小波变换-处理基线漂移

小波变换-处理基线漂移 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。 研究生签名:矽,岁年岁月加日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:乡豆缕纠多年歹月沙匿 硕士论文血簸饱和度检溺技术研究——无刨脉搏血氧饱和度检测便的设计 摘要,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，，,,,,, ,,,,,,,, 本文鏊在研究人体血氧饱和度的无剑检测技术，研制无创脉搏盘氧饱和度检测仪。介绍了盘氧饱和度检测的相关理论，推导了盎氧饱——————————————————————————————————————————————— 和度的计算公式，讨论了光源波长的选择，计算了系统标定的理论系数。 论文设计了光源驱动及控制寇路、跨阻抗徽电流放大电路、低通滤波电路和徽处理器系统电路，实现了光强的自适应调节，提高了前置电路对不同受检个体差异的适应性，成功地将人体动脉血液中的脉动成分对光的吸收变化转换为可用的脉搏波电压信号。 在信号检测的基础上，论文通过设计数字童流跟随滤波器、小波变换滤波器，实现了脉搏波信号中的赢流分量、基线漂移和工频干扰的有效滤波。在此基础上，基于脉率计算算法和露值计算算法，使用标定数据拟合得磁了血氧值的计算公式，确定了血氧值测量韵依据，实现了血氧饱和度的无御检测。 最后论文设计了隧形化入机交互软件，实现了双路脉搏波的实时显示、参数测量、波形数据存储。采焉所设计麓脉搏盘氧饱和度检测仪对,名受试者进行了盘氧饱和度检测试验，结果表明所研制的脉搏赢氧仪基本达到设计要求。关键词:血氧饱和度，光强控制，微电流放大，基线漂移抑制，小波变换滤波器 ,,,,,,;, ,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,;——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,;,,，,,,;,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,，,,,,,,,,,,,;,,;,,,,,;,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,;,,;,,,,,,( ,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,;,,;,,,，,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,;,,;,,,，, ,,,,—,,,,,,,,,,;,,;,,,,,, ,,,,,,,,,,,;,,;,,,,,;,,,,,,,,,,,;,,;,,,,,,,,,,,,,,，,,,;,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,;,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,;;,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,，,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;;,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,—,,,,,;,,;,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,冯,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,( ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,;,;,,,,,,,,,,,,,,,,—,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,？,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,;,,,,,,,,,( ,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,，，,,,,,,,,;,,,,,,，,,;,,—;,,,,,,,,,,,,,;,,,,,，，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，， 硕士论文血氧饱和度检测技术研究——无创脉搏血氧饱和度检测仪的设计 目 摘录 要………………………………………………………………………………………，,,,,,,; ,((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((，，,绪 论……………………………………………………………………………………………((, ,(,课题背 ——————————————————————————————————————————————— 景………………………………………………………………………((,,(,国内外发展历史及研究现 