【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論 文)無創(chuàng)手指式脈搏血氧飽和度測(cè)量技術(shù)系 別自動(dòng)化工程系專 業(yè)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)班 級(jí)5061606姓 名鄒達(dá)指導(dǎo)教師賀忠海2010 年06 月16 日 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 67頁無創(chuàng)手指式脈搏血氧飽和度測(cè)量技術(shù)摘 要血氧飽和度是臨床醫(yī)療上重要的基礎(chǔ)參數(shù)。采用手指脈搏血氧測(cè)量法的最大特點(diǎn)是將傳感器直接置于體表手指處進(jìn)行測(cè)量，不需要插入血管，也不需要采血樣，所以極易為臨床應(yīng)用和家庭保健場(chǎng)合所接受，在無創(chuàng)條件下實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量動(dòng)脈血氧飽和度，應(yīng)用前景廣泛。本論文簡要地介紹了手指式脈搏血氧測(cè)量技術(shù)的意義，國內(nèi)外的發(fā)展歷史、發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。根據(jù)近年來微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)所取得重大成就，并結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，利用C語言軟件程序，本課題提出了基于朗伯比爾定律和雙波長法的脈搏血氧測(cè)量的原理，并且在該原理的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了一套數(shù)字化脈搏血氧檢測(cè)系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要包括單片機(jī)模塊、光源驅(qū)動(dòng)電路、光電轉(zhuǎn)換電路、前置放大模塊、同步檢波與正負(fù)極切換電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、存儲(chǔ)器模塊、電源模塊、液晶顯示模塊和USB模塊。單片機(jī)模塊選用ATMEL公司的AT89C55WD芯片。A/D模塊電路主要完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便后續(xù)的處理。同時(shí)系統(tǒng)外擴(kuò)了存儲(chǔ)器。電源模塊保證了各個(gè)芯片的正常工作電壓。對(duì)系統(tǒng)各個(gè)單元結(jié)構(gòu)的功能與實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳盡的分析。軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)時(shí)序設(shè)計(jì)、信號(hào)的預(yù)處理以及移動(dòng)平均處理。系統(tǒng)時(shí)序設(shè)計(jì)主要是使得紅光發(fā)射管與紅外光發(fā)射管交替發(fā)光。信號(hào)的處理是軟件設(shè)計(jì)的核心，涉及數(shù)字信號(hào)處理方面的知識(shí)，采用數(shù)字濾波技術(shù)減少噪聲干擾和減少基線漂移，自學(xué)習(xí)閾值判別方法消除運(yùn)動(dòng)偽影干擾。采用采用五點(diǎn)差分法提取脈搏波的特征點(diǎn)。本論文已完成了無創(chuàng)手指脈搏血氧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)脈血氧度的無創(chuàng)測(cè)量。使用USB接口傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)血氧信號(hào)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的通訊。本系統(tǒng)結(jié)合了便攜性、高精度與低功耗、低成本，是需要對(duì)動(dòng)脈血氧度進(jìn)行健康檢測(cè)的人群的理想選擇。關(guān)鍵詞：朗伯比爾定律，血氧飽和度，脈搏血氧測(cè)定法，無創(chuàng)檢測(cè)，脈搏波Measurement Technology of Noninvasive Pulse Oxygen Saturation Degree Author: Zou Da Tutor: He ZhonghaiABSTRACTOxygen saturation is an important basis for clinical parameters. The most prominent feature of the method using finger oximetry is placing a sensor directly on the index finger. So it does not need to insert the vessel and does not require blood samples. It is easy for clinical application and could be easy for family healthcare situations to accept it. There will be a wide prospect to achieve continuous measurement of arterial oxygen saturation under noninvasive conditions. This paper briefly introduces the finger pulse oximetry technology, the meaning, history of development at home and abroad, current development and applications. According to the development of microelectronics, puter hardware and software technology and modern signal processing technology in recent years, bined with microunit chip technology and C language, this issue was proposed based on the Lambert Beer law, and the dualwavelength method of pulse oxygen measurement principle. Under the guidance of the principle, it is possible to design a set of digital pulse oxygen detection system.Hardware system includes microunit chip module, light source drive circuit, photoelectric conversion circuit, preamplifier modules, synchronous detection and the positive and negative switch circuit, A/D converter, memory modules, power modules, liquid crystal display and USB module. MCU module is designed by choosing ATMEL’s AT89C55WD chip. A / D module circuit was pleted for conversion, in order to render to followup treatment. At the same time the system extends memory. The power module ensures the normal operating voltage. The detailed analysis of the function of each unit and the methods of implementation are made in the issue.Software