基于DSP的脈搏血氧飽和度測量儀的設計.doc

畢業(yè)設計（論文）題目：基于DSP的脈搏血氧飽和度測量儀的設計院系：電氣信息工程系專業(yè)：電氣自動化班級：一班姓名：王一民學號：2006063001指導教師：盧智嘉2009年5月22日I基于DSP的脈搏血氧飽和度測量儀的設計【摘要】新陳代謝是生物體內(nèi)全部有序化學變化的總稱。它包括物質(zhì)代謝和能量代謝兩個方面。能量代謝是指生物體與外界環(huán)境之間能量的交換。人體的能量代謝分為有氧代謝和無氧代謝，其中有氧代謝是主體。血氧飽和度是指動脈血中與氧結(jié)合的氧合血紅蛋白的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白容量的百分比.傳統(tǒng)的血氧飽和度測量方法是對人體采血,再利用血氣分析儀進行電化學分析,測出氧分壓,計算血氧飽和度.這種方法雖然精確,但操作繁瑣,且不能進行連續(xù)的監(jiān)測.衡量氧氣在血液中濃度的指標是動脈血氧飽和度。脈搏血氧測量儀是目前測量動脈血氧飽和度最有效的設備之一。數(shù)字信號處理技術(shù)簡稱DSP，它是一門與許多學科相關(guān)而又廣泛應用于許多領(lǐng)域的新興學科。本文利用了數(shù)字信號處理技術(shù)以芯片為核心處理單元實現(xiàn)了脈搏血氧飽和度的測量，可以有效地實現(xiàn)復雜背景下血氧飽和度的準確檢測?！娟P(guān)鍵詞】血氧飽和度數(shù)字信號處理（DSP）脈搏血氧測量儀特性IIThetrainingoflastinglearninginterestandpowerforcollegestudentsintestteaching【Abstract】Metabolismisinorganismthecompleteorderchemicalchangegeneralname.Itincludesmaterialmetabolismandenergymetabolismtwoaspects.Theenergymetabolismisreferstobetweenorganismandtheexternalenvironmenttheenergyexchange.EnergymetabolismofHumanbodydivideintotheoxygenmetabolismandtheLackofoxygenmetabolism.Mainbodyistheoxygenmetabolism.Themeasurementofoxygensaturationinbloodhasgreatsignificanceinclinicalanddailyhealthcare.Thispaperfirstanalysesthemeasurementprinciplelesandmethodsindetail.Onthebasisofcomparisonamongvariousrelatedpulseoxygensaturationinbloodinstruments,theweightoxygeninthebloodthedensitytargetisthearterybloodoxygendegreeofsaturation.Thepulsebloodoxygenmeasuringinstrumentisoneofpresentsurveyarterybloodoxygendegreeofsaturationmosteffectiveequipment.ThedigitalsignalprocessingtechnologyiscalledDSP,itisonerelatedandwidelyapplieswithmanydisciplinesinmanydomainemergingdisciplines.Thisarticleusedthedigitalsignalprocessingtechnologytorealizethepulsebloodoxygendegreeofsaturationsurveytakethechipasthecoreprocessingunit,mightrealizethecomplexbackgroundhemorrhagingoxygendegreeofsaturationaccurateexaminationeffectively.【KeyWords】Bloodoxygendegreeofsaturationdigitalsignalprocessing(DSP)PulsebloodoxygenmeasuringinstrumentcharacteristicIII目錄引言.1一、緒論.1（一）血氧飽和度的概念及其生理意義.1（二）脈搏血氧飽和度測量儀的發(fā)展歷程.2（三）脈搏血氧飽和度測量儀的發(fā)展現(xiàn)狀與改進方向.2（四）數(shù)字信號處理技術(shù).3二、脈搏血氧飽和度的測量理論基礎.3（一）脈搏血氧飽和度測量中的光學理論基礎.3（二）生物組織的基本光學模型和紅外光譜的技術(shù).3三、基于的脈搏血氧儀的硬件電路的實現(xiàn).4（一）系統(tǒng)框圖.4（二）TMS32OFZO6的功能及控制電路分析.5（三）血氧信號的產(chǎn)生及處理過程.5（四）脈搏波信號的處理.61.