《智能心肺功能監(jiān)測裝置的設計》開題報告4700字

題目智能心肺功能監(jiān)測裝置的設計題目來源：R理論研究□生產實踐□實驗室□創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)（科技競賽、大創(chuàng)項目）□教學科研項目□其它（請注明）：是否在實驗、實習、工程實踐和社會調查等社會實踐中完成：R是□否研究的目的和意義伴隨著電子測量技術的突飛猛進，現(xiàn)代電子測量設備也向著數(shù)字化、自動化等多個方面不斷地發(fā)展進步。本課題設計的基于GSM的心率和肺活量在線檢測系統(tǒng)性能良好，結構簡單，有較好的應用和推廣價值，本系統(tǒng)可以實時監(jiān)測用戶的肺活量信息以及心率值，還可以顯示出心率圖以供參考。為了更方便的了解用戶的心率以及肺活量信息，在肺活量或心率異常的情況下，可以通過GSM通信模塊對家人進行緊急報警功能。為了測量脈搏，我們必須通過收集人體動脈搏動變化而衍生的一系列人體生理信息，通過采集這些人體生理信息，并且經(jīng)過轉化之后，就可以得到物理信號，然后再對物理變化進行分析，就可以得到人體心臟跳動的變化，最后就可以推斷出每分鐘人體心臟跳動的次數(shù)，而采集到的各種信息都需要儲存裝置進行儲存，這時就可以把物理變化和脈沖波數(shù)放入這個儲存裝置進行儲存，而這個儲存裝置就需要相匹配的硬件電路和半導體元件進行處理。在硬件設計中，一般的物理信號都是電位差的變化，系統(tǒng)必須由傳感器、單片機電路、信號處理、按鍵電路、通訊電路、顯示電路等電路模塊組成。國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢伴隨著現(xiàn)在各種技術的不斷創(chuàng)新和進步，脈沖測量技術也在不斷創(chuàng)新和進步，脈沖測量的誤差率也隨之變得越來越低。全球各國也不斷地研制出種類繁多的脈沖測量儀器，從而脈沖測量的手段不再局限于以前的搭脈測量方法和聽診器測量方法。為了讓脈沖測量技術可以得到更加精確的數(shù)據(jù)，可以使用各種精密電子儀器進行測量。大量的生理信息從人體脈搏信號中分析得出，漸漸地通過這些信息的作用也引起了醫(yī)生們的注意，從而達到了快速、精確、便捷的測量脈搏的目的。伴隨著電子測量技術的突飛猛進，現(xiàn)代電子測量設備也向著數(shù)字化、自動化等多個方面不斷地發(fā)展進步。所研制的脈沖測量儀具備了內部構造簡單、性能優(yōu)越等優(yōu)點，擁有良好的推廣和使用價值。脈沖測量初期使用在運動測量方面，動脈搏動傳感器就是這一研究的重要部分。而接觸式傳感器的研究作為重點方向，在開始的時候也是使用在體育測量方面動脈搏動測試研究的重點，但是通過傳感器研發(fā)的電子儀器在測量手指、耳朵這些具有脈搏效應的地方時，通常會伴隨著一些問題。測量手指部位時比較容易操作且步驟較少，但是，因為手指部位容易經(jīng)常出汗，夾手指的器械在不斷地使用中容易受到磨損和污染，從而導致感應元件的感應能力下降；因為耳朵部位比較干凈，測量儀器在使用時，感應元件在測量的過程中不太容易受到污染，而且日常維護比較方便。但是，因耳朵的耳廓部位比較薄，耳部的溫度在一年四季中的各個時段隨著氣候的變化而變化，從而導致溫差變化比較不穩(wěn)定，從而導致測量出來的溫度數(shù)值不夠準確。以前用于中老年人和醫(yī)院的監(jiān)護電子設備，例如便攜式電子血壓計，可以檢測動脈搏動,但由于這種設備是通過其中的氣泵加壓，然后對膠皮氣囊進行充氣，每次使用的時候都需要經(jīng)過一個充氣和排氣的過程，在氣囊會變大、充氣、排氣這一過程中會出現(xiàn)身體不舒服、動脈搏動測量的數(shù)值不準確等不足之處。動脈搏動檢測儀的未來發(fā)展方向會出現(xiàn)以下幾個方面：