状……………………………………………………,,(,本论文研究内容与章节概述……………………………………………………,,血氧检测相关理 论………………………………………………………………………, ,(,朗伯比尔定 律…………………………………………………………………((,,,,脉搏血氧仪理论模 型…………………………………………………………((,,(,血红蛋白的消光系 数…………………………………………………………一,,(,血氧计算公式的标定…………………………………………………………,,’,(,本章小 结………………………………………………………………………,,,脉搏血氧仪设计方 案…………………………………………………………………,, ,(,脉搏血氧仪总体设计方 案……………………………………………………,,,(,各模块设计方案………………………………………………………………,, ,(,(,传感器选 型……………………………………………………………(,, ——————————————————————————————————————————————— ,(,(,模拟电路设计方 案……………………………………………………(,, ,(,(,微处理器系统设计方 案………………………………………………((,, ,(,(,上位机系统设计方 案…………………………………………………(,, ,(,本章小 结………………………………………………………………………,,,硬件电路设 计…………………………………………………………………………,, ,(,光源驱动和控制电 路…………………………………………………………,,,(,信号调理电路…………………………………………………………………,, ,(,(,跨阻抗放大电 路………………………………………………………(,, ,(,(,低通滤波电 路…………………………………………………………(,, ,(,(,二级放大电 路…………………………………………………………((,, ,(,,,和,,转换电 ——————————————————————————————————————————————— 路……………………………………………………………(,,,(,本章小 结………………………………………………………………………,,,微处理器系统软件设 计………………………………………………………………((,, ,(,系统软件流 程…………………………………………………………………(,, ,(,(,微处理器系统主程 序…………………………………………………(,,，, 目录硕士论文 ,(,(,血氧测量程 序…………………………………………………………(,, ,(,(,,,自动调节控制程 序…………………………………………………,, ,(,(,串口响应程 序…………………………………………………………(,, ,(,脉搏波信号处 理………………………………………………………………,, ,(,(,直流跟随滤 波…………………………………………………………(,, ,(,(,工频与基线漂移滤 波…………………………………………………(,, ——————————————————————————————————————————————— ,(,脉率和血氧值计 算……………………………………………………………,, ,(,(,脉率计 算………………………………………………………………(,, ,(,(,血氧饱和度计 算………………………………………………………(,, ,(,本章小 结………………………………………………………………………,,,上位机系统设 计……………………………………………………………………(,, ,(,串口通讯设 计…………………………………………………………………,,,(,图形化界面设 计………………………………………………………………,,,(,数据存储设 计…………………………………………………………………,,,(,本章小 结………………………………………………………………………,,,实验结果和讨 论………………………………………………………………。,,,结论和展 望………………………………………………………………………(,——————————————————————————————————————————————— , ,(,结 论……………………………………………………………………………………………………一,,,(,展 望……………………………………………………………………………………………,,致 谢。。(。(。(。。(。((。。(。。。(((。。。(((。。。(。((。。。((((。(…。。。。(…… 。…((。((……((。。(,,参考文 献………………………………………………………………………………。,,附 录…………………………。…………………………………………………………………((,,，, 硕士论文血氧饱和度检测技术研究——无创脉搏血氧饱和度检测仪的设计,绪论 ,(,课题背景 氧在人体新陈代谢的过程中有着至关重要的作用，是人体生命活动的关键物质。氧与血液中的血红蛋白结合，通过血液输送到全身的细胞中。血氧饱和度(,,,,)指的是人体血液中与氧结合的血红蛋白实际含量与血红蛋白总量的比值，作为判断人体是否缺氧的重要参数，对衡量人体携带氧能力有重要的参考价值。由缺氧引起的不当的新陈代谢会让细胞受损从而引发一系列严重的健康问题，最严重时，细胞长时间处在缺氧环境下会导致死亡。