基于DSP的脉搏血氧饱和度测量仪的设计.docVIP

毕业设计（论文）题目：基于DSP的脉搏血氧饱和度测量仪的设计院系：电气信息工程系专业：电气自动化班级：一班姓名：王一民学号：2006063001指导教师：卢智嘉2009年5月22日I基于DSP的脉搏血氧饱和度测量仪的设计【摘要】新陈代谢是生物体内全部有序化学变化的总称。它包括物质代谢和能量代谢两个方面。能量代谢是指生物体与外界环境之间能量的交换。人体的能量代谢分为有氧代谢和无氧代谢，其中有氧代谢是主体。血氧饱和度是指动脉血中与氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比.传统的血氧饱和度测量方法是对人体采血,再利用血气分析仪进行电化学分析,测出氧分压,计算血氧饱和度.这种方法虽然精确,但操作繁琐,且不能进行连续的监测.衡量氧气在血液中浓度的指标是动脉血氧饱和度。脉搏血氧测量仪是目前测量动脉血氧饱和度最有效的设备之一。数字信号处理技术简称DSP，它是一门与许多学科相关而又广泛应用于许多领域的新兴学科。本文利用了数字信号处理技术以芯片为核心处理单元实现了脉搏血氧饱和度的测量，可以有效地实现复杂背景下血氧饱和度的准确检测。【关键词】血氧饱和度数字信号处理（DSP）脉搏血氧测量仪特性IIThetrainingoflastinglearninginterestandpowerforcollegestudentsintestteaching【Abstract】Metabolismisinorganismthecompleteorderchemicalchangegeneralname.Itincludesmaterialmetabolismandenergymetabolismtwoaspects.Theenergymetabolismisreferstobetweenorganismandtheexternalenvironmenttheenergyexchange.EnergymetabolismofHumanbodydivideintotheoxygenmetabolismandtheLackofoxygenmetabolism.Mainbodyistheoxygenmetabolism.Themeasurementofoxygensaturationinbloodhasgreatsignificanceinclinicalanddailyhealthcare.Thispaperfirstanalysesthemeasurementprinciplelesandmethodsindetail.Onthebasisofcomparisonamongvariousrelatedpulseoxygensaturationinbloodinstruments,theweightoxygeninthebloodthedensitytargetisthearterybloodoxygendegreeofsaturation.Thepulsebloodoxygenmeasuringinstrumentisoneofpresentsurveyarterybloodoxygendegreeofsaturationmosteffectiveequipment.ThedigitalsignalprocessingtechnologyiscalledDSP,itisonerelatedandwidelyapplieswithmanydisciplinesinmanydomainemergingdisciplines.Thisarticleusedthedigitalsignalprocessingtechnologytorealizethepulsebloodoxygendegreeofsaturationsurveytakethechipasthecoreprocessingunit,mightrealizethecomplexbackgroundhemorrhagingoxygendegreeofsaturationaccurateexaminationeffectively.