————————————————————————————————— 系统，对被测部位施以一定的压力，使血管壁处于一个恒定容积状态，然后检测外加压力来得到动态的血压值。该方法的被测部位选取手指端比较适合，然而指端压并不等同于常指的血压，而且心电描记法检测到的血管容积的变化不一定全来自血管壁直径的变化，这会影响压力随动系统对被测部位施以压力的准确度，从而不能保证血管的恒定容积。 示波法口,,可以说是柯氏音听诊法的一个衍生，同样也是通过袖带并需要施压，不过示波法是自动血压检测装置，是通过对袖带放气过程中，袖带内气体压力的变化特征反映了血压值。该方法的关键技术是对袖带放气时压力变化中脉搏波信号的采集以及舒张压和收缩压的计算。示波法是目前较常用的电子血压检测技术，但该方法对血压变化的高频成分不敏感，而且该方法易受运动伪迹等的影 第二章各生理参数及其检测方法 响。 以上三种常用的方法都是基于袖带的测量方法，当进行长时间持续测量时。会影响被测者的舒适度。而现阶段研究越来越多的脉搏测定法不需要使用袖带，不需要对被测部位施加压力。并且可以对血压进行连续测量。脉搏测定法主要包括心电和脉搏波结合测量法、两路脉搏波结合法和脉搏波参数法【,,】。心电和脉搏波结合测量法的基本依据是脉搏波传播速度与血压的线性关系【,,。,,。 目前有两种应用比较广泛的,,,和血压的理论模型:,,,,,(,,,,,,,,模型删和,,,,,,,,(,,,,模型,,——————————————————————————————————————————————— ,,。,,,,,和,,,,,,,,认为,,,与动脉管壁的弹性有关，,,,,,,,,和,,,,则认为,,,与动脉膨胀性有关。 根据流体静压原理，弹性管内流体的波速可表示为: ?,,万一阿(,(,,) 其中，,为管壁的杨氏模量，,为管壁的厚度，,是流体的密度，,是平衡状态下弹性管的内径。那么人体动脉脉搏波的波速,,,亦可表示为: ,,,《掺脚(,;,,? ,,,,,(,,,,,,,,模型认为脉搏波的传播速度与动脉管壁的弹性有关，弹性越大，,,,越慢，反之则越快，在公式(,(,,)中，则由,,,与弹性模量,的关系来体现，血管弹性越大，表示弹性模量,越小，,,,越慢。 后来,,,,,,,,,】等研究了动脉管壁的弹性模量模型，通过超声方法测量得到动脉壁厚度和动脉直径，然后利用两个压力传感器对通过一段已知距离的动脉导管内的脉搏波波速进行了测量，最后给出了弹性模量,与血压,之间的关系式，即 ,,,,×,胛(,(,,) 式中，,,是零压力时的血管弹性模量，,为血压(,,,,)，九是一个表征血管特征的因子，取值范围为,(,,,,,(,,,,,,,一。 当脉搏波传递距离为,，传递时间为,时，有 一 ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,(,(,,) 丁 那么将式(,(,,)和式(,(,,)分别代入式(,(,,)，整理可得到: 尸斗(譬),,,,,(,(,,) 天津工业大学硕士学位论文 如果不考虑动脉内径大小,和动脉壁厚度,随血压变化而发生的改变，公式(,(,,)等号右边中括号里的第一项可看作一个常量，那么可以推导出: ,, ,,,(,(,,),, 或者写成: ,,:一三?丁 名,,(,(,,) 也就是说，如果血管的弹性不发生改变，那么血压的变化量,,与脉搏波传导时间的变化量?,成正比关系。而在短时间内，对于同一个体来说，其血管弹性的变化不大，那么可以通过脉搏波传递时间的变化?,来对血压的变化?,进行估算。因此根据公式(,(,,)和公式(,(,,)，可写出血压,和脉搏波传导时间,之间的关系: ,:,，,,,(,(,】) 其中，,。,为待定系数。,。,的大小是因个体而异的，但是同一个体在短时间内，这一数值是确定的,,,,。 ——————————————————————————————————————————————— 而通常血压是由收缩压(,,,)和舒张压(,,,)来表示的。,,,,等认为可以由听诊或示波法测得的收缩压数据和根据脉搏波传导时间,计算得到的血压变化量结合来计算基于脉搏法的收缩压,,,,。