由此可见，血氧饱和度是判——————————————————————————————————————————————— 断人体是否健康的重要指标之一【,】,,,。 在正常的血液中，存在着,种常见的血红蛋白:氧合血红蛋白(,,,,)、还原血红蛋白(,,)、碳氧血红蛋白(,,,,)、高铁血红蛋白(,,,,,)。,,与氧结合成,,,,，经过血液循环将氧运输到身体各个部位的细胞后释放氧成为,,，,,,,和,,,,,与氧不结合‘,】【,】。血氧饱和度的定义如式(,(,)所示: ，, ,,,,,,,，,——————兰,,,———一,,,,,(，,’,,，,;,,，,?,,,,,(,(,)、, 式(,(,)中,,,表示氧合血红蛋白浓度，,册表示还原血红蛋白浓度，,;,,,,,表示碳氧血红蛋白的浓度，‰胁表示高铁血红蛋白的浓度。 除了病理因素和长期吸烟者外，人体血液中,,,,和,,,,,的成分相对于,,,,和,,来说含量很少。临床上，通常忽略,,,,和,,,,,的影，向,,,,,,，用式(,(,)代替式(,(,)计算血氧饱和度: ,,,，:—兰坠×,,,,,, ‘(,(,) ,,,,，,’,，, 透射式脉搏血氧饱和度检测仪(以下简称脉搏血氧仪)以朗伯比尔定律为基础，利用不同波长的两种单色光透射过动脉血管，被光电——————————————————————————————————————————————— 二极管接收后，通过特定的硬件和软件方法处理得到两组脉搏波信号，从而计算出脉搏血氧饱和度和脉率‘,】【,】【,,。通常，脉搏血氧仪的传感器使用的是指夹式血氧探头。 脉搏血氧仪可以提供连续实时的人体血液氧含量监测数据，并具有无创、使用方便等优点，在临床手术、重症监护(，,,)、睡眠研究、家庭保健、特殊人员生理监测等众多领域有着广泛的应用。 ,绪论硕士论文 国内外发展历史及研究现状 利用氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白独特的光谱吸收特性测量人体血氧饱和度的理论基础，最早可以追溯到,,,,年，,,,,,,,,,,(德)发表了吸收光测定基本原理，即,,,,,,,(,,,,法则。这一理论阐述了:当特定波长的光穿过一定厚度的溶液时，光强的衰减程度与溶液的组成成分有密切关系。其后一些研究人员又针对吸收光谱与血氧饱和度之间的变化关系做了大量研究，在,,,,年，,,,,,,,,,,(,,,,,,(德)阐述了吸光系数随同血氧饱和度变化的现象。,,,,年，,,,,,,,,,,,,,,,(德)阐述了手指的透光光谱随血氧饱和度的变化而变化。,,,,年，,,,,,,,,,;,,,,(德)发表了用穿透光连续测定人体组织内血液的血氧饱和度变化的结果。随着研究人员对血氧饱和度检测方式的研究，,,,,年，,,,,,,,,,,,等人(德)发表了用红光及红外光,种波长连续测定人耳血液的血氧饱和度。,,,,年，,(,(,？,,,,(英)发表了通过——————————————————————————————————————————————— 压迫组织造成无血状态，并以此时的透过光量作基准以求得光波通过血液层后的衰减量(即无血法)，并采用红光及红外光的透过光强度之比，对血氧饱和度作定量测定。,,,,年，美国,,,,,(,,,,,,,,等人采用,种波长法研制了小形轻型的实用装置，但没有采用无血法。此装置是在二次大战的爆发后，与飞行员的血氧饱和度检测和自动氧气供给装置同时制成的。,,,,年，,,,,,(,,,,(美)等人将,,,,,,,,的装置与,？,,,,的无血法结合制成了高精度较实用的装置。,,,,年，,,,,,,,(,,,,(美)利用无血法，成功开发了精度较高的装置。他通过对,个波长的光波在耳部透光率的测定，并根据多次实验统计得到常数值，导入公式，计算血氧饱和度，此装置可靠性强，但由于在患者身上的探头部分既大又重，价格昂贵，至今未能普及，通常只作研究之用。,,,,年，青柳卓雄等人(日)发表了称为脉搏血氧计的测试法。随后，出现了应用此法的较为完善的实用化商品仪器，使血氧饱和度的无创连续测定手段到达了较为理想化的境界，并得以迅速地推广普及。 血氧饱和度检测方法包括有创检测和无创检测，其中无创检测又包括透射式和反射式。 有创检测方法是抽取动脉中的血液，利用血气分析法或在分光光度计测定光密度的基础上计算血氧饱和度。血气分析法是将采到的血样利用血气分析仪进行电化学分析，测出血氧分压进而进行计算。分光光度计法是测定从动脉血中抽取血样的光密度，并在此基础上计算——————————————————————————————————————————————— 血氧饱和度，此方法的原理是以双波长的朗伯比尔定律为基础，并利用,,和,,,。的吸光系数随波长改变的特性进行计算，这一基本原理已发展成为无创检测的基础。有创方法可为临床提供准确的血氧饱和度值，应用于很多需要准确的血氧饱和度数据的场合，如深低温停循环手术、产程中胎儿监护等。有创检测方法的缺点是其不仅费时、易对患者造成痛苦甚至感染，而且不能提供连续、实时的血氧饱, 硕士论文血氧饱和度检测技术研究——无创脉搏血氧饱和度检测仪的设计和度数据，在病人处于危险状况时，不易使病人得到及时地抢救。 无创血氧饱和度检测是根据氧合血红蛋白(,,,,)和还原血红蛋白(,,)在红光和红外光区域的光谱特性差异来实现的:在红光区(,,,:,,,,,,,,),,,,;,，,,,的吸收差别很大，血液的光吸收程度和光散射程度极大地依赖于血氧饱和度;而在红外光谱区(,,,:,,,,,,,,)，则吸收差别较小，血液的光吸收程度和光散射程度主要与血红蛋白含量有关。