1、 毕 业 设 计 （ 论 文 ）基于 MSP430 脉搏血氧仪设计院 别 计 算 机 与 通 信 工 程 学 院专业名称 生 物 医 学 工 程班级学号 5111126学生姓名 瞿 佳 楠指导教师 何 忠 海2015 年 05 月 25 日东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I 页摘要题目摘 要血氧饱和度是判别人体血液中的含氧量，是一个非常重要的生理指标。脉搏血氧仪是一种无创、连续、方便的测量血氧饱和度的仪器，在各种医疗产所都有广泛的应用，尤其在家庭保健中起着越来越重要的作用，因此低成本，高性能，低功耗的便携式血氧仪的需求越来越高。本文首先阐明血氧饱和度的研究意义和现状及发展趋势，通过有创
2、与无创进行对比，说明无创便携式血氧仪的优越性，其次介绍系统主要采取的数字信号处理技术及这种技术的优越性。其次着重介绍无创血氧饱和度的测量理论基础朗伯比尔定律及分光度的测量。本设计通过一个传感探头连接手指进行数据采集，然后将数据传输到单片机进行计算，最终于计算机终端显示血氧饱和度。此便携式血氧仪的高性能是通过一个完全模拟前端 AFE4400，此器件包含一个具有集成模数转换器的低噪声接收器通道、一个LED 发射部件和针对传感器以及 LED 故障检测的诊断功能，可进行灵活的脉冲排序和定时控制，具有高动态范围的接收通道，13 个无噪声位，可用于集成式故障诊断，如光电二极管和 LED 开路与短路检测，线
3、缆接通和断开检测，适用于低成本血氧仪。关键词：血氧饱和度，便携式脉搏血氧仪，完全集成模拟前端东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 II 页English TitleAuthor：Li Wenkai Tutor：Liu BingdeAbstractMain body of your abstractKey Words: key words1, key words2, key words3英文摘要另起一页，其内容及关键词应与中文摘要一致，并要符合英语语法，语句通顺，文字流畅。并在英文题目下面第一行写作者(Author)姓名，作者姓名下面的一行写指导教师(Tutor)姓名，作者姓名和指导教师姓名用
4、汉语拼音写，右对齐。(本段删除)英文和汉语拼音一律为 Times New Roman 体，字号与中文摘要相同，见论文模式样本。( 本段删除)东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 III 页目 录1 绪 论 .21.1 节标题 .22 章标题 A .22.1 节标题 .22.1.1 条标题 .23 章标题 B .23.1 节标题 .23.1.1 条标题 .2结 论 .2致 谢 .2参考文献 .2附 录 .2附录 A .2目录按章、节、条三级标题编写，要求标题层次清晰。目录中的标题要与正文中标题一致。目录中应包括绪论、论文主体、结论、致谢、参考文献、附录等。(本段删除)目录按（1、1.1、1.1
5、.1）的格式编写，建议仅列到第三级。目录中各章题序的阿拉伯数字用Times New Roman 体，第一级标题用小 4 号黑体，其余用小 4 号宋体。题目文字与阿拉伯题号之间加两个空格。目录的打印实例见论文模式样本。(本段删除)东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页1 绪论1.1 血氧饱和度的研究意义血氧饱和度（SpO2）是血液中被氧结合的氧化血红蛋白（HbO2）的容量占全部可结合的血紅蛋白（Hb）容量的百分比，即血液中血氧的 浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。而功能性氧饱和度（SaO2）为氧化血红蛋白（ HbO2）浓度与 HbO2+Hb 浓度之比。因此，监护中常用 SaO2 來估计
6、SpO2 的水平由 于血液在含氧量不同的情況下吸光率也不同，因此脉搏血氧仪采用红光和红外光分別照射人体组织，并通过测量透射光的强度来计算血氧饱和度的值。SaO2 的定义是氧化血 红蛋白与总体血紅蛋白的比例血液中能否溶入足够的氧，对维持生命至关重要。许多呼吸系统、循环系统疾病都能引起人体血液中血氧浓度的降低，严重时可能危及生命。脉搏血氧仪是用于监控病人血氧量的医疗设备。通过测量氧气水平和心率， 该仪器可以在这些量低于预设水平时发出警报声。因此这种类型的监控对于新生儿和在手术进行时特别有用。例如，尽早发现低氧血症，可以提高麻醉和重危病人的安全性，减少围术期和急症期的意外死亡。而在麻醉中,单独使用血