基于DSP的脈搏血氧儀硬件電路提取的脈搏波.62.脈搏波的周期和幅度的計算.63.微分閥值法的改進.64采用自相關(guān)函數(shù)法對脈搏波信號的分析.7四、脈搏血氧測量儀的軟件設計及信號的處理方法.7（一）TMS320F206軟件設計方法.7（二）基于DSP的脈搏血氧飽和度測量儀的軟件設計.8結(jié)論.9參考文獻.10致謝.11石家莊學院畢業(yè)論文-1-引言現(xiàn)如今，在醫(yī)院臨床監(jiān)護和日常中老年保健中，脈搏的測量是一項基本的生命指標，因而脈搏測量是最常見的生命特征的提取，而且氧氣在血液中的濃度具有重要生理意義，所以測量脈搏血氧飽和度就尤為重要，近年來脈搏血氧飽和度測量儀已經(jīng)在臨床實踐中得到了廣泛地應用，成為一種不可缺少的臨床診斷設備。脈搏血氧飽和度測量儀實現(xiàn)了對脈搏血氧飽和度的測量，能夠使人們隨時隨地的對自己身體進行檢查，及早的發(fā)現(xiàn)自己身體的疾病，提高人們保健意識有著深遠的意義，尤其是對于關(guān)注老年人的身體狀況更為重要，在有老齡化趨勢的中國，脈搏血氧飽和度測量儀更是有它實際的意義和廣大的市場價值，在科技高度發(fā)達的社會很有意義。一、緒論（一）血氧飽和度的概念及其生理意義新陳代謝是生命的基礎，有氧代謝是人體能量供應的主體。人體的能量物質(zhì)經(jīng)過氧化分解，將它們所蘊藏的化學能釋放出來給機體利用。人體吸入氧氣，在肺部的肺泡內(nèi)與毛細血管進行氣體交換。氧分子和血紅蛋白分子能進行可逆的結(jié)合，血紅蛋白是一種結(jié)合蛋白質(zhì)。血紅蛋白的功能是運輸氧氣和二氧化碳以及對血液的酸堿度起緩沖作用。血紅蛋白由氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白組成。當血液中氧分壓升高時，血紅蛋白與氧氣結(jié)合，形成氧合血紅蛋白，反之當氧氣分壓降低時，形成還原血紅蛋白。所以氧氣分壓越高，則氧合血紅蛋白在整個血紅白中的比例越高。人體內(nèi)的血液通過心臟的收縮和舒張脈動地流過肺部，一定含量的還原血紅蛋白與肺泡中的氧氣結(jié)合變成了氧合血紅蛋白，而約的氧溶解在血漿里。這些氧通過動脈系統(tǒng)一直到達毛細血管，然后將氧釋放，維持組織細胞的新陳代謝。血氧飽和度是氧合血紅蛋白在整個血紅蛋白所占的百分比。無損傷性血氧飽和度測量儀的監(jiān)測非常有用，通過調(diào)整氧療，可避免對腦、肺、眼的損害?，F(xiàn)代脈搏血氧飽和度測量儀可按不同病情設置不同的報警限，任何因素所致的呼吸暫停、心率減慢或心率加快以及氧合改變均可以及時發(fā)現(xiàn)，是極有用的監(jiān)測醫(yī)療設備，隨著醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展和現(xiàn)代科技的進步，醫(yī)療監(jiān)護技術(shù)的發(fā)展趨勢是要求連續(xù)監(jiān)測各種生理參數(shù)，做到無創(chuàng)傷、穩(wěn)定、盡可能少的不適應感和無過敏反應，所以基于數(shù)字信號處理脈搏血氧飽和度測量儀就應運而生了?；贒SP的脈搏血氧飽和度測量儀的設計-2-（二）脈搏血氧飽和度測量儀的發(fā)展歷程對于脈搏血氧的測量最早的是在穿透血管的情況下進行的，但對于緊急情況和新生兒特殊的情況就不太適用了。現(xiàn)代的脈搏血氧測量儀是一種不需要穿透血管的情況下，連續(xù)測量人體內(nèi)動脈血氧飽和度的光電測量儀器。脈搏血氧飽和度測量儀的發(fā)展己有很長的歷史，有單片機，CMOS影像傳感器和DSP的多種方法?；c傳統(tǒng)的PCI單片機來實現(xiàn)脈搏測量儀，以PIC18C252單片機為核心的控制程序,實現(xiàn)了數(shù)字信號處理算法和計算人體脈率和血氧飽和度的復雜算法,克服了測量信號的漂移和噪聲干擾；基于CMOS影像傳感器脈搏血氧飽和度測量儀用CMOS傳感器陣列取代了傳統(tǒng)血氧儀中的光敏探測,實現(xiàn)了血氧飽和度及脈搏波的無接觸測量。由于攝像頭不能夠有效屏蔽外界光源噪聲的干擾,所設計樣機較傳統(tǒng)的血氧儀測得的飽和度值偏低,誤差偏大；本文就是基于數(shù)字信號處理(DigitalSignalProcessing，簡稱DSP)，并以芯片為核心處理單元為控制器來進行脈搏血氧飽和度的測量。