根据公式(,(,,)，可以将,作为变量，将其与通过听诊或示波法测得的收缩压,,,和舒张压,,,进行拟合，最终分别确定,与,,,、,,,的关系。 这里脉搏波传导时间,,,(公式中的,)用同步测量到的同一心动周期内的心电,波和动脉收缩最强时对应脉搏波位置的时间间隔来表示。因此本系统要获得血压，需要对心电和脉搏波进行同步采集，从而获取脉搏波传导时间。,(,本章小结 本章对系统要监测的三个主要参数的产生机理、基本特征和检测方法进行了介绍。主要介绍了基于动态光谱法的血氧饱和度的测量原理和基于脉搏测定法的血压测量理论基础，并确定系统需要实现心电和脉搏波的同步采集。 第三章系统平台的搭建 第三章系统平台的搭建 ,(,系统平台的总体设计 本课题所研究的是便携式家庭监护仪，目的是实现血氧饱和度、心电和血压的监测，从第二章中介绍的本系统参数获取基本原理可知，需要对脉搏波和心电信号进行同步采集，因此需要设计一个低噪声、高精度、低功耗的脉搏波和心电采集平台。图,(,是本系统的原理框图。 ——————————————————————————————————————————————— ,,,接口芯片， 蓝牙芯片传感器信号采集下位机系统,,端，手机端 上位机 图,—,系统原理框图 图,,,下位机系统设计框图 图,(,中显示的下位机系统中包括传感器驱动、信号采集和前端信号处理等硬件电路。在这些电路内部存在着固有噪声，是由组成电路的电阻产生的热噪声和像晶体管等有源元器件产生的,,,结的散粒噪声、分配噪声、,,,噪声和爆裂噪声等【,,】。测量的对象为微弱信号时，由于固有噪声会降低电路的信噪比，会使本来就很微弱的信号更加的微弱甚至会被埋没在噪声中。除电路内部的固有噪声外，电路还会受到一些外部干扰的影响，如:磁场干扰、电场干扰、电磁场干扰、地电位差干扰和机械起源干扰等,,,,，其中影响比较大的为电场干扰中的,,,士,(,,,的工频干扰。当被测对象为生物电信号时，除了之前所提到的噪声和 天津工业大学硕士学位论文 干扰，还存在运动伪迹、出汗伪迹、肌电信号等生物电信号的干扰。不管是电路的固有噪声、外部干扰还是运动伪迹和生理性伪迹，都在对电路产生着或多或少的影响，所以在进行系统硬件电路设计时，尤其是被测对象为微弱信号时，要对电路的噪声和外部干扰进行考虑，尽可能减少电路引入的固有噪声，屏蔽外部干扰。 下面对脉搏波和心电的检测分别做具体介绍。 ——————————————————————————————————————————————— ,(,脉搏波检测平台的设计 ,(,(,设计思路 由脉搏波的检测原理——动态光谱法可知，脉搏波采集平台包括血氧探头、光源驱动电路、光电转换电路和,,,。 其技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是:采用不同频率的方波驱动两种波长不同的,,,，,,,发出的光经过被测部位后由光敏器件接收并转换成电信号，电信号经过后续电路放大成一定幅值的电压信号，电压信号经过,,,转换成数字信号送入,,,，然后在,,,中完成之后的处理。 ,(,(,具体实现 ,、光源驱动电路 本系统使用的血氧探头为自制的共阳极血氧探头，由一个双波长发光二极管、一个光敏二极管、硅胶指套、软垫、导线等组成。 图,,,自组装血氧探头 在第二章分析到用于检测血氧饱和度的两个,,,的波长适合的选择范围为,,,,,附近和,,,,,附近，综合考虑价格和制作工艺等因素，选择波长为,,,,,红光和,,,,,近红外光组合而成的双波长发光二极管作为光源，其中两只发光二极管为共阳极组合。血氧饱和度的测量需要确保入射光的光强恒定不变。若入 第三章系统平台的搭建 射光的光强不稳定，得到的透射光中就会多出入射光强这一不稳定因素，会造成信号的失真，因此光源驱动电路需要实现,,,按期望时序被点亮，并且要保证每次被点亮的光强是恒定不变的。本系统——————————————————————————————————————————————— 设计通过晶体三极管来实现光源的驱动，驱动电路如图,,所示。 ,;; , : 图,(,共阳极血氧探头光源驱动电路 由于光强与电流的线性关系，要保持光强的恒定即要保持电流的恒定，也就是保持点亮,,,,和,,,,,的电流是恒定不变的。