所以，,,,,和,,的含量不同，则吸收光谱也不同，因此无论是动脉血还是静脉血，均能根据,,,:和,,的含量准确地反映出血氧饱和度。利用光谱学的方法对生物组织进行无损检测具有安全可靠、连续实时及无损伤的特点。多数无创检测产品使用的都是透射式，反射式由于受到不同人体差异对传感器技术的限制，使用较少。 目前，世界上知名的血氧产品品牌有:,,,,;,,、,,,,,,、,,,,,,,和,,,等。 ——————————————————————————————————————————————— ,,,,;,,是一家研究和制造血氧测量仪器及血氧探头的老牌公司，主要采用传统血氧技术。该公司除了具有多种形式的血氧探头外，近年来一直致力研制新型的血氧探头，如,,,,,,,,前额粘贴式传感器。,(,,,型,,,,;,,血氧仪连接到,,,,,,,,前额粘贴式传感器，探头被放置在病人的左眉毛上方并用头巾保护，研究显示前额与手指相比没有那么易受血管收缩的影响，并且病人在弱灌注的情况下，对,,,:的变化更具有反映能力。 ,,,,,,公司的,,,,,,,,,系统的设计是为了充分解决运动噪声、弱灌注、低信噪比的问题，大大的拓宽了血氧仪的应用范围。血氧测量除了在信号处理方面进行创造性的改进外，它们在探头的结构设计、发射光源和探测器选择与安装、连续电缆及插接件的低噪声处理等方面进行了相当的工作，这对改善血氧测量的性能有显著成效。 ,,,,,,,公司是个大型医疗器械公司，它收购了,,的血氧模块。其指套式探头技术世界领先。 国内市场也有很多科研单位和厂家从事血氧仪的研究，如中国航天工业总公司第一研究院第十三研究所的无创伤脉率血氧饱和度监护仪，北京奥博光电技术有限公司的反射式血氧饱和度监测仪，华中理工大学的脉搏血氧多波长测量方法及其脉搏血氧饱和度监护仪，北京惠普生物医学工程公司的血氧饱和度探测接头，西安篮港数字医疗科技股份有限公司的手指血氧仪等。 传统的无创血氧饱和度检测技术在临床、科研、保健等领域已有——————————————————————————————————————————————— 相当广泛的应用，但是仍然存在以下的局限性: (,)背景光比较强烈或者灌注较弱时不易测得可用的脉搏波; (,)受试者测试部位运动容易产生错误的检测结果，尤其在重症监护，,,应用中，,,,的脉搏血氧仪报警是错误的【,,; ,绪论硕士论文 (,)由年龄、肤色、性别以及体质等个体差异而引起的检测的误差较大; 随着,,,,;,,、,,,,,,,和,,,,,,等公司对血氧传感器技术的提高，背景光和弱灌注对测量的影响在逐渐减小。传统的解决运动伪差的方法是对运动进行测量。,,,,,,(,,,和,,,,(,,,从理论上探讨了利用独立的传器测量运动作为自适应滤波器的参考信号，从受损的信号中重构原始信号，消除运动伪差的影响。这已经成为抑制运动伪差的普遍的方法【,,。,,,,,,,和,,,,,使用,,,,传感器作为测量病人的运动参数作为参考信号，从受损的信号中恢复脉搏波信号【,,,。,,,,,,(,,,,,,,等人提出一种心率人工合成一个参考信号重构受干扰的原始信号【,】。,,,(,,,,,,,和,,,,,,,,,在双波长测量脉搏血氧饱和度的基础上增加一个等消光点的,,,灯透过人体后的光电传感器接收到的信号作为自适应滤波器的参考信号，从而消除干扰,,,。,,,,,,,(,,,,,,,等人提出的基于离散饱和度变换自适应滤波器的信号提取技术【,,,，目前已应用于,,,,,,公司的血氧饱和度检测仪中，——————————————————————————————————————————————— 在临床上已证实，在血氧饱和度值较高(大于,,,)时，这种技术对由病人活动、低灌注、静脉血压力波、外界光线干扰等环境因素所造成的低信噪比可减少，使读数偏低或错误报警的误差得到减少。天津大学生物医学工程系李刚老师带领的团队提出的动态光谱法测量血氧饱和度，利用光谱仪代替传统的血氧探头，从而获得多个波长下的脉搏波波形，达到消除个体差异的目的【,,】【,,】【,,】 脉搏血氧仪从临床应用领域慢慢普及到家庭保健等领域，小型化和网络化成为其未来的发展趋势。针对此种趋势，,,,,,,等利用匹配对数互阻抗放大器实现超低功耗的血氧监测仪，将传统血氧饱和度检测仪的数字电路部分全部使用模拟电路替代，体积小，功耗低【,,】:,,,;,,,,等设计的可植入式血氧监测传感器，利用外科手术将血氧传感器直接包裹在动脉血管周围【,,，对动脉血液进行直接测量等等。 上述所有检测技术的进展以及电子技术、计算机技术、单片机技术的快速发展，最终将大大提高脉搏血氧仪的正确性和可靠性，提供多变而有价值的人体氧含量信息。 ,(,本论文研究内容与章节概述 本课题的目的是研究人体中血氧饱和度的无创测量技术并设计无创脉搏血氧饱和度检测仪。论文的主要研究内容包括: (,)双波长无创血氧饱和度检测理论的研究; (,)基于检测理论的传感器控制电路及信号调理电路的设计和调试; ——————————————————————————————————————————————— (,)基于,,,,,,,,,单片机的微处理器系统软硬件设计;(,)用以测试和显示的上位机软件、通信 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 、数据库的设计; 硕士论文血氧饱和度检测技术研究——无创脉搏血氧饱和度检测仪的设计 (,)血氧饱和度检测中信号处理和结果计算等相关算法的研究; 论文各个章节主要介绍内容如下: 第一章，绪论。