（三）脈搏血氧飽和度測量儀的發(fā)展現(xiàn)狀與改進方向國外的醫(yī)療水平相對我國來說有很大的差距，脈搏血氧飽和度測量儀技術(shù)與發(fā)達國家相比差距更是大，在像美國等的一些發(fā)達國家，在很早的時候就實現(xiàn)了對脈搏血漿飽和度高技術(shù)含量的測量，起步相對我國來說早，并且血氧飽和度是一項很重要的對身體衡量標準，像發(fā)達國家都很關(guān)注國民的身體素質(zhì)，更是關(guān)注老年人的身體狀況，所以對身體的檢測技術(shù)水平高，而在我國中醫(yī)較西方醫(yī)學來說普及度高，因而對脈搏的測量還是比較傳統(tǒng)的中醫(yī)中的診脈，我國的脈搏血氧飽和度測量儀技術(shù)起步晚，對于一些構(gòu)成脈搏血氧飽和度測量儀的器件及技術(shù)我國的研究晚，技術(shù)還是不夠成熟，但是20世紀90年代以來，在我國隨著計算機的普及和發(fā)展，芯片的應用和技術(shù)也在不斷的發(fā)展和完善。在集成電路與系統(tǒng)的設計中，采用芯片輔助分析和設計的電路已獲得廣泛的應用，它可以進行原理圖設計和實驗，因而我國在脈搏血氧飽和度測量儀也取得了一些成果，能夠獨立的設計高科技的測量儀。我國已經(jīng)實現(xiàn)了利用TMS32OFZO6芯片為核心處理單元的脈搏血氧飽和度測量儀，它利用數(shù)字信號處理技術(shù)和編程語言，并用硬件電路完成對血氧飽和度準確的測量。血液成份的變化可以引起血液對紅光紅外光吸收率的變化，進而影響到血氧飽和度的測量值。例如在經(jīng)常吸煙的人的血液中一氧化碳合血紅蛋白的比率高于正常人，使得血氧飽和度的測量結(jié)果比實際值偏高，現(xiàn)有的算法并沒有考慮這方面的影響。現(xiàn)在使用的脈搏血氧測量儀采用透射式傳感器。反射式傳感器與透射式傳感器相比，光束不需要貫穿組織，獲得的光信號比透射式傳感器強，信噪比高。在一的波長范圍內(nèi)，傳感器接收端接收到的光信號的交流成份和直流成份之比，反射式傳感器和透射式傳感器沒有顯著的區(qū)別。采用特定幾何結(jié)構(gòu)的反射式傳感器可以在脈搏搏動微弱的情況下獲得較強的信號，在一定程度上克服弱灌注現(xiàn)象。測量算法的改進方向可以通過自適應濾波算法，可以消除靜脈和毛細血管充盈所引起的誤石家莊學院畢業(yè)論文-3-差。（四）數(shù)字信號處理技術(shù)數(shù)字信號處理(DigitalSignalProcessing，簡稱DSP)，數(shù)字信號處理是將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)。數(shù)字信號處理與模擬信號處理是信號處理的子集。數(shù)字信號處理的目的是對真實世界的連續(xù)模擬信號進行測量或濾波。因此在進行數(shù)字信號處理之前需要將信號從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。而數(shù)字信號處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域，這是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的。本課題采用數(shù)字信號處理芯片作為血氧飽和度測量儀的中央處理芯片，利用強大的運算能力來實現(xiàn)血氧飽和度的準確測量。數(shù)字信號處理，簡稱DSP已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到極為廣泛的應用。數(shù)字信號處理是利用專用處理器件，以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。數(shù)字信號處理作為信號與信息處理的一個分支學科、己有很長的發(fā)展歷史。但它又是一個新興的、極富活力的學科，活躍在電子學、計算機、應用數(shù)學等學科的最前沿，滲透到科學研究、技術(shù)開發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)以及國防和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，起著越來越重要的作用。數(shù)字信號處理的基礎是數(shù)字計算機和算法。算法一旦建立，就要尋找合適的計算機來有效地實現(xiàn)它們。最開始的目標是在可以接受的時間內(nèi)對算法作仿真。隨后是將波形存儲起來，事后再加以處理。隨著計算機技術(shù)和技術(shù)與器件的發(fā)展，這種仿真和脫機處理逐步演變成為實時處理。二、脈搏血氧飽和度的測量理論基礎（一）脈搏血氧飽和度測量中的光學理論基礎利用光學方法進行生