那就需要使三极管在截止与饱和状态之问进行切换。设计方案中是采用不同频率的方波驱动两种波长不同的,,,，考虑到工频干扰的影响，驱动,,,的频率选择工频,,,,的整数倍，有利于降低工频干扰，现初步选用,,,,,的方波驱动红光，,,,,,的方波驱动近红外光，通过,,,的,,口,,,,,和,,,,,分别控制。当,,,,,、,,,,,为低电平时，,,、,,截止，,,,,、,,,,,均不亮;当,,,,,、,,,,,为高电平时，为使,,、,,工作在饱和状态，那就需要使,,、,,的发射结与集电极均处于正向偏置，设计选择的,,,,三极管在饱和状态时的饱和压降,髓,,(,,，,极管,,,,和,,,,,的正向偏置电压分别为,,,,,,，(,,,，,,,,,,,,,，,,,,，而发光管的工作电流，;,,,,,，那么对,,,,而言，它的限流电阻,,通过公式(,(,)计算得到，取,,,,,,,。该三极管的,,,,,，当工作在饱和状态时，;,,,，,，那么有，,,,,,,,,,,,,(,,,。亦可推导出,,的取值范围，见——————————————————————————————————————————————— 公式(,,,)。 ,，:丘型挚:—,,,(,,—,,(,?,,,, 小半,端以,施’‘,,,,,,,(,,一(,(,)(,—,) 因此取,,,,,,,，,,,,(,,;同理，可得出,,,,,,,，,,,,(,,;,,。 ,、光电转换电路 天津工业大学硕士学位论文 光源驱动电路按时序点亮两种不同波长的,,,，然后通过光敏二极管将透过被测部位两种不同波长的光转换成电信号，由于接收到的信号是变化缓慢的微弱生理信号，有较强的背景噪声和干扰(需要选择灵敏度高的光敏二极管，然后光电转换电路将光敏二极管获得的电流信号进行转换、放大、滤波将信号调制成适合,,,的,,,转换的范围，同时确保信号的不失真。本系统设计的光电转换电路如图,(,所示。 ,, 图,,,光电转换电路 本系统选择的光敏二极管为北京瑞普北光电子公司的,,,,,,硅光电二极管，其暗电流小,,(,“,、灵敏度高。响应快，平玻璃窗口，光谱响应范围,,,,,,,,,,,,，光谱峰值波长为,,,,,。光敏二极管的特性为:无光照时，与普通二极管有一样的伏安特性;有光照时，产生一个与普通二极管电流方向相反的光电流，且在光强较弱时与光强的变化成线性关系【,?,,。 ——————————————————————————————————————————————— 在图,(,所示的光电转换电路中，运放,,与,,实现将光电流转换成电压信号，另外电容,,与，,并联形成低通滤波器，用来抑制一定程度的高频干扰。在运放同相输入端接入与,,、,,参数相同的并联,,和,,，用以抬高信号电平，避免信号丢失。此时电路的输出,。,,,,，;,(,,，,,，又,,,,,，所以,,,,卑，。,,,。为保证低通滤波电路不造成被测信号的失真，低通滤波的截止频率应远高于光源的驱动频率，对本系统来说光源的驱动频率不会超过,,,,，那么只要满足,,,艘;(?,,,,。选取,,,,,，,,,,,,,时，截止频率为,,,,，满足系统要求。 电路中的运算放大器,,选择,，公司的,,,,,,,;【,引，该运放为低噪声(,,,,,?,,，仁,,,,)、低偏置电流(,,,)、低偏置电压(,,,,,,,，,,,)、低功耗(,,,心，,,,)，是具有轨到轨输出性能的可单电源供电亦可双电源供电的高级,,,,,,,?运算放大器。,(,心电检测平台的设计 第三章系统平台的搭建 ,(,(,设计思路 心电的检测是通过电极直接接触皮肤进行的，而且其信号幅值只有,,,(,,,，频率范围为,(,,,,,,,,，属于微弱生物电信号，在检测过程中会受到像工频干扰和电路固有噪声等的影响，尤其是工频干扰的影响，因此心电检测电路需要足够高的共模抑制比，——————————————————————————————————————————————— 在高共模抑制比的前提下实现对心电信号的调理放大，同时保证信号的完整性。 