基于DSP的脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：基于DSP的脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)院系：電氣信息工程系專業(yè)：電氣自動(dòng)化班級(jí)：一班姓名：王一民學(xué)號(hào)：2006063001指導(dǎo)教師：盧智嘉2009年5月22日I基于DSP的脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)【摘要】新陳代謝是生物體內(nèi)全部有序化學(xué)變化的總稱。它包括物質(zhì)代謝和能量代謝兩個(gè)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(wú)氧代謝，其中有氧代謝是主體。血氧飽和度是指動(dòng)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(cè)量方法是對(duì)人體采血,再利用血?dú)夥治鰞x進(jìn)行電化學(xué)分析,測(cè)出氧分壓,計(jì)算血氧飽和度.這種方法雖然精確,但操作繁瑣,且不能進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè).衡量氧氣在血液中濃度的指標(biāo)是動(dòng)脈血氧飽和度。脈搏血氧測(cè)量?jī)x是目前測(cè)量動(dòng)脈血氧飽和度最有效的設(shè)備之一。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)簡(jiǎn)稱DSP，它是一門(mén)與許多學(xué)科相關(guān)而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。本文利用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)以芯片為核心處理單元實(shí)現(xiàn)了脈搏血氧飽和度的測(cè)量，可以有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景下血氧飽和度的準(zhǔn)確檢測(cè)?！娟P(guān)鍵詞】血氧飽和度數(shù)字信號(hào)處理（DSP）脈搏血氧測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x的發(fā)展歷程.2（三）脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x的發(fā)展現(xiàn)狀與改進(jìn)方向.2（四）數(shù)字信號(hào)處理技術(shù).3二、脈搏血氧飽和度的測(cè)量理論基礎(chǔ).3（一）脈搏血氧飽和度測(cè)量中的光學(xué)理論基礎(chǔ).3（二）生物組織的基本光學(xué)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(shí)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(hào)的產(chǎn)生及處理過(guò)程.5（四）脈搏波信號(hào)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(jì)算.63.微分閥值法的改進(jìn).64采用自相關(guān)函數(shù)法對(duì)脈搏波信號(hào)的分析.7四、脈搏血氧測(cè)量?jī)x的軟件設(shè)計(jì)及信號(hào)的處理方法.7（一）TMS320F206軟件設(shè)計(jì)方法.7（二）基于DSP的脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x的軟件設(shè)計(jì).8結(jié)論.9參考文獻(xiàn).10致謝.11石家莊學(xué)院畢業(yè)論文-1-引言現(xiàn)如今，在醫(yī)院臨床監(jiān)護(hù)和日常中老年保健中，脈搏的測(cè)量是一項(xiàng)基本的生命指標(biāo)，因而脈搏測(cè)量是最常見(jiàn)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(cè)量脈搏血氧飽和度就尤為重要，近年來(lái)脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x已經(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。脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈搏血氧飽和度的測(cè)量，能夠使人們隨時(shí)隨地的對(duì)自己身體進(jìn)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(shí)有著深遠(yuǎn)的意義，尤其是對(duì)于關(guān)注老年人的身體狀況更為重要，在有老齡化趨勢(shì)的中國(guó)，脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x更是有它實(shí)際的意義和廣大的市場(chǎng)價(jià)值，在科技高度發(fā)達(dá)的社會(huì)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(chǔ)，有氧代謝是人體能量供應(yīng)的主體。人體的能量物質(zhì)經(jīng)過(guò)氧化分解，將它們所蘊(yùn)藏的化學(xué)能釋放出來(lái)給機(jī)體利用。人體吸入氧氣，在肺部的肺泡內(nèi)與毛細(xì)血管進(jìn)行氣體交換。氧分子和血紅蛋白分子能進(jìn)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(yùn)輸氧氣和二氧化碳以及對(duì)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(dāng)血液中氧分壓升高時(shí)，血紅蛋白與氧氣結(jié)合，形成氧合血紅蛋白，反之當(dāng)氧氣分壓降低時(shí)，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(gè)血紅白中的比例越高。人體內(nèi)的血液通過(guò)心臟的收縮和舒張脈動(dòng)地流過(guò)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(guò)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。無(wú)損傷性血氧飽和度測(cè)量?jī)x的監(jiān)測(cè)非常有用，通過(guò)調(diào)整氧療，可避免對(duì)腦、肺、眼的損害?，F(xiàn)代脈搏血氧飽和度測(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、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，隨著醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展和現(xiàn)代科技的進(jìn)步，醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是要求連續(xù)監(jiān)測(cè)各種生理參數(shù)，做到無(wú)創(chuàng)傷、穩(wěn)定、盡可能少的不適應(yīng)感和無(wú)過(guò)敏反應(yīng)，所以基于數(shù)字信號(hào)處理脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x就應(yīng)運(yùn)而生了?；贒SP的脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)-2-（二）脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x的發(fā)展歷程對(duì)于脈搏血氧的測(cè)量最早的是在穿透血管的情況下進(jìn)行的，但對(duì)于緊急情況和新生兒特殊的情況就不太適用了?，F(xiàn)代的脈搏血氧測(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的發(fā)展己有很長(zhǎng)的歷史，有單片機(jī)，CMOS影像傳感器和DSP的多種方法?