主要介绍了本课题的研究背景、国内外的研究现状以及论文研究的内容。 第二章，血氧检测理论。主要阐述了血氧饱和度检测的原理，介绍了相关的理论基础，推导了计算公式，计算出理论的标定系数。 第三章，脉搏血氧仪设计方案。分别介绍了脉搏血氧仪的总体设计方案和各个模块的设计方案。 第四章，硬件电路设计。分别介绍了光源驱动和控制电路、信号调理电路和,,,,,转换电路。 第五章，微处理器系统软件设计。主要介绍了软件中的重要程序和算法，包括微处理器系统主程序、血氧测量流程、,,自动调节控制程序、串口响应程序、直流跟随滤波器、小波变换滤波器、脉率和血氧值计算算法等。 第六章，上位机系统设计。介绍了上位机系统的图形化界面、串口通讯和数据存储功能。 第七章，实验结果和讨论。给出了,名受试者的实验结果和讨论第八章，结论和展望。 ——————————————————————————————————————————————— ,血氧检测相关理论硕士论文,血氧检测相关理论 本章主要介绍了双波长无创血氧饱和度检测的相关理论，主要包括:朗伯比尔定律、脉搏血氧仪理论模型、血红蛋白的消光系数和血氧计算公式的标定。 ,(,朗伯比尔定律 朗伯比尔定律指出:光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关;在光程上每等厚层介质吸收相同比例值的光。假设一束光强为厶的单色平行光束沿,方向照射均匀介质并在其内传播，如图,(,所示，经过厚度为出的薄层后，强光从，减少到,刃(冰,)，则由朗伯比尔定律可得 ,，,,,,,?，(,)出 ,,(,(,) 工 ，, ，，，,， , ,，,,, 图,(,朗伯定律不意图 其中，负号表示光强减小;,是消光系数，与浓度无关，取决于吸收物质的分子特性;,是吸收物质的浓度。若光程为三，对式(,(,)积分，并带入初始条件，(,),,『。，可以得到透射光，的表达式: ，,，,,,比(,(,) ——————————————————————————————————————————————— 式(,(,)即朗伯比尔定律的数学表达式。用入射光与透射光之比的以,为底的对数值来表示介质对光的吸收程度称为吸光度，用符号,表示: ,:,,每,,,,，(,(,)、’ 硕士论文血氧饱和度检测技术研究——无创脉搏血氧饱和度检测仪的设训,(,脉搏血氧仪理论模型 透射式血氧饱和度检测仪的检测模型如图,(,所示，手指的两侧分别装有两个发光二极管和一个光电探测器，发光二极管发出的光经过手指的吸收、反射后，一部分透射光被光电探测器吸收，如式(,(,)所示: ,,,,,，，,，,,,(,, 下指 , 发此二傲营,千,士,,,,一 图,(,透射式血氧检测仪理论模型 其中，厶表示入射光强，,表示反射光强，厶表示吸收光强，壤示透射光强，即光电探测器接收到的光强。当光从手指各部分组织透射过时，动脉血液中的脉动成分对光的吸收量随着动脉血管的搏动而变化，而其他组织对光的吸收恒定不变，如图,(,所示。 图,,,手指对光的吸收模型 ,血氧检测相关理论硕士论文 图,(,中的光电传感器将透过手指的光信号转换为电流信号，——————————————————————————————————————————————— 其成分分析如图,(,所示。电流信号对应图,(,中的透射光光强，其对应的吸收光光强共分为两部分:直流成分,,和交流成分,,。直流成分,,表征的是皮肤、肌肉、骨骼、静脉血液以及动脉血液中的非脉动成分对光的恒定吸收，而交流成分,,表征的是脉动血液搏动时对光的吸收。为了说明光电传感器转换的电流成分，图,(,中所画出的交流成分,,是被放大了的。实际实验结果显示，光电传感器所转换的电流中，直流成分,,所占的比重远大于交流成分,,，,,,,,大约在,,左右。 图,(,光电传感器电流输出信号成分分析 由动脉血液脉动而引起动脉血管直径变化，导致光透过脉动血管时的光程发生变化，即动脉血液中的脉动成分的吸光度随着脉搏搏动而变化;而皮肤、骨骼、组织以及静脉和动脉血液中的非脉动血液的吸光度恒定不变。其数学表达如式(,(,)所示: ,涮,‰，缸(,(,) 其中，彳细旅示手指吸光度总和，,,,表示脉动血液以外的吸光度总和，,爿;表示动脉血液中的脉动成分的吸光度。第一章中已经指出，在正常人的血液中，与氧有关的血红蛋白是,,,,和,,，结合式(,(,)可得 ,;,(日,,‰，‰。，‰。,),;(,(,) 其中，,,,和,,,分表表示动脉血液中,,的消光系数和浓度，,,,,,,,和,,,,,分表表示动脉血液中,,,,的消光系数和浓度，厶;表示动脉血液脉动成分的光程。脉搏血氧仪正是——————————————————————————————————————————————— 利用式(,(,)和式(,(,)来检测出血氧饱和度的。忽略光在人 硕士论文血氧饱和度检测技术研究——无创脉搏血氧饱和度检测仪的设计体中散射、反射的影响，当以波长为，』的光作为图,(,所示血氧检测理论模型中的入射光，在脉搏搏动时，动脉血液的光程发生变化，动脉血液充盈和紧缩时对应的透射光强分别为，盅。和，‰，光程差为屿，则吸光度差值为 ,专斧,?,,,幽盔,,磊;彘，口‰,,,元,,,)址。(,(,) 其中，,,“,和,;‘，,分表表示动脉血液中,,在波长为,,的光照射下的吸光系数和浓度，口‰，和;锄，分表表示动脉血液？,,,,,在波长为，，的光照射下的吸光系数和浓度。联立式(,(,)和式(,(,)可得，动脉血液中血氧饱和度为勋,:—广—下垒挚,,—一一—鼻‘(礁？一确)?