design includes system timing design, signal preprocessing and the moving average processing. System timing design is mainly for red light and infrared light tube to luminous alternately. Signal processing is the core of the software design. It involves knowledge of digital signal processing such as using digital filtering techniques to reduce noise and reduce the baseline drift, using selflearning threshold value based method to eliminate motion artifact interference. It also applies the method of fivepoint difference to detect the characteristic points of pulse wave.This thesis has been pleted the design of noninvasive finger pulse oxygen system and achieved the goal of the measurement to arterial oxygen. Using the USB interface to transfer data, it pleted the munication between blood oxygen signal system and puters. This system bines portability, high accuracy and low power consumption, low cost。 it is the ideal choice for people who want to detect their arterial blood oxygen degree.Key words: LambertBeer Law, blood oxygen saturation, pulse oximetry, noninvasive detection, pulse wave目 錄摘要 IABSTRACT II1 緒論 1 本課題研究領(lǐng)域的意義 1 紅外光譜血氧儀發(fā)展概況 2 目前世界的研究水平 4 目前國內(nèi)的研究水平 4 應(yīng)用前景分析 5 本文的主要研究內(nèi)容 52血氧信號(hào)檢測(cè)算法 73系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13 系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu) 13 單片機(jī)系統(tǒng)核心模塊 14 單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)流程 14 單片機(jī)芯片的選型 16 AT89C55WD單片機(jī)芯片 17 光源及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 18 光源類型的選擇 19 驅(qū)動(dòng)電路 19 光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 21 前置放大模塊電路 22 同步檢波、正/負(fù)極切換電路 25 26 高通濾波器 26 二階巴特沃茲低通濾波器 28 50Hz陷波器 29 A/D轉(zhuǎn)換模塊 32 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理 32 A/D轉(zhuǎn)換的幾種不同類型 32 TLC1543芯片 33 電源管理模塊 37 MAX1675芯片 38 ICL7660芯片 39 AS1117 40 存儲(chǔ)及串口通訊模塊 41 液晶顯示模塊 45 硬件設(shè)計(jì)小結(jié) 474系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 48 系統(tǒng)時(shí)序控制 48 系統(tǒng)軟件流程圖 48 信號(hào)處理設(shè)計(jì) 48 光電容積脈搏波概述 48 信號(hào)的預(yù)處理 51 軟件小結(jié) 545 定標(biāo)方法 55 概述 55 定標(biāo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 56結(jié)論 57致謝 59參考文獻(xiàn) 60附錄：譯文 621 緒論 本課題研究領(lǐng)域的意義人體組織細(xì)胞進(jìn)行新陳代謝所需要的氧是通過血液傳輸獲取的。血紅蛋白是組織中氧的主要載體，它由氧合血紅蛋白()和還原血紅蛋白()組成。血氧飽和度()是氧合血紅蛋白在整個(gè)血紅蛋白所占的百分比，是血液攜氧能力的重要指標(biāo)。人體內(nèi)的血液通過心臟的收縮和舒張脈動(dòng)地流過肺部, 一定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,只有約2％ 氧溶解在血漿中。這些血通過動(dòng)脈系統(tǒng)一直到達(dá)毛細(xì)血管。毛細(xì)血管中, 氧合血紅蛋白釋放氧, 為組織新陳代謝所利用, 從而還原為還原血紅蛋白。最后血液經(jīng)靜脈系統(tǒng)回流到心臟, 開始下一輪的循環(huán)。傳統(tǒng)的血氧飽和度測(cè)量方法是先進(jìn)行人體采血,再利用血?dú)夥治鰞x進(jìn)行電化學(xué)分析,測(cè)出血分壓,計(jì)算。這種方法比較麻煩,且不能進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)。近年來被廣泛關(guān)注的測(cè)量技術(shù)是近紅外光譜法，它是利用血液中血紅蛋白等吸收譜在不同波長下差異來測(cè)定血氧飽和度。 氧是維持人體生命的重要物質(zhì)，氧的含量只有達(dá)到一定的濃度才能滿足人體正常的新陳代謝所需。人體組織細(xì)胞進(jìn)行新陳代謝所需要的氧是從血液中獲取的，血液在通過肺泡時(shí)和氧結(jié)合，并攜帶到全身組織。人體組織細(xì)胞的正常生理活動(dòng)均有賴于連續(xù)而充足的氧供應(yīng)。血紅蛋白是組織中氧的主要載體，它由氧合血紅蛋白()和還原血紅蛋白()組成。人體內(nèi)的血液通過心臟的收縮和舒張脈動(dòng)地流過肺部，一定含量的還原血紅蛋白()與肺泡中的98%的氧氣結(jié)合變成了氧合血紅蛋白()。這些氧通過動(dòng)脈系統(tǒng)一直到達(dá)毛細(xì)血管，然后將氧釋放，維持組織細(xì)胞的新陳代謝。血氧飽和度()是氧合血紅蛋白()在整個(gè)血紅蛋白所占的百分比。因此，血氧指標(biāo)是人體一個(gè)重要生理參數(shù)，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)。 紅外光譜血氧儀發(fā)展概況基于LambertBeer定律的血氧飽和度測(cè)量的研制可以追溯到十九世紀(jì)。LambertBeer定律描述了光的傳播與光密度的關(guān)系。Bunsen和Kirchhoff于1860年改進(jìn)分光光度計(jì)和隨后不久Stokes和HoppeSeyler對(duì)血色素的氧氣運(yùn)輸功能的闡述，為血氧飽和度測(cè)量的發(fā)展鋪平了道路。1932年，Nicolai和Kramer這兩位科學(xué)家研制接近于現(xiàn)今使用的脈搏血氧飽和度測(cè)量儀。1935年，Matthes研制了第一個(gè)雙波長的耳部血氧測(cè)量探頭。但這種設(shè)備測(cè)量緩慢，、需要頻繁地校準(zhǔn)，需要大量的輔助設(shè)備，并且不能有效的區(qū)分動(dòng)脈和靜脈血流。這種早期設(shè)備采用紅光和綠光作為光源，改進(jìn)后改用紅光和紅外光，提高了該設(shè)備的測(cè)量精確度。利用氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白獨(dú)特的光譜吸收特性測(cè)量人體血氧飽和度, 可以追溯到1940年。當(dāng)時(shí),Millikan研制了從原理上能從前額無創(chuàng)傷測(cè)量動(dòng)脈血氧飽和度的探索裝置。