【KeyWords】Bloodoxygendegreeofsaturationdigitalsignalprocessing(DSP)PulsebloodoxygenmeasuringinstrumentcharacteristicIII目录引言.1一、绪论.1（一）血氧饱和度的概念及其生理意义.1（二）脉搏血氧饱和度测量仪的发展历程.2（三）脉搏血氧饱和度测量仪的发展现状与改进方向.2（四）数字信号处理技术.3二、脉搏血氧饱和度的测量理论基础.3（一）脉搏血氧饱和度测量中的光学理论基础.3（二）生物组织的基本光学模型和红外光谱的技术.3三、基于的脉搏血氧仪的硬件电路的实现.4（一）系统框图.4（二）TMS32OFZO6的功能及控制电路分析.5（三）血氧信号的产生及处理过程.5（四）脉搏波信号的处理.61.基于DSP的脉搏血氧仪硬件电路提取的脉搏波.62.脉搏波的周期和幅度的计算.63.微分阀值法的改进.64采用自相关函数法对脉搏波信号的分析.7四、脉搏血氧测量仪的软件设计及信号的处理方法.7（一）TMS320F206软件设计方法.7（二）基于DSP的脉搏血氧饱和度测量仪的软件设计.8结论.9参考文献.10致谢.11石家庄学院毕业论文-1-引言现如今，在医院临床监护和日常中老年保健中，脉搏的测量是一项基本的生命指标，因而脉搏测量是最常见的生命特征的提取，而且氧气在血液中的浓度具有重要生理意义，所以测量脉搏血氧饱和度就尤为重要，近年来脉搏血氧饱和度测量仪已经在临床实践中得到了广泛地应用，成为一种不可缺少的临床诊断设备。脉搏血氧饱和度测量仪实现了对脉搏血氧饱和度的测量，能够使人们随时随地的对自己身体进行检查，及早的发现自己身体的疾病，提高人们保健意识有着深远的意义，尤其是对于关注老年人的身体状况更为重要，在有老龄化趋势的中国，脉搏血氧饱和度测量仪更是有它实际的意义和广大的市场价值，在科技高度发达的社会很有意义。一、绪论（一）血氧饱和度的概念及其生理意义新陈代谢是生命的基础，有氧代谢是人体能量供应的主体。人体的能量物质经过氧化分解，将它们所蕴藏的化学能释放出来给机体利用。人体吸入氧气，在肺部的肺泡内与毛细血管进行气体交换。氧分子和血红蛋白分子能进行可逆的结合，血红蛋白是一种结合蛋白质。血红蛋白的功能是运输氧气和二氧化碳以及对血液的酸碱度起缓冲作用。血红蛋白由氧合血红蛋白和还原血红蛋白组成。当血液中氧分压升高时，血红蛋白与氧气结合，形成氧合血红蛋白，反之当氧气分压降低时，形成还原血红蛋白。所以氧气分压越高，则氧合血红蛋白在整个血红白中的比例越高。人体内的血液通过心脏的收缩和舒张脉动地流过肺部，一定含量的还原血红蛋白与肺泡中的氧气结合变成了氧合血红蛋白，而约的氧溶解在血浆里。这些氧通过动脉系统一直到达毛细血管，然后将氧释放，维持组织细胞的新陈代谢。血氧饱和度是氧合血红蛋白在整个血红蛋白所占的百分比。无损伤性血氧饱和度测量仪的监测非常有用，通过调整氧疗，可避免对脑、肺、眼的损害。现代脉搏血氧饱和度测量仪可按不同病情设置不同的报警限，任何因素所致的呼吸暂停、心率减慢或心率加快以及氧合改变均可以及时发现，是极有用的监测医疗设备，随着医疗事业的发展和现代科技的进步，医疗监护技术的发展趋势是要求连续监测各种生理参数，做到无创伤、稳定、尽可能少的不适应感和无过敏反应，所以基于数字信号处理脉搏血氧饱和度测量仪就应运而生了。基于DSP的脉搏血氧饱和度测量仪的设计-2-（二）脉搏血氧饱和度测量仪的发展历程对于脉搏血氧的测量最早的是在穿透血管的情况下进行的，但对于紧急情况和新生儿特殊的情况就不太适用了。现代的脉搏血氧测量仪是一种不需要穿透血管的情况下，连续测量人体内动脉血氧饱和度的光电测量仪器。脉搏血氧饱和度测量仪的发展己有很长的历史，有单片机，CMOS影像传感器和DSP的多种方法。