(哦，喘,)?必(礁,一礁) 竺釜::一(,(,)同样的，当入射光波长为，,时，亦可得,及,堕(确凸一荪)?(喘，喘。，)?必(礁。)一礁)(,(,) 对于同一个被检测者，以不同波长的光作为入射光时，,,,,和,,的浓度总和是相同的，脉搏充盈和紧缩的光程差也是相同的即 (瑞，‰)?屿,(镌，;觚)?鸣(,(,,) 联立式(,(,)、式(,(,)和式(,(,,)可得双波长透射式血氧饱和度的计算公式 ——————————————————————————————————————————————— (,(,,) (口刍一口‰()，,‘(口盘一,磊,,),,,,:，—粤,堑, :隼,,，,隼,盖,,急,，,),,(,(,“,土警,,，,土警 至此，论文已经给出了血氧饱和度的理论计算公式，式(,(,,)中的,可以通过提取光电传感器的输出信号获得。接下来，论文将选定，衍口，,的波长并给出理论依据，以及在由选定波长推导出的新的计算公式的基础上给出血氧公式的标定原珲。 ,(,血红蛋白的消光系数 在第一章中提到过，在正常的血液中，最常见的血红蛋白有,种:氧合血红蛋白(,,,,)、还原血红蛋白(,,)、碳氧血红蛋，刍(,,,,)、高铁血红蛋白(,,,,,)。其中,,和,,,,属于功能血红蛋白，,,,,和,,,,,属于功能失常血红蛋白。功能 ,血氧检测相关理论硕士论文血红蛋白的作用是运输氧，而功能失常血红蛋白不能结合和释放氧，其中,,,,是最常见的功能失常血红蛋白。 血红蛋白对于不同波长的光来说就像一个滤波器一样，让波长在红色到红外这段光谱内的光通过，而其他波长的光则被封锁。血红蛋白消光系数表征的则是其对光的吸收能力大小:消光系数值越大，其对光的吸收越强;反之，消光系数值越小，对光的吸收越弱。四种血——————————————————————————————————————————————— 红蛋白对不同波长的光的消光系数如图,(,所示。 光波波长(,,) 图,(,四种最常见血红蛋白的消光系数 图中，元:,,,,,，处在红光光谱内，,,,,和,,在这个波长下的消光系数差异最大;旯(。。,,,,,,，,,,,和,,在这个波长下的消光系数相同;无:,,,,,，属于近红外光光谱段，,,,,和,,在这个波长下的消光系数比较接近，同时，它们在这个波长附近的变化趋势比较平缓，即波长的变动不会引起消光系数大的变动。 除了病理因素和长期吸烟者以外，人体血液中,,,,和,,,,,的成分相对于,,,,和,,来说很少。临床上，通常忽略,,,,和,,,,,的影响。式(,(,,)给出的血氧饱和度计算公式中，需要关注的是以不同波长的作为入射光时,,和,,,,的消光系数。在式(,(,,)中，若选取口茏,口‰，则可以去掉分母中的,，使得计算量大大减小。由图,(,中的血红蛋白的消光系数曲线可以看出，等消光系数点兄(。,:,,,,,符合这一个条件。但是在等消光系数点附近，,,,,和,,的消光系数对波长的变化比较敏感，即波长的稍微变动引起的消光系数的变化较大，实际应用中，发光二极管的单色性会有差异，若选取这个波长的光作为,,入射光，会使得传感器的制造工艺难度加大，降低传感器的适用性。而在见:,,,,,这个近红外光谱段，,,和,,,,的吸光系数可近似认为相等，且变化趋势平缓，所以一般工程上选取允，:,,,——————————————————————————————————————————————— ,,这个波长的近红外光作为入射光的一种。另外一种光波波长一般选取为无:,,,,,，的红光，这样做的主要原因是在这个波长下,,,,和,,的消光系数 硕士论文盘氧饱和度检测技术礤究——无剑脒搏巍氧饱和度捡测仪匏设诗差异最大，便得检测的结果比较明显，降低检测的难度。 将选定的消光系数带入式(,。,,)和(,。,,)，并化筒可得 勋,;蒜‰,蒜‰,,踮。赢。赢啭 ,,面,,，,斋,地篙，,,,,,,,，,篝‘,,,,,,，亿聊(,‘,,)‘黜(,,,,,“。: 令世蚴,，慧一瑶，甜?,璎一碰分别对应红光和红外光透射光的最大值与最小,直的差值，,,,式(,。,,)可变形为 矧呻，笔，,,,?等， 将式(,(,,)中的对数部分进行麦克劳林展开，忽略高次项，近似可得 ,,，,,,，),,(,(,:一,,,,,一,,,,,:一,,,,,,健:代九,肚虿,可。庐,巷。,?,,釜,,,’,‘ 考虑到血氧饱和度采用百分制表示，无单位，可以令,,,,,,×赢,,,,(,(,,) 耻,,,×矗(,(,,)口。一,:，，? “一一口,, ——————————————————————————————————————————————— 则式(,(,,)可化简为 黝,,最(色(,(,。,,) 上述四个公式组成了透射式双波长脉搏血氧仪检测的理论基础。式(,(,,)中，，麓和，坠分别表示入射光为红光时光电探测器检测到的信号中的交流成分和直流成分;，,和，釜分别表示入射光为红外光时光电探测器检测到的信号中的交流成分和直流成分。式(,(,,)和式(,(,,)中，碟和嘏分别代表还原血红蛋白对波长为,,,,,和,,,,,光的消光系数，谥代表氧合血红蛋自对波长为,,,,,光的消光系数。,，和岛则需要通过标定来确定。由上述四个公式可以看出，脉搏血氧仪只需要利用一定的软硬件来提取处理并获鼐红光交直流信号以及红外光交直流信号，就可以计算出,值继而计算出血氧饱和度的值。另外，从式(,(,,)可以看出，只要红光交流成分和红外光交流成分同比例放大，红光直流成分和红外光壹漉成分弼比例放大，刚,的信不蛋影响，这也是硬件申(路可以分时复用的理论基础。 ,血氧检测相关理论 硕士论文 血氧计算公式的标定 上一小节中推导出的脉搏血氧仪计算公式(,(,,)中的系数,』和玩是需要通过标定来来获得的。,,,,,,,,和,,,,,,,等人分别测得了成人和胎儿的,种血红蛋白在,,,(,,,,,,的光的范围内的消光系数【,,】，表,(,是从他们的论文——————————————————————————————————————————————— 里选取的成人血液中,,和,,,,在红光和红外光下的消光系数。将表,(,中的数据带入到公式,(, 和,(,,中，可以得到,，,,,,，,,,,,，带入公式,(,,可得 , 勋,,,,,,—,,,, 表,(,,,和,,,,对选定波长光的消光系数(单位:,,,,,,,,,,,。,) ,, ,,,, (,(,,) 利用血气实验实际测量获得的,值与,,,,关系曲线与式(,(,,)所给出的理论 关系曲线如图,(,所示。从图中可以看出，理论曲线与实际的测量曲线差异相当大，尤其是在血氧值低于,,,时，随着尺值的增大，实际血氧值与理论血氧值之间的差 异显著增大。 ——理论曲线 一一一一一实际曲线 啪 血氧饱和度 ,,, ——————————————————————————————————————————————— ?踟 、 ， ,,、， ,, ?们加 ‘、 (,) 、心 ， ,， ’, , , 、 。 , , , , , , ——————————————————————————————————————————————— , , 图,(,血氧饱和度值与比例系数,的关系曲线图 造成这一现象的主要原因是由于血氧检测理论模型中，忽略了人体对光的反射和散射等效应。,;,,,,,构建了光子散射模型，该模型说明，由于由光子扩散而引起的多重散射会加大,对干扰变量的敏感性【,,】【,,】，尤其是在血氧饱和度比较低时(血氧值低于,,,时)，导致检测的误差大大提高。但是由于,;,,,,,在光子散射模型的基础上推导出的血氧饱和度计算公式过于复杂，利用这一公式进行计算的计算量非 硕士论文血氧饱和度检测技术研究——无创脉搏血氧饱和度检测仪的设计常大，实际应用中，对研制的脉搏血氧仪进行标定，利用不同的函数来对标定的曲线进行拟合。通常，用于拟合的函数有两种:一种是利用二次函数来拟合整条曲线;一种是对曲线进行分段拟合。论文选用的第二种方法作为标定方案。 ,(,本章小结 双波长无创血氧饱和度检测的理论基础是朗伯比尔定律，本章在介绍朗伯比尔定律的基础上，详细介绍了血氧检测中的相关理论，具体内容包括: (,)构建了脉搏血氧仪检测理论模型，介绍了光在手指透射过程中不同组织成分对光的吸收情况，分析了脉搏波中不同波形位置对应的光吸收;依照理论模型从朗伯比尔定律推导出了血氧饱和度值计——————————————————————————————————————————————— 算公式。 (,)介绍了血液中不同血红蛋白对不同波长的光的消光系数，从消光系数曲线中分析了,路光源波长的选择依据，并进一步简化了血氧饱和度值计算公式。 (,)查阅文献获得计算公式中系数的理论值，给出计算公式理论曲线与实际曲线的对比图，分析了其差异的原因，并给出了标定的方案。 ,脉搏血氧仪总体设计 硕士论文 ,脉搏血氧仪设计方案 本章主要介绍脉搏血氧仪的总体设计方案，并针对方案内的每个模块进行了功能说明，主要内容包括:脉搏血氧仪总体设计方案、传感器选型、模拟电路设计方案、微处理器系统设计方案和上位机系统设计方案。 脉搏血氧仪总体设计方案 血氧饱和度检测的相关理论说明，脉搏血氧仪的主要工作是跟踪动脉血液中的脉动成分对光吸收的变化，提取并获得两路有用的脉搏波信号，继而计算出人体的血氧饱和度和脉率。针对这一工作要求设计的系统框图如图,(,所示。系统共包括,个模块:传感器模块、模拟电路模块、微处理器系统模块和上位机系统模块。各个 模块互有分工，协同工作，完成信号从血液脉动到光强变化再到电信号的变化，最 ——————————————————————————————————————————————— 后采集得到双路可用的脉搏波信号，经过信号处理后，计算出血 氧饱和度和脉率， 在上位机中显示并存储。 传感器模块 ，， : ， ’ ? 模拟电路模块 ，), :嵌入式系统模块 :上位机系统 ,，， 一红光 ，, ;, ‘‘’, , ,, ,,一红外光,,; ,—一, ——————————————————————————————————————————————— 光敏二极 管 (, ,(,低通’,放大巨,转换一滤波‘ ，,, ,一， 处理器 , ?一‘ ， 由口， 数据和波形显示 数据存储 ,， ,?～:,, 『;, ， ～。 ,,一 内核 控制命令 ，～ ——————————————————————————————————————————————— , ,光源驱动和控制电路『,厂,—下,“一卜一 ,’ 图,(,脉搏血氧仪系统框图 传感器模块的主要工作是将脉动的血液信号转变为电流信号。在第一章第四节有关血红蛋白消光系数的讨论中，论证了双波长透射式脉搏血氧仪传感器的光源波 长的选择。论文选取波长为,,,,,的红光和波长为,,,,,的近红外光,种发光二极管作为入射光的光源。由于光敏二极管相对于微弱光强变化具有更好的敏感性，所以在接收端选择光敏二极管作为光电转换器。 模拟电路模块主要分为两个部分:光源驱动和控制电路、信号调理电路。光源驱动和控制电路主要是在微处理器系统的时序下完成对发光二极管的交替点亮控制并提供足够的驱动电流，同时还应该具有对发光二极管发光强度调节的能力，使得系统对不同人体差异具有一定的自适应性。