医学数字信号处理实验教程-基于MATLAB - 讲义 - 第10章 - 血氧控制与血氧信号处理实验

1第10章：血氧控制与血氧信号处理实验卓越工程师培养系列2目录《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义1.实验内容2.实验原理3.实验步骤4.本章任务5.本章习题31.实验内容

了解血氧测量原理、血氧测量硬件系统，以及血氧算法设计过程，学习血氧数据包的PCT协议和MATLAB中的部分函数和命令。然后，通过MATLAB语言实现血氧算法模块，如基于IIR滤波器的滤波模块（IIRFilterPulseWave）、基于FIR滤波器的滤波模块（FIRFilterPulseWave），以及计算脉率模块（CalcPulseRate）、计算血氧饱和度模块（CalcSPO2）和计算幅度谱模块（CalcAmpSpec），通过SPO2Main.m文件静态验证血氧算法；最后基于医学信号采集平台，完善血氧信号处理MATLAB软件系统，动态验证血氧算法。《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义42.实验原理2.1血氧测量原理2.2血氧测量硬件系统2.3血氧调光原理2.4血氧算法设计2.5血氧数据包的PCT协议2.6本章使用到的函数及命令《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义52.1血氧测量原理《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（1）脉搏信号

脉搏是指人体浅表可触摸到的动脉搏动。脉率是指每分钟的动脉搏动次数，在正常情况下脉率和心率是一致的。动脉的搏动是有节律的，脉搏波结构见图10‑1。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义62.1血氧测量原理《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（2）朗伯-比尔定律

朗伯-比尔定律阐述为在一定波长处光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关，而与吸光物质的浓度c及吸收层的厚度L有关。朗伯-比尔定律模型如图10‑2所示。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义k是吸光系数A是吸光度L是液层厚度（一般单位为cm）c是溶液的浓度72.1血氧测量原理《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（3）血氧饱和度测量方法

血氧饱和度的测量方法有电化学法和光学法两种。电化学法的测量结果精确，但是会有创伤，而且操作复杂，实时性差，所以仅在血氧饱和度需要十分精确的场合才使用电化学法。光学法是随着科学技术的进步而发展起来的无创测量技术，其测量结果越来越精确，被广泛应用于临床等各个领域。光学法是无创的，使用血氧探头获取信息，不需要刺穿动脉获取血液；同时，它可以连续测量，操作方便，实时性也好，但是测量结果的精确度稍逊于电化学法。

光学法中盛行的光电容积脉搏波检测法，依据获取信号的方式区分，又可以分为透射式和反射式。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义82.2血氧测量硬件系统《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

血氧测量硬件系统如图10‑5所示，按照功能可以分为六个部分，分别是压控恒流源电路、血氧探头发光管驱动电路、放大滤波电路，以及单片机和计算机组成。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义92.3血氧调光原理《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（1）调光区域划分

调光区域划分如图10‑6所示，血氧测量硬件系统中的模数转换器分辨率为12位，因此，最底部是0，最顶部是4095。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义102.3血氧调光原理《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（2）实时定时器调光流程图

在血氧信号处理MATLAB软件系统中，有两个定时器，分别是文件数据回放演示定时器和串口数据实时绘制定时器。串口数据实时绘制定时器除了绘制动态波形，如红外光波形、红光波形、滤波后波形和归一化幅度谱，还控制调光逻辑。实时定时器调光流程图如图10‑7所示。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义112.3血氧调光原理《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（3）粗调光强流程图

红外光和红光光强的粗调流程图如图10‑8所示。只有在检测到手指接入时，才会对光强进行粗调。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义122.3血氧调光原理《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（4）判断重新调光流程图

粗调完成之后，也有可能因为各种原因导致检测到的红外光和红光AD值大于重调上限或小于重调下限，这种情况，就无法计算血氧饱和度和脉率，因此，在实时定时器中还需要判断是否需要重新调光，流程图如图10‑9所示。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义132.3血氧调光原理《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（5）微调光强流程图

只有红外光和红光粗调完成之后，才有可能对光强进行微调。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义142.4血氧算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（1）计算脉率

计算脉率与计算呼吸率、心率的方法相同，使用findpeaks函数来寻找波峰，分析每分钟血氧波形中有多少个波峰，计算两个波峰之间的数据个数n，采样频率fs=500Hz，则一个数据的间隔是2ms，计算两个波峰之间的时间间隔(单位：s)为《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义

脉率的正常范围是在20～120之间，因此脉率的计算公式为：

152.4血氧算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（2）计算血氧饱和度

R值计算可以根据测量原理中推算出来的公式计算：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义

经过大量实验，发现：

所以可将公式变为：

162.4血氧算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（2）计算血氧饱和度

最后还需要将R值放大1000倍，因为计算得到的是浮点数，放大后为整数，易于单片机处理，得到R值后，对R值进行缓冲，减少R值的波动，稳定R值在一定范围内，然后依据R值表查询即可得到对应的血氧饱和度，以下举例说明：

本实验的R值表为：RR=[560,600,630,650,680,710,740,760,790,820,860];

假如计算R值为660，则处于R值表中的650～680范围内，680在数组中的位置是5，然后根据以下公式计算得血氧饱和度为96%：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义

172.5血氧数据包的PCT协议《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

完整的血氧数据包和命令包参见附录III。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义182.6本章使用到的函数及命令《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

本实验中，isempty函数用于判断数列是否为空，sort函数用于数组排序，下面简单介绍这两个函数。（1）isempty

判断数列A是否为空，调用格式为：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义A为空返回1，A非空返回0。192.6本章使用到的函数及命令《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（2）sort sort函数用于对数组升序排序，调用格式为：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义例如创建一个行向量A，并按升序对其元素排序：203.实验步骤3.1步骤1：打开MATLAB软件3.2步骤2：创建并完善IIRFilterPulseWave.m文件3.3步骤3：创建并完善FIRFilterPulseWave.m文件3.4步骤4：创建并完善CalcPulseRate.m文件3.5步骤5：创建并完善CalcSPO2.m文件3.6步骤6：创建并完善CalcAmpSpec.m文件3.7步骤7：创建并完善SPO2Main.m文件3.8步骤8：打开血氧信号处理MATLAB软件系统3.9步骤9：添加RoughAdj.m文件及其主函数调用3.10步骤10：添加JudgeReAdj.m文件及其主函数调用3.11步骤11：添加FineAdj.m文件及其主函数调用3.12步骤12：添加FilterPulseWave.m文件及其主函数调用3.13步骤13：添加CalcPulseRate.m文件及其主函数调用3.14步骤14：添加CalcSPO2.m文件及其主函数调用3.15步骤15：添加CalcAmpSpec.m文件及其主函数调用3.16步骤16：验证血氧信号处理MATLAB软件系统《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义214.本章任务 1.在开始血氧测量前，通过血氧信号处理MATLAB软件系统菜单栏的“数据存储”按钮，打开“数据存储”对话框，勾选“演示数据”保存血氧原始数据，测量结束后，记录血氧饱和度和脉率。 2.将“血氧0x33演示数据-xxx.csv”复制到静态工程中，计算血氧饱和度和脉率，并与动态工程中的结果进行对比。 3.通过模拟器重新标定R值表，并更新CalcSPO2函数中的R值表。

4.动态工程中并未实现去基线漂移算法，设计一种去基线漂移算法，并在动态工程中实现之后予以验证。 5.重新设计一种快速调光算法，并在动态工程中实现之后予以验证。《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义225.本章习题