畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告- 基于單片機(jī)的血氧飽和度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

1、中國(guó)計(jì)量學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文開題報(bào)告學(xué)生姓名： 韓 昊 學(xué) 號(hào)： 0600103229 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 07電氣2班 設(shè)計(jì)論文題目： 基于單片機(jī)的血氧飽和度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 李 璟 二級(jí)學(xué)院： 機(jī)電工程學(xué)院 2011年 3月 15日一、 選題的背景與意義1 研究背景隨著社會(huì)的進(jìn)步，人民生活水平逐漸提高，各類心腦血管疾病逐漸呈高發(fā)趨勢(shì)。在日常生活中及醫(yī)療過(guò)程中對(duì)人體的狀態(tài)檢測(cè)及監(jiān)護(hù)病房中患者的體征信號(hào)監(jiān)測(cè)，成為一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的課題。解決這些問(wèn)題涉及到的一個(gè)重要測(cè)量參數(shù)是肌體的血氧飽和度。血氧飽和度定義為人體動(dòng)脈血管中氧合血紅蛋白HbO2占全體血紅蛋白總量的比例1。血氧飽和度

2、是反映人體呼吸系統(tǒng)，血管運(yùn)輸氧能力，及新陳代謝重要的參數(shù)。因此，脈搏血氧飽和度的監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為現(xiàn)代醫(yī)療必不可少的監(jiān)測(cè)手段之一23。在現(xiàn)代生理多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀中，都包含血氧飽和度監(jiān)測(cè)這一模塊。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，特別是單片機(jī)的引入，使得其性能不斷提高，應(yīng)用范圍愈來(lái)愈廣2。2 開展現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)動(dòng)脈血氧飽和度可以對(duì)肺的氧合血紅蛋白攜氧能力進(jìn)行估計(jì)。在臨床實(shí)踐中，估計(jì)動(dòng)脈氧合的能力常采用的是取動(dòng)脈血，在數(shù)分鐘內(nèi)測(cè)量動(dòng)脈氧分壓(Pa02)，并計(jì)算動(dòng)脈血氧飽和度(Sa02)。但這種方法需要?jiǎng)用}穿刺或者插管，對(duì)病人有痛苦，并且不能連續(xù)監(jiān)測(cè)，在病人處于危險(xiǎn)狀況時(shí)，就不易使病人得到及時(shí)的治療。因此，一

3、種采用無(wú)損光譜學(xué)方法連續(xù)檢測(cè)人體的動(dòng)脈血氧含量的方法應(yīng)運(yùn)而生4。脈搏血氧測(cè)量?jī)x是無(wú)創(chuàng)測(cè)量人體內(nèi)動(dòng)脈血氧飽和度的光電測(cè)量?jī)x器。脈搏血氧測(cè)量?jī)x是基于以下兩個(gè)根本的物理學(xué)原理進(jìn)行的研究，一是光電比色原理;二是脈搏容積描記法原理。利用這兩個(gè)原理篩選出動(dòng)脈的脈搏波中的血氧飽和度的計(jì)算參量45。脈搏血氧測(cè)量?jī)x可以進(jìn)行連續(xù)的氧合估計(jì)，在對(duì)病危病人的手術(shù)中可以快速提供血氧信息，在對(duì)需要連續(xù)輔助樣治療的病人可以用于決定氧的需要量，社區(qū)醫(yī)療的監(jiān)護(hù)過(guò)程中及時(shí)快速的對(duì)SpO2的監(jiān)測(cè)，對(duì)中風(fēng)病人和心肌堵塞等患者的及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)治療都有非常重要的意義6?，F(xiàn)代脈搏血氧測(cè)量?jī)x可按不同病情設(shè)置不同的報(bào)警限，任何因素所致的呼吸暫停

4、、心率減慢或心率加快以及氧合改變均可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，是極有用的監(jiān)測(cè)醫(yī)療設(shè)備。3 研究的意義脈搏波的波形形態(tài)及特征值能揭示人體心血管系統(tǒng)的生理病理狀況，血氧信號(hào)能反映人體的呼吸系統(tǒng)情況，因此對(duì)脈搏血氧信號(hào)的研究具有十分重要的價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景4。脈搏血氧信號(hào)作為人體系統(tǒng)活動(dòng)的外在表現(xiàn)，其反應(yīng)的人體信息含量是巨大的，迄今為止還有諸多信息內(nèi)涵未能得到說(shuō)明。在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下和弱灌注情況下準(zhǔn)確的測(cè)量血氧飽和度、光電傳感器探頭的改良是今后脈搏血氧測(cè)量?jī)x的焦點(diǎn)課題。脈搏血氧測(cè)量?jī)x的小型化，血氧飽和度值的無(wú)線傳輸是今后的開展趨勢(shì)9?？傊}搏血氧信號(hào)的測(cè)量與研究是一項(xiàng)艱巨，但對(duì)臨床醫(yī)學(xué)現(xiàn)代化和標(biāo)準(zhǔn)化等方面具有重大意

