【正文】 45678910USB10PIN miniUSBAVCC3VVCC5VD+DRF100k237_OUT 圖 37 串口通信及 USB 設(shè)計(jì)圖 CP2102是一個(gè)高集成的 USBUART 的轉(zhuǎn)換控制器。原理圖如下 ： 圖 34 SGM3005的原理圖 當(dāng) RDDRV為高電平時(shí)， COM1接 NO1接電源為高電平，及 RD+為高電平，驅(qū)動(dòng)后面的紅光二極管發(fā)光 。調(diào)制就是使光的強(qiáng)度、振幅、頻率或相位等某一個(gè) (或幾個(gè) )參數(shù)按一定規(guī)律變化。為減少組織對(duì)測(cè)量精度的影響，選擇光波波長(zhǎng)時(shí)，要求氧合血紅蛋白 (HbO2)和非氧合血紅蛋白 (Hb)對(duì)它的吸光系數(shù)要大于非血液組織對(duì)它的吸光系數(shù)，但不要太大使透過部分難于檢測(cè)。 微處理器（ 1）可以是任何一種具有外部中斷功能的 I/O 口、通用串行接口，可計(jì)時(shí)的微處理器，應(yīng)盡可能選用較高的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。這種復(fù)雜的硬件電路使得系統(tǒng)穩(wěn)定性和可重復(fù)性差，也為信號(hào)檢測(cè)帶來了不可避免的系統(tǒng)誤差和測(cè)量隨機(jī)誤差。 系統(tǒng)主要分為驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)兩大部分。從而降低了光譜檢測(cè)的條件要求，提高了檢測(cè)的質(zhì)量。 基于 DS 的脈搏血氧算法與傳統(tǒng)算法精度比較 修正的朗伯－比爾方程是對(duì)生物 組織對(duì)光的吸收情況更精確的描述，而脈搏波也不是一種簡(jiǎn)單的波形，不像正弦波或三角波那樣最小值與平均值有恒定的比例關(guān)系。代入式 (216)可得： GlA a ??? ? （ 217） 在近紅外光透射檢測(cè)中，吸光度主要由被透射組織的吸收與散射構(gòu)成，其中血液散射相對(duì)較小，可忽略不計(jì)。動(dòng)態(tài)光譜法根據(jù)光電脈搏波的產(chǎn)生原理檢測(cè)血液成分濃度，利用動(dòng)脈充盈與動(dòng)脈收縮時(shí)吸光度的變化量，來消除測(cè)量中由于皮膚組織和肌肉組織產(chǎn)生的個(gè)體差異 [9]。光子以一定的方向和速度在組織中傳播，直至遇到可被看成是一個(gè)粒子或位置的散射層，光子在此彈性地改變了動(dòng)量，并依散射特性沿隨機(jī)方向散射。 （ 2）由于在臨床實(shí)例中 AC/DC 的值在 1％到 2％，因此，由式 (211)及 (27)計(jì)算得到數(shù)據(jù)最高精度只能達(dá)到 210? 數(shù)量級(jí)。lg （ 210） 設(shè)動(dòng)脈充盈時(shí)血液厚度 l 增加Δ l，透過光量 I 則會(huì)減少Δ I，此時(shí)吸光度為 A1，動(dòng)脈血液充盈最低時(shí)吸光度為 A2。這樣 SaO2不依賴于總 Hb 濃度 c 和光路長(zhǎng)度l，這就是 SaO2測(cè)定的基本原理。例如有兩種組織成分 A 和 B，在 A 和 B 的最大吸收波長(zhǎng) λ1和 λ2處，分別測(cè)定混合物的吸光度，然后通過解二元一次方程組，求得各組織成分濃度。根據(jù)郎伯－比爾定律，出入射光強(qiáng)與吸收層厚度和吸收物濃度的關(guān)系為 cl0 ??? eII （ 21） 式中 0I 為入射光強(qiáng)， I 為透射光強(qiáng)，α為吸光物質(zhì)的吸光系數(shù)， c 為吸光物質(zhì)濃度， l 為 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 吸光物質(zhì)傳輸?shù)木嚯x (光程 )。其中皮膚、脂肪、肌肉、骨骼等非血液成分組織在心循環(huán)中基本保持不變，它對(duì)光的吸收（散射）和衰減作用也保持恒定不變，這些信號(hào)經(jīng)過光電接收器后就是恒定的直流分量（ DC）。 圖 21 典型的脈搏波形 光電容積脈搏波描 記法（ PPG）原理 光電容積脈搏波描記法（ Photo plethysmography， PPG）是一種利用皮膚對(duì)光的反射或透射來評(píng)價(jià)皮膚血流灌注有關(guān)信息的方法。如圖 21所示的脈搏波的波形幅度和形態(tài)包含了反映心臟和血管狀況的重要生理信息，因此從脈搏波中提取人體的生理病理信息 作為臨床和治療的根據(jù)，歷來受到人們的重視。并采用拉依達(dá)法對(duì)可疑點(diǎn)剔除，從而去除由運(yùn)動(dòng)偽差對(duì)血氧飽和度計(jì)算所帶來的影響。本課題主要完成以下工作： （ 1） 通過分析傳統(tǒng)脈搏血氧測(cè)量原理引入的測(cè)量誤差，首先在理論上推導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)高精度脈搏血氧測(cè)量的方法 —— 基于動(dòng)態(tài)光譜方法的脈搏血氧測(cè)定法，這種方法在原理上可以消除由于測(cè)量條件及個(gè)體差異等多方面因素對(duì)測(cè)量精度的影響。 脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x的現(xiàn)狀 近年來美國(guó)設(shè)計(jì)出指環(huán)式血氧監(jiān)護(hù)儀，該設(shè)備體積小，可進(jìn)行全天 24小時(shí)監(jiān)護(hù)，做到真正的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù) [1]，并且在抗運(yùn)動(dòng)干擾方面也做出一定的成績(jī) [2]。如 HP47201A 型耳部血氧計(jì)。這種方法采用兩種波長(zhǎng)，對(duì)紅外光和紅光的吸收進(jìn)行測(cè)量，要求滿足兩個(gè)條件：①“無血條件”，即施加約 200mmHg 的壓力把血從耳垂部擠走；②正常的血流，即用透照光使耳垂動(dòng)脈化。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。 脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x的發(fā)展歷程 脈搏血氧測(cè)量?jī)x是一種不需要穿透血管的情況下，連續(xù)測(cè)量人體內(nèi)動(dòng)脈血氧飽和度的光電測(cè)量?jī)x器。脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x己經(jīng)在臨床實(shí)踐中得到了廣泛地應(yīng)用，成為一種不可缺少的臨床診斷設(shè)備。動(dòng)脈血氧分壓正常約為 100mmHg，取決于吸入 氣體的氧分壓和肺的呼吸功能，靜脈血氧分壓正常 40mmHg，它可反映內(nèi)呼吸狀況。生命的基本過程就是機(jī)體細(xì)胞攝入氧排出二氧化碳產(chǎn)生能量的過程。提高 了 系統(tǒng)穩(wěn)定性和可重復(fù)性，降低了由于模擬電路不穩(wěn)定所造成的系統(tǒng)測(cè)量誤差。 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論 文 ) 數(shù)字式脈搏血氧儀設(shè)計(jì) 系 別 自動(dòng)化工程系 專 業(yè) 生物醫(yī)學(xué)工程 班 級(jí) 50616 姓 名 常衍春 指導(dǎo)教師 賀忠海 2020 年 6 月 10 日 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 I 頁 摘 要 脈搏血氧儀是一種可連續(xù)、無創(chuàng)、方便地檢測(cè) 動(dòng)脈血氧飽和度的儀器。 （ 2）針對(duì)傳統(tǒng)的脈搏血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)中因模擬電路復(fù)雜而引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性和重復(fù)性差的問題，本文提出了數(shù)字化的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)動(dòng)態(tài)光譜測(cè)量原理采用現(xiàn)代微處理器、集成電路技術(shù)，設(shè)計(jì)了脈搏波信號(hào)的檢測(cè) 、 采集 及處理 系統(tǒng)。 receiving tube will receive light signals into electrical signals, high frequency converter by the direct current, pulse wave signal carry photoelectric instead of digital signal, the hardware circuit and AC drive circuit source separation circuit. Reuse digital filter to replace filter circuits, analog circuits to save a part of signal and system 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 III 頁 this filter system stability and repeatability, reduced due to the instability of analog circuit is caused by the measurement error of the system. Finally, using digital demodulation method to sample signal demodulation of digital signal, the dual light for extracting photoelectric pulse wave by software. On the basis of the theory of dynamic spectroscopy, conversing photoelectric pulse wave signal from frequency to division and the ponent be used in the blood oxygen saturation calculation. In this system, the hardware design MSP430 as the core to signal detection and collection system, bining with the dual wavelength frequency division method of sampling technology and in improving the resolution and signaltonoise ratio, greatly simplified the hardware circuit. Use digital filter and digital demodulation of the data processing method to double signal separation. Study the volume of pulse wave extraction from the software, and through a Fourier transform of photoelectric pulse wave get ponent for the blood oxygen saturation. KEY WORDS： Oxygen saturation, pulse oximetry, dynamic spectroscopy, hardware design, software design 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 IV 頁 目 錄 1 緒 論 .........................................................................................................................1 血氧飽和度的概念及其生理意義 .................................1 脈搏血 氧飽和度測(cè)量?jī)x的發(fā)展歷程 ...............................2 脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x的現(xiàn)狀 ...................................3 本系統(tǒng)的研究意義及主要內(nèi)容 ...................................4 2 脈搏血氧 飽和度的測(cè)量理論基礎(chǔ)及動(dòng)態(tài)光譜理論 .................................................6 光電容積脈搏波的產(chǎn)生原理 .....................................6 脈搏波的產(chǎn)生原理 .......................................6 光電容積脈搏波描記法（ PPG）原理 ........................7 2. 2 脈搏血氧飽和度測(cè)量的理論基礎(chǔ)與算法 ..........................8 郎伯－比爾 (LambertBeer)定律及應(yīng)用 .....................8 離體血氧飽和度測(cè)量原理 .................................9 傳統(tǒng)脈搏血氧測(cè)定法 ....................................12 基于動(dòng)態(tài)光譜的脈搏血氧檢測(cè)原理 ..............................13 修正的朗伯－比爾定律 ..................................13 動(dòng)態(tài)光譜理論 ..........................................13 基于 DS 的脈搏血氧測(cè)量原理 .............................14 基于 DS 的脈搏血氧算法與傳統(tǒng)算法精度比較 ...............15 3 基于 DS 的脈搏血氧檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法 .................................................17 傳統(tǒng)脈搏血氧儀測(cè)量系統(tǒng)回顧 ..................................17 基于 DS的脈搏血氧測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件組成 .....................18 總體設(shè)計(jì)思想與系統(tǒng)構(gòu)成 ................................18 基于 MSP430 系統(tǒng)平臺(tái)的外圍電路設(shè)計(jì) .....................19 光源及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) ......................