基与传统的PCI单片机来实现脉搏测量仪，以PIC18C252单片机为核心的控制程序,实现了数字信号处理算法和计算人体脉率和血氧饱和度的复杂算法,克服了测量信号的漂移和噪声干扰；基于CMOS影像传感器脉搏血氧饱和度测量仪用CMOS传感器阵列取代了传统血氧仪中的光敏探测,实现了血氧饱和度及脉搏波的无接触测量。由于摄像头不能够有效屏蔽外界光源噪声的干扰,所设计样机较传统的血氧仪测得的饱和度值偏低,误差偏大；本文就是基于数字信号处理(DigitalSignalProcessing，简称DSP)，并以芯片为核心处理单元为控制器来进行脉搏血氧饱和度的测量。（三）脉搏血氧饱和度测量仪的发展现状与改进方向国外的医疗水平相对我国来说有很大的差距，脉搏血氧饱和度测量仪技术与发达国家相比差距更是大，在像美国等的一些发达国家，在很早的时候就实现了对脉搏血浆饱和度高技术含量的测量，起步相对我国来说早，并且血氧饱和度是一项很重要的对身体衡量标准，像发达国家都很关注国民的身体素质，更是关注老年人的身体状况，所以对身体的检测技术水平高，而在我国中医较西方医学来说普及度高，因而对脉搏的测量还是比较传统的中医中的诊脉，我国的脉搏血氧饱和度测量仪技术起步晚，对于一些构成脉搏血氧饱和度测量仪的器件及技术我国的研究晚，技术还是不够成熟，但是20世纪90年代以来，在我国随着计算机的普及和发展，芯片的应用和技术也在不断的发展和完善。在集成电路与系统的设计中，采用芯片辅助分析和设计的电路已获得广泛的应用，它可以进行原理图设计和实验，因而我国在脉搏血氧饱和度测量仪也取得了一些成果，能够独立的设计高科技的测量仪。我国已经实现了利用TMS32OFZO6芯片为核心处理单元的脉搏血氧饱和度测量仪，它利用数字信号处理技术和编程语言，并用硬件电路完成对血氧饱和度准确的测量。血液成份的变化可以引起血液对红光红外光吸收率的变化，进而影响到血氧饱和度的测量值。例如在经常吸烟的人的血液中一氧化碳合血红蛋白的比率高于正常人，使得血氧饱和度的测量结果比实际值偏高，现有的算法并没有考虑这方面的影响。现在使用的脉搏血氧测量仪采用透射式传感器。反射式传感器与透射式传感器相比，光束不需要贯穿组织，获得的光信号比透射式传感器强，信噪比高。在一的波长范围内，传感器接收端接收到的光信号的交流成份和直流成份之比，反射式传感器和透射式传感器没有显著的区别。采用特定几何结构的反射式传感器可以在脉搏搏动微弱的情况下获得较强的信号，在一定程度上克服弱灌注现象。测量算法的改进方向可以通过自适应滤波算法，可以消除静脉和毛细血管充盈所引起的误石家庄学院毕业论文-3-差。（四）数字信号处理技术数字信号处理(DigitalSignalProcessing，简称DSP)，数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术。数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域，这是通过数模转换器实现的。本课题采用数字信号处理芯片作为血氧饱和度测量仪的中央处理芯片，利用强大的运算能力来实现血氧饱和度的准确测量。数字信号处理，简称DSP已经在许多领域得到极为广泛的应用。数字信号处理是利用专用处理器件，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。数字信号处理作为信号与信息处理的一个分支学科、己有很长的发展历史。但它又是一个新兴的、极富活力的学科，活跃在电子学、计算机、应用数学等学科的最前沿，渗透到科学研究、技术开发、工业生产以及国防和国民经济的各个领域，起着越来越重要的作用。数字信号处理的基础是数字计算机和算法。算法一旦建立，就要寻找合适的计算机来有效地实现它们。最开始的目标是在可以接受的时间内对算法作仿真。随后是将波形存储起来，事后再加以处理。随着计算机技术和技术与器件的发展，这种仿真和脱机处理逐步演变成为实时处理。二、脉搏血氧饱和度的测量理论基础（一）脉搏血氧饱和度测量中的光学理论基础利用光学方法进行生