并联差动放大器在理论上具有无穷大的共模抑制比，图,(,(,)为一个常规并联差动放大器，其共模抑制比与,,,,,的阻值和匹配程度无关，但对实际电路来说，其共模抑制比与该电路的差模增益成正比。 , (,)并联差动放大器(,)具有高通滤波器的并联差动放大器 图,,,并联差动放大器 在生物电测量中，极化电压是难以避免的一种直流和超低频的干扰，其来源是测量电极与电解质溶液(如导电膏、人体分泌的汗液等)形成的半电池。极化电压是限制提高放大器差模增益的主要因素(其它差模干扰也会限制放大器增益的提高)，其原因在于放大器的输入、输出范围有限(一方面受放大器的电源电压限制，另外一方面运放本身的输入、输出范围总是有一定的限制，这两个方面的限制在低压电源供电时尤为重要)。为了充分发挥并联差动放大器的优势，但又要避免极化电压(如有关心电图机的国家标准规定:心电图机必须能够抑制,,,,,的极化电压)带来的限制，图,,,(,)在并联差动放大器的前端增加了高通滤波器，当,,、,,与,,、,,完全对称匹配的情况下，该电路可通过大幅度地提高差模增益来实现共模抑制比的提高。 然在实际情况下，若高通滤波器和并联差动放大器的相应共模抑——————————————————————————————————————————————— 制比分别为,,,,,和,,,只,，那么电路的共模抑制比为: 天津工业大学硕士学位论文 ,,,。,,:—,,,,,,—,,,,,(,,,)„。,,,,,，,,,,, 由公式(,(,)可知，,,,口，,,,,,,,并且,,,，,,,,,,,,。然而普通器件搭建的并联差动放大器都能轻易满足,,,,，,,,,,,，那么为使,,,口,,,,,,，就需要,,,,,,,,,,，也就需要高通滤波电路部分中的,,、,,与,,、，也的匹配误差小于,,,,,,,，但对于目前的制作工艺和材料来说，很难达到这个要求。因此前置高通滤波器的加入会适得其反，降低电路总的共模抑,,,,比，为解决因阻容匹配度问题，在设计中引入了共模驱动电路,,,,。 图,(,为共模驱动电路。当电路的输入为共模信号电压,】;时，不难得到,,,,,,,,,,,,,,,,,,，;，并且,,,,,,,,,,;。这个过程与,,、,,和,,、,,的匹配度无关，因此共模驱动电路的加入使得高通滤波器对阻容高匹配度的要求可以忽略。使得高通滤波器的引入不降低电路总的共模抑制比，最终为提高整个电路的差模增益，提高共模抑制比提供了条件。 ,, ,,, , ,,, ——————————————————————————————————————————————— ,, 图,(,共模驱动电路 ,(,(,具体实现 本系统设计的心电检测电路，由共模驱动电路、并联差动放大电路、差动放大电路和,,,组成。以图,(,为整个心电检测电路，其中,,、,,、,,构成共模驱动电路，用来驱动高通滤波电路(由,,、,,和,,、,,组成)和低通滤波电路(由,,、,,和,,、,,,构成)的接地端，来消除因阻容器件不匹配而对电路的共模抑制比造成的影响，也可以避免因电路不对称引发的共模干扰变差模干扰的发生。运放,,、,,和,,,,,组成并联差动运算放大电路保证了高共模抑制比下的高差模增益。,,和,,,,,,,构成基本差动放大电路，将前面,,、,,构成的并联差动运算放大电路的差分输出变成单端输出，进而可以使用单端 第三章系统平台的搭建 输入模式的,,,对信号进行模数转换，并通过,,,的,,,提供信号地，抬高电平，将信号调理到适合,,,采集的范围。以便实现信号的准确可靠检测。 , 图,(,心电检测电路 ,,、,,、,,和,,四个运放由一个四运放的芯片,，公司的,,,,,,,,提供，与脉搏波检测电路中使用的运放相同。 ,(,系统其他部分的设计 ——————————————————————————————————————————————— ,(,(,,,,模块 ,,,模块作为系统的主控单元，提供光源驱动电路的驱动信号，实现信号的模数转换，信号的简单处理和信号的传输等。本系统选用,,,,,;,,,公司新推出的一款低成本、低功耗、高性能的,,,—,,,,,,,,,,,,,(,,,,)作为主 ———————————————————————————————————————————————