；c傳統(tǒng)的PCI單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)脈搏測(cè)量?jī)x，以PIC18C252單片機(jī)為核心的控制程序,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理算法和計(jì)算人體脈率和血氧飽和度的復(fù)雜算法,克服了測(cè)量信號(hào)的漂移和噪聲干擾；基于CMOS影像傳感器脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x用CMOS傳感器陣列取代了傳統(tǒng)血氧儀中的光敏探測(cè),實(shí)現(xiàn)了血氧飽和度及脈搏波的無(wú)接觸測(cè)量。由于攝像頭不能夠有效屏蔽外界光源噪聲的干擾,所設(shè)計(jì)樣機(jī)較傳統(tǒng)的血氧儀測(cè)得的飽和度值偏低,誤差偏大；本文就是基于數(shù)字信號(hào)處理(DigitalSignalProcessing，簡(jiǎn)稱DSP)，并以芯片為核心處理單元為控制器來(lái)進(jìn)行脈搏血氧飽和度的測(cè)量。（三）脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x的發(fā)展現(xiàn)狀與改進(jìn)方向國(guó)外的醫(yī)療水平相對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)有很大的差距，脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距更是大，在像美國(guó)等的一些發(fā)達(dá)國(guó)家，在很早的時(shí)候就實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈搏血漿飽和度高技術(shù)含量的測(cè)量，起步相對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)早，并且血氧飽和度是一項(xiàng)很重要的對(duì)身體衡量標(biāo)準(zhǔn)，像發(fā)達(dá)國(guó)家都很關(guān)注國(guó)民的身體素質(zhì)，更是關(guān)注老年人的身體狀況，所以對(duì)身體的檢測(cè)技術(shù)水平高，而在我國(guó)中醫(yī)較西方醫(yī)學(xué)來(lái)說(shuō)普及度高，因而對(duì)脈搏的測(cè)量還是比較傳統(tǒng)的中醫(yī)中的診脈，我國(guó)的脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x技術(shù)起步晚，對(duì)于一些構(gòu)成脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x的器件及技術(shù)我國(guó)的研究晚，技術(shù)還是不夠成熟，但是20世紀(jì)90年代以來(lái)，在我國(guó)隨著計(jì)算機(jī)的普及和發(fā)展，芯片的應(yīng)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(shè)計(jì)中，采用芯片輔助分析和設(shè)計(jì)的電路已獲得廣泛的應(yīng)用，它可以進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，因而我國(guó)在脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x也取得了一些成果，能夠獨(dú)立的設(shè)計(jì)高科技的測(cè)量?jī)x。我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了利用TMS32OFZO6芯片為核心處理單元的脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x，它利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和編程語(yǔ)言，并用硬件電路完成對(duì)血氧飽和度準(zhǔn)確的測(cè)量。血液成份的變化可以引起血液對(duì)紅光紅外光吸收率的變化，進(jìn)而影響到血氧飽和度的測(cè)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(cè)量結(jié)果比實(shí)際值偏高，現(xiàn)有的算法并沒(méi)有考慮這方面的影響?，F(xiàn)在使用的脈搏血氧測(cè)量?jī)x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(hào)比透射式傳感器強(qiáng)，信噪比高。在一的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，傳感器接收端接收到的光信號(hào)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(méi)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(dòng)微弱的情況下獲得較強(qiáng)的信號(hào)，在一定程度上克服弱灌注現(xiàn)象。測(cè)量算法的改進(jìn)方向可以通過(guò)自適應(yīng)濾波算法，可以消除靜脈和毛細(xì)血管充盈所引起的誤石家莊學(xué)院畢業(yè)論文-3-差。（四）數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)數(shù)字信號(hào)處理(DigitalSignalProcessing，簡(jiǎn)稱DSP)，數(shù)字信號(hào)處理是將信號(hào)以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)。數(shù)字信號(hào)處理與模擬信號(hào)處理是信號(hào)處理的子集。數(shù)字信號(hào)處理的目的是對(duì)真實(shí)世界的連續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量或?yàn)V波。因此在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理之前需要將信號(hào)從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字信號(hào)處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域，這是通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的。本課題采用數(shù)字信號(hào)處理芯片作為血氧飽和度測(cè)量?jī)x的中央處理芯片，利用強(qiáng)大的運(yùn)算能力來(lái)實(shí)現(xiàn)血氧飽和度的準(zhǔn)確測(cè)量。數(shù)字信號(hào)處理，簡(jiǎn)稱DSP已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理是利用專用處理器件，以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式。數(shù)字信號(hào)處理作為信號(hào)與信息處理的一個(gè)分支學(xué)科、己有很長(zhǎng)的發(fā)展歷史。但它又是一個(gè)新興的、極富活力的學(xué)科，活躍在電子學(xué)、計(jì)算機(jī)、應(yīng)用數(shù)學(xué)等學(xué)科的最前沿，滲透到科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)以及國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，起著越來(lái)越重要的作用。數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)是數(shù)字計(jì)算機(jī)和算法。算法一旦建立，就要尋找合適的計(jì)算機(jī)來(lái)有效地實(shí)現(xiàn)它們。最開(kāi)始的目標(biāo)是在可以接受的時(shí)間內(nèi)對(duì)算法作仿真。隨后是將波形存儲(chǔ)起來(lái)，事后再加以處理。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和技術(shù)與器件的發(fā)展，這種仿真和脫機(jī)處理逐步演變成為實(shí)時(shí)處理。二、脈搏血氧飽和度的測(cè)量理論基礎(chǔ)（一）脈搏血氧飽和度測(cè)量中的光學(xué)理論基礎(chǔ)利用光學(xué)方法進(jìn)行生