（1）自動檢測動脈搏動并且會對收集到數(shù)值進行自動分析。

現(xiàn)在許多的動脈搏動檢測儀器都具備一些附加功能，但由于這些信號的判斷需要專業(yè)的人員進行分析，正常個人是不具備這些能力的，所以需要專業(yè)人員分析才可以得到結果，這樣就浪費了大量的社會資源，因為人為因素在會導致結果不準確。所以，以后的動脈搏動自動檢測儀器將會擁有更多檢測分析功能，這樣診斷的數(shù)據(jù)也將會更加全面和詳細。（2）數(shù)字化等先進技術的應用。隨著現(xiàn)在數(shù)字科學技術的不斷發(fā)展，脈搏測量器的集成度將越來越高，更加便于攜帶使用。數(shù)字信號處理技術的運用將會使干擾變小，測量結果更加準確。（3）多功能化更加明顯目前的脈搏測量儀，正常都具有心電圖，測試血氧等功能，單一的脈搏測量器已經(jīng)非常少見。伴隨著電子技術的快速發(fā)展，脈搏測量器必將擁有更多的功能。人體動脈搏動檢測儀是用來檢測人體心臟每分鐘跳動次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的重要組成部分。心臟跳動頻率通常采用每分鐘心臟跳動的次數(shù)來表示。使用帶有數(shù)字顯示屏的動脈搏動檢測儀器檢測心臟每分鐘跳動的次數(shù)不僅計算精確，而且操作簡單，檢測的數(shù)值更加通俗易懂。通過查看的資料發(fā)現(xiàn)主要的心率采集通常有三種方法：采用紅色發(fā)光二極管、采用反射式的紅外管和采用壓電陶瓷芯片這三種方法實現(xiàn)。

=1\*GB3①：采用紅色發(fā)光二極管。伴隨著心臟的跳動，人體組織的半透明度會隨著心臟的跳動而一起改變。當血液由心臟輸送到四肢時，人體組織的半透明度會隨之削弱；當血液從四肢回流到心臟的時候，人體組織的半透明度會隨之加強。尤其是在人體組織較薄的地方變化最為顯著，比如：手指尖、耳垂等地方。因此，將心率檢測儀對準人體的指尖、耳垂等位置時，紅外發(fā)光二極管會將紅外線照射在這些地方，這時通過另一側的紅外光電管對人體組織的透明度進行檢測，然后把透明度的強弱轉化為電信號。因為電信號的每分鐘的次數(shù)和心率成正比，所以只需要把電信號轉化為脈沖信號就可以整形、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)檢測過程中全時段檢測心率的目的。=2\*GB3②：采用反射式的紅外管。現(xiàn)在的心率檢測儀主要通過這種傳感器收集信號，主要是反射式紅外管的信號發(fā)射器和信號接收器都位于手指的同一側，所以就可以不用考慮手指大小、形狀不一樣等方面的情況了。但由于對這種傳感器的知識掌握不是太多，所以也不太可能實現(xiàn)這些功能。=3\*GB3③：采用壓電陶瓷片。通過動脈搏動的跳動采集信號。伴隨著心臟的跳動，人體手腕處的脈搏和脖子處的搏動比較容易察覺，把這種傳感器放在手腕處和脖子這兩個位置，把傳感器所得到的電信號轉化成為脈沖信號并進行整形、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)檢測過程中全時段檢測心率的目的。當心臟跳動時，壓電陶瓷片會隨著動脈波動的跳動轉化出相對應的信號，雖然這種方式已經(jīng)不是那么先進，但是特別實用而且很容易實現(xiàn)，檢測的時候可以很清晰的接收到信號的實際變化。人體主動脈會隨著心臟的跳動不斷地收縮與舒張，這時血液會隨著心臟不斷地泵出，沿著主動脈向整個動脈系統(tǒng)不斷輸送血液，在這個過程中會產生一種波，這種波就叫做脈搏波。而醫(yī)生的診斷和治病的依據(jù)就是由脈搏波中收集到的人體心理病理信息提供，這些信息一直以來都被全世界的醫(yī)學界的高度關注。脈搏波會表現(xiàn)出形態(tài)(波形)、強度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合數(shù)據(jù)信息，在很大程度上反映出了人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征,因此收集和分析脈搏波存在著特別高的醫(yī)學價值和應用前景。但由于人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號,

脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號,因此須經(jīng)過放大和過濾之后才能達到使用標準。對于體溫的測量采用NTC熱敏電阻與分壓電阻進行連接，然后通過STC單片機的AD接口進行采集其電壓AD值，并通過內部的計算進行查表，選擇出其AD電壓值對應的體溫值。1.接觸式檢測接觸式檢測是指利用電極或者傳感器直接與人體接觸的測量方式來檢測生理信號，是目前臨床中最常見的檢測方式。心電信號方面的檢測已經(jīng)發(fā)展得極其成熟，在臨床中有著廣泛的應用，并且遠程監(jiān)護也得到了實現(xiàn)。浙江大學李羅等[2]以MSP430為核心實現(xiàn)了心電信號的采集、存儲、QRS波提取以及發(fā)送，實現(xiàn)心電信號的遠程監(jiān)護。國內外對于呼吸信號的檢測有多種方法，主要有阻抗容積法[3]、口鼻氣流傳感器法[4]以及基于心電信號提取呼吸信號[5](ECG-DerivedRespiratory,EDR)。上述方法均需要在人體皮膚表面貼電極或者在口腔鼻腔置入探針，會給受監(jiān)護者帶來種種限制，不適合日常監(jiān)測。為了給受監(jiān)護者提供舒適的環(huán)境，非接觸監(jiān)測引起了國內外研究者的關注。圖1傳統(tǒng)貼片式心電采集裝置2.非接觸式檢測非接觸式檢測方法有很多，例如光電容積描記法、生物雷達檢測技術、紅外檢測技術和電磁感應檢測技術等。圖2使用光電容積描計傳感器的小米手環(huán)光電容積描記法[6](Photoplethysmography,PPG)：利用光電轉換手段檢測活體組織中血液容積變化的手段。LED向皮膚發(fā)射光，光敏傳感器接收皮膚組織反射光，轉換成電信號再經(jīng)過AD轉換成數(shù)字信號。心臟收縮舒張影響血液容積，從而影響光吸收量，因此光電容積描記法能夠獲得容積脈搏血流的變化，包含著豐富的血管系統(tǒng)生理信息。圖3彩色多普勒超聲診斷儀生物雷達檢測技術[7]：利用無線電微波進行生命體信息的探測。生物雷達通過對生命體發(fā)射電磁波并接收回波信號，進而獲得生命體的生理參數(shù)、波形、圖像以及目標的距離等[7,8]。V.Petrini和L.Scalise等人[9]提出了一種基于掃描傳輸和反射系數(shù)來確定對象的呼吸頻率。該方法不僅能計算呼吸頻率，還能獲得被檢測目標的位置以及動作，通過進一步信號處理，甚至能區(qū)分不同的運動。這種方法穿透能力較強，能適用于遠距離檢測。圖4熱紅外相機檢測心率實驗儀器圖紅外檢測技術[10]：輻射的頻率和溫度成正相關，輻射頻率隨著溫度的升高而升高，因此可以通過探測紅外線的頻率變化得到人體熱能變化，比如探測鼻腔氣體和主要動脈的熱量變化得到呼吸信號和脈搏信號。SergeyY.Chekmenev等[10]利用被動紅外傳感器以非接觸非侵入的方式測量動脈脈搏。熱紅外成像攝影機被用來檢測頸區(qū)、頸動脈血管區(qū)以及鼻子區(qū)域的溫度變化，并用基于多分辨率小波的信號分析方法提取動脈脈搏波形，并在心率測量方面有100%的準確性。研究采用的方法和手段本論文是使用51單片機作為基礎，在檢測被測者的心率時應用了PulseSensor心率檢測模塊進行測量，通過GSM功能模塊向用戶發(fā)送開機檢查信息和心率報警信息，同時通過肺活量檢測模塊對肺活量進行測量。用戶采用2個不同功能的按鍵進行不同模式、參數(shù)設置，當確定肺活量上限數(shù)值和心率上限數(shù)值后，系統(tǒng)開機自動檢測，并向手機發(fā)送開機檢測信息。當溫度檢測時，如果肺活量數(shù)值出現(xiàn)異常，則向手機接收端發(fā)送肺活量異常報警信息，若肺活量數(shù)值正常，則繼續(xù)進行下一項心率檢測。當手動切換至心率檢測時，如果心率數(shù)值出現(xiàn)異常，則向手機接收端發(fā)送體心率常報警信息，若體心率值正常，則繼續(xù)循環(huán)檢測。并且在檢測同時，OLED顯示屏會顯示實時的肺活量數(shù)值、心率數(shù)值和心率波動圖。主要研究內容.主要任務：本課題計劃設計一套非侵入式、微型化的人體心肺功能監(jiān)測裝置，可以檢測患者靜止狀態(tài)的心臟、肺功能情況。2.具體要求：功能要求：（1）監(jiān)測人體心臟的跳動是否正常；（2）測量人體的肺活量；（3）顯示監(jiān)測到的人體的肺活量和心跳；（4）進行肺活量和心跳監(jiān)測結果的聲音播放；（5）心肺標準值可進行手動設定；畢業(yè)設計（論文）進度安排：2022.12.03-2023.01.14根據(jù)任務書，查閱、整理相關資料，完成開題答辯及開題報告2023.01.15-2023.04.10進行畢業(yè)設計工作及撰寫畢業(yè)設計論文2023.04.11-2023.04.13提交畢業(yè)設計中期檢查報告2023.04.14-2023.05.11完善畢業(yè)設計論文內容及排版，論文定稿并進行重復率檢測2023.05.12-2023.05.26提交技術資料，準備答辯2023.05.27-2023.06.04畢業(yè)設計答辯2023.06.05-2023.06.08提交終稿、重復率檢查2023.06.09-2023.06.15材料歸檔指導教師意見：指導教師:年月日開題評議小組意見：（包括對設計（論文）的選題、難度、進度、工作量、形式意見）：1.設計（論文）選題:□有理論意義；□有實用價值；□有理論意義與實用價值；□意義不大；2.設計（論文）的難度:□偏高；□適當；□偏低；3.設計（論文）