5、義的工作。二、 研究?jī)?nèi)容及擬解決問(wèn)題1 研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容是以AT89C51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一款血氧飽和度測(cè)量?jī)x，該測(cè)量?jī)x能實(shí)現(xiàn)的功能有：一脈搏數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，檢測(cè)結(jié)果LED顯示。二血氧檢測(cè)范圍：40100%，精度：3 %(70-100%)。三心率同步檢測(cè)，范圍：0200bpm2 擬解決問(wèn)題在本次設(shè)計(jì)中需要解決的問(wèn)題有：時(shí)序控制光源驅(qū)動(dòng)電路，編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)結(jié)果液晶顯示、信號(hào)的增益調(diào)節(jié)，數(shù)字濾波技術(shù)減少噪聲干擾和減少基線漂移。三、 技術(shù)路線、研究方案與可行性分析1 測(cè)量原理脈搏血氧測(cè)量是基于兩個(gè)根本的物理學(xué)原理進(jìn)行的研究，即光電比色原理和脈搏容積描記法原理。1光電比色法原理在此次設(shè)計(jì)所用

6、到的是朗伯比爾定律，該定律是光吸收的根本定律，適用于所有的電磁輻射和所有的吸光物質(zhì)，指光被吸收的量正比于光程中的物質(zhì)發(fā)生光吸收的分子數(shù)目。朗伯比爾定律的公式為log(IO/I)= Cl公式中 Io和I分別為入射光及通過(guò)樣品后的透射光強(qiáng)度；logIo/I稱為吸光度(absorbance)舊稱光密度(optical density)；C為樣品濃度；l為光程；為光被吸收的比例系數(shù)。當(dāng)濃度采用摩爾濃度時(shí)，為摩爾吸收系數(shù)。它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。在此次設(shè)計(jì)中，選取的660nm紅光和940nm紅外光透射肌體后，檢測(cè)的光電容積脈搏波信號(hào)中，將交流分量和直流分量分別提取出來(lái)，可以對(duì)應(yīng)并替換光強(qiáng)，

7、從而計(jì)算血氧飽和度46。2脈搏容積描記法原理光電容積脈搏波描記法(PhotoPlethysmoGraphy, PPG)是借光電手段在活體組織中檢測(cè)血液容積變化的一種無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法。當(dāng)一定波長(zhǎng)的光束照射到指端皮膚外表時(shí)，光束將通過(guò)透射或反射方式傳送到光電接收器。在此過(guò)程中由于受到指端皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用，檢測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)度將減弱。其中皮膚、肌肉、組織等對(duì)光的吸收在整個(gè)血液循環(huán)中是保持恒定不變的，而皮膚內(nèi)的血液容積在心臟作用下呈搏動(dòng)性變化，留神臟收縮時(shí)外周血容量最多，光吸收量也最大，檢測(cè)到的光強(qiáng)度最?。欢谛呐K舒張時(shí)，正好相反，檢測(cè)到的光強(qiáng)度最大，使光接收器接收到的光強(qiáng)度隨之呈脈動(dòng)性變化。

8、將此光強(qiáng)度變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，便可獲得容積脈搏血流的變化。經(jīng)研究證實(shí)，靜脈血和非血成分對(duì)紅光和紅外光的吸收系數(shù)是恒定的，不隨脈動(dòng)過(guò)程而變化，因此它們只對(duì)光信號(hào)中的直流分量大小發(fā)生影響。在此次設(shè)計(jì)中，光電容積脈搏描記法檢出的脈搏波信號(hào)中已經(jīng)濾除了皮膚、組織對(duì)光吸收度的干擾，只包含血液成分被透射后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到脈搏波，再通過(guò)數(shù)字濾波算法可以減少靜脈血脈動(dòng)對(duì)結(jié)果的影響4。2 技術(shù)路線方案基于AT89C51單片機(jī)的血氧飽和度測(cè)量?jī)x由AT89C51單片機(jī)、光源驅(qū)動(dòng)、指套式光電傳感器、前置放大電路、積分濾波、基線調(diào)整、增益調(diào)節(jié)、液晶顯示、鍵盤控制、電源電路等局部組成。因?yàn)槭菍?duì)人的手指作為測(cè)量的部位，所

9、以選用的是指套式光電傳感器。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。89C51單片機(jī)光傳感器A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序控制傳感器驅(qū)動(dòng)電路增益調(diào)節(jié)積分濾波前置放大基線調(diào)整LED顯示電源電路圖1、血氧飽和度測(cè)量?jī)x系統(tǒng)框圖 軟件局部主要有主程序模塊、定時(shí)計(jì)數(shù)中斷、A/D控制、程序控制增益調(diào)節(jié)、顯示子程序效勞程序、鍵盤效勞程序、鍵盤控制程序等組成。流程圖如圖2所示。開始硬件初始化定時(shí)發(fā)送相應(yīng)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)增益控制采集脈搏血氧信號(hào)波形識(shí)別數(shù)字濾波A/D采樣A/D中斷計(jì)算SaO2值能否計(jì)算SaO2值顯示SaO2值NY圖2、系統(tǒng)控制流程圖3 可行性分析 AT89C51單片機(jī)的簡(jiǎn)介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低