信号调理电路的主要工作是将前端传感器模块中光敏二极管的电流信号转换为电压信号并放大。信号调理电路输出,路信 硕士论文血氧饱和度检测技术研究——无创脉搏血氧饱和度检测仪的设计号:代表脉搏波中直流成分的直流信号,,和代表脉搏波中交流成分的交流信号,,，后置微处理器系统模块采集获得这两种信号，处理后计算出血氧饱和度。 微处理器系统模块是整个脉搏血氧仪的大脑。系统利用串口和上——————————————————————————————————————————————— 位机完成数据传输:从上位机读取初始化配置参数和控制命令，将获得的数据打包发送给上位机。，,口用以输出时序波形，继而通过光源驱动和控制电路来控制红光二极管和红外光二极管交替发光。,,输出提供给信号调理电路以及光源驱动和控制电路，分别用以二级放大器的电压补偿和调节光源的发光强度。,,分别对信号调理电路输出的直流信号,,和交流信号,,进行采集，供软件处理和计算。 上位机系统模块提供一个人机交互环境，帮助完成系统的整体调试以及数据波形的显示和存储。对从串,,,发送过来的数据，系统经过译码，分别将,路脉搏波波形、脉率和血氧饱和度值提取出来，显示并存储。操作者也可以利用上位机给微处理器系统发送命令以改变测试条件，方便系统的整体调试。 ,(,各模块设计方案 ,(,(,传感器选型 脉搏血氧仪所用的传感器通常称为血氧饱和度探头(,,,,,,,,,)，简称血氧探头，是指将探头指套固定在病人指端，使用红光和近红外光作为入射光源，使用光敏二极管作为光电转换器，测定动脉血液中脉动成分对光强的吸收变化，来计算血氧饱和度的传感器。 透射式血氧探头的种类有很多，按照使用次数可分为可重复使用血氧探头和一次性使用探头;按照使用人群可分为成人血氧探头、儿童血氧探头和幼儿血氧探头:按照固定方式可分为指夹式血氧探头和指套式血氧探头;按照制造材料可分为硅胶血氧探头和泡沫胶血氧探——————————————————————————————————————————————— 头。不同厂家不同型号的血氧探头也使用不同的连接器，图,。,给出了使用不同连接器的多科，血氧探头。图,(,血氧探头 ,脉搏血氧仪总体设计硕士论文 目前，世界上知名的血氧探头品牌有,,，、,,，、,,,,,;,,,、通用医疗、,,,,;,,、,,,,,,,等，国内血氧探头的生产厂家有北京惠普生物医学工程公司、迈瑞等。国外的血氧探头的制造工艺相对国内来说领先很多，其使用寿命长、发光管波长偏差小、抗干扰能力强，无论是在精度上，还是在可靠性上都有很大的优势。而国内血氧探头则主要是价格便宜。综合价格和制造工艺等因素，论文选取迈瑞公司,,,,,,监护仪配套使用的血氧探头，如图,(,所示。 图,(,迈瑞,,,,,,监护仪配套血氧探头 该探头内部结构示意图如图,(,(,)所示，发光二极管采用的是双芯发光二极管，如图,(,(,)所示，所发出的光波波长分别为,,,,,和,,,,,，其性能参数在表,(,中给出。表,(,表明发光管所发出的光不仅仅是,,,,,和,,,,,这两个波长的单色光，而是某一段光谱的光。由血红蛋白消光系数图,(,可以看出，光谱在,,,,,(,,,,,的红光和在,,,,,(,,,,,,的红外光满足血氧检测理论的要求。探头连接器的接口定义如图,(,(;)所示，,,，,,,,(分别代表光敏二极管正负极。光敏二极管型号为,,,(,,,,，其性能参数如表,(,所示。 ——————————————————————————————————————————————— ‘?、 ,,二:～～二,垄墼三墼笪 (,)? 传葛嚣连接线接口定义 ,,—?群蘸线 :——肉自——,,,(光敏二极,正 ～蚴’三主鲁二譬 (,)(;);一冉姆——,,…光被二赧警负 图,(,血氧探头内部结构图 硕士论文血氧饱和度检测技术研究——无创脉搏血氧饱和度检测仪的设计 表,(,双芯发光二极管性能参数 表,(,,,,(,,,,光敏二极管性能参数 ,(,(,模拟电路设计方案 在第二章第四节结尾处已经指出，红光交流成分和红外光交流成分同比例放大以及红光直流成分和红外光直流成分同比例放大，都不会对检测结果产生影响，因此论文采用同一个信号处理电路分时复用来完成信号的检测，其系统框图如图,(,所示。 ,脉撼盘氧仪总体设诗硕?论文 ,一 首先，微处理器系统通过妁口输出时序波形交替点亮红光和红外光二极管，受,光敏二极管会随着控制时序产生相对应的电流信号。——————————————————————————————————————————————— 接着，信号调理电路中的跨阻抗放大电路将电流信号转换成电压信号并放大，经过低通滤波后得到,,信号。然后，微处理器系统采集到,,信号，通过判断,,信号值是否在合理的范围内来判断光强是否合适，若不合适调节,,,的输出来调节光强，若是合适则调节,,,的输磁得到合适的二级放大器的正向补偿电珏。最后，二级放大器在,,(,信号中盏流成分的基础上对交流成分进行放大得到,,信号并被微处理器系统采集得到。 表,。,中给盘睽参数显示，光敏二极管薛光电流较小(,,级)，实验条件下测得的光电流在,(,,,左右，属于微电流放大，在放大器选型时要求放大器的输入偏置电流,菲常小，并且具有较高酌电源电压抑制比,,,,。基于以上原因，综合考虑放大器芯片价格和功耗等因素，选择,,,,,,,作为放大器芯片。 ———————————————————————————————————————————————