10、電壓、高性能CMOS8位微處理器，采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容，三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定，128*8位內(nèi)部RAM，32可編程I/O線，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源 ，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。AT89S51有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出I/O端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器，允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)編程，亦適于常規(guī)編程器。3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原那么1實(shí)時(shí)性原那么由于工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，所以對(duì)應(yīng)用軟件的執(zhí)行

11、速度有一定的要求，即能夠在被控對(duì)象允許的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制、計(jì)算和處理。2靈活性和通用性原那么在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中，為了節(jié)省內(nèi)存和具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，通常要求有一定的靈活性和通用性。為此，可以采用模塊結(jié)構(gòu)，盡量將共用的程序編成子程序如控制算法程序、數(shù)據(jù)采集程序、鍵盤效勞程序、鍵盤控制程序等。3可靠性原那么在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的可靠性是至關(guān)重要的，它是系統(tǒng)正常運(yùn)行的根本保障。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性除了取決于系統(tǒng)的硬件的組成外，還要取決于系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。3. 3 系統(tǒng)的布局原那么1首先考慮PCB板尺寸，其大小應(yīng)適中。電路板最正確形狀為矩形，長(zhǎng)寬比為3:2或4:3。2以每個(gè)功能電路的核心元件為

12、中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接,去耦電容盡量靠近器件的VCC。位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。 3在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。4按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。5盡可能地減小環(huán)路面積，以抑制開關(guān)電源的輻射干擾。四、 實(shí)施方案1、2月27日-3月14日：資料的查詢、翻譯、整理，題目可行性的分析，根本方案確實(shí)定，完成開題報(bào)告。 2、3月15日-3月27日：進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)方案，尋找最正確方案。

13、 3、3月28日-4月30日：完成軟硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試并在實(shí)驗(yàn)室演示。 4、5月1日-5月31日：完成畢業(yè)論文、準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)辯論五、 參考文獻(xiàn)1 游薦波, 劉希順, 閆凌. 基于C8051F021單片機(jī)的血氧飽和度測(cè)量?jī)x的研制J. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2021,(13) .2李文耀, 王博亮, 戴君偉. 基于PIC單片機(jī)的脈搏血氧測(cè)量?jī)x的研制J. 廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005,(4) .3王秀章，陳聲權(quán). 脈搏式血氧飽和度檢測(cè)方法的研究J. 中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志, 1995,(1) .4 宋相和, 王耘. 脈搏波:溝通中醫(yī)和西醫(yī)的橋梁J. 中西醫(yī)結(jié)合學(xué)報(bào), 2021,(9) . 5馮奇.

14、基于MSP430超低功耗處理器的監(jiān)護(hù)儀脈搏血氧模塊J. 中國(guó)儀器儀表, 2006,(3) .6張寧, 陳亞明,鄧親愷. 基于MSP430F149的血氧飽和度檢測(cè)儀J. 中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志, 2004,(3) . 7 于巍, 古慶恩, 黃世安. 脈搏血氧飽和度監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展J. 中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備, 2021,(4). 8蘇永春, 姚翔, 梁妃學(xué), 于巍, 鄧親愷. 基于獨(dú)立分量分析的脈搏波信號(hào)的降噪處理J. 醫(yī)療設(shè)備信息, 2006,(6) .9 .蘇永春, 于巍, 姚翔, 梁妃學(xué), 鄧親愷. 利用LMS算法處理血氧飽和度監(jiān)測(cè)中的脈搏波信號(hào)J. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2006,(7) .10張虹, 孫

15、衛(wèi)新, , 2000,(2) .11張虹, 孫衛(wèi)新, 金捷. 脈搏血氧飽和度檢測(cè)中自適應(yīng)濾波消除運(yùn)動(dòng)偽差的方法研究J. 生物醫(yī)學(xué)工程與臨床, 2001,(1) .12李剛, 李尚穎, 林凌, 王焱, 李曉霞, 盧志楊. 基于動(dòng)態(tài)光譜的脈搏血氧測(cè)量精度分析J. 光譜學(xué)與光譜分析, 2006,(10).13張坤, 焦騰, 付峰, 張?chǎng)? 董秀珍. 運(yùn)用小波模極大值濾波算法消除光電容積脈搏波中的運(yùn)動(dòng)干擾J. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2021,(3) .14Meir Nitzan,Haim Taitelbaum.The measurement of oxygen saturation in arterial and venous bloodJ. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine,2021,06:9