7、氧饱和度监测可减少 40%以上的麻醉意外，与二氧化碳监测仪合用则可减少约 91%的麻醉意外。而对于新生儿来说，大多数处于相对低氧状态，而且采血有一定的困难，因此无损伤性血氧测量仪非常有用，可以避免对脑、肺、眼的损害，起到气道处理及呼吸复苏的效果。另外由于脉搏血氧仪能具有低功耗、微型化、高精度的特点，所以也同样适用于日常家庭保健和社区医疗环境。1.2 研究现状与发展趋势血氧饱和度的测量分为有创和无创两种方法。有创法是对人体采血后用血气分析仪进行电化学分析后测出血氧饱和度值，这种方法需要动脉穿刺或者插管，对人体有创，而且电化学分析过程较为复杂，分析周期长，费用较高且无法进行连续监测，但这种方法测出
8、的血氧饱和度值较为准确，可应用于很多需要准确血氧饱和度数据的场合，如深低温停循环手术、产程中胎儿监护等。无创血氧饱和度测量是无创测量是基于光电检测原理，根据心脏搏动引起的人体手指内动脉血量的周期性变化的特性，动脉血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白对红光和红外光的吸收率不同，通过检测血液容量波动引起的光吸收量的变化，从而计算动脉血液对红光和红外光吸收变化率的比值，然后根据这个比值与动脉血氧饱和度的关系，从而求出动脉血氧饱和度的值。有创法给被监测者带来痛苦，且不能连续监测，而无创法具有安全、可靠、连续、实时、快捷及无损伤等优点，得到临床普遍欢迎和广泛应用。目前脉搏式血氧仪是以发光二极管为光源,硅管为
9、光传感器,用微型计算机进行信息处理，主要处理耳垂、指尖等动脉血丰富组织较薄处。世界知名公司如Masimo、Nelleor 、philips、Mindray 和 CSI 公司主要在血氧探头、信号处理方面的改进以提高血氧测量的性能。国内 Mindray 已经成功应用了时频变换技术，开发出了高性东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 2 页能的血氧模块。弱灌注性能方面，也能够比较准确的测量出信号强度为 0.05%的脉搏信号，缩短了与国外公司之间的差距。近年来，由于市场的需要，便携式无线血氧监测逐渐取代了有线血氧仪。而光-频率转换器的数字血氧探头的出现，给脉搏血氧仪的研究带来了新的课题和方向。传统的模
10、拟探头提供的是模拟信号，而基于光-频率转换器的数字探头提供的是一定频率占空比为 50%的方波信号。模拟信号需要经过预处理和放大后送 AD 采样，然后由 MCU作各种信号处理最终得出正确的测量结果，而数字信号只需要对探头输出的信号频率进行分析和计数，然后进行相应的数字信号处理即可。可以很明显看出，基于模拟探头的血氧仪需要更多的硬件元器件和系统开销，其功耗和体积都比较大，而基于数字探头的血氧仪则在低功耗和微型化方面具有先天的优势，但是数字探头对传统的信号采集和分析理论又是一个挑战，需要用全新的信号分析方法去处理信号。1.3 数字信号处理技术数字信号处理(Digital Signal Process
11、ing)技术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。其处理基础是数字计算机和算法。算法一旦建立，设计者就要寻找合适的计算机来最有效地实现它们。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 DSP 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。连续信号的基本数学模型是基于 19 世纪提出的拉普拉斯变换和付氏变换。通过简单的扩展和适当的解释，即可推出离散信号的 Z 变换。1965 年，库利(Cooley)和图
12、基(Tukey)提出了著名的快速付氏变换(Fast Fourier Transform,FFT)，极大地降低了付氏变换的计算量，从而为数字信号的实时处理奠定了算法基础。近年来，在 DSP 的各种快速算法、模糊和遗传算法等方面都不断有所进展。在通常的信号处理中，采用数字技术有许多的优点，DSP 所能完成的功能，有许多靠模拟技术完成起来很困难，甚至是无法完成的。数字技术的主要优点概述如下:1.可控性可以只设计一个硬件配置,然后设计各种软件来执行多种多样的信号处理任务。例如一个数字滤波器可以通过重新编程来完成低通、高通、带通、带阻等不同的滤波任务,而不需要改变硬件。而在模拟系统中,随着功能的不同,所
13、有的设计都必须改变。在很多情况下,甚至不需要重新编程,而只需要改变有关的数据和操作就可以完成不同的任务,而在模拟系统中,这样作是很困难的。2 稳定性好模拟电路中的电阻、电容、运算放大器等器件的特性都会随着温度的改变而改变;这就意味着一个模拟电路的性能在不同的温度时会有差别,而数字电路在其保证的工作范围内受温度变化的影响就要小得多。此外对于模拟电路来说,还必须考虑到器件及制造器件的材料的寿命。器件及制造材料的寿命对整个电路的性能有极大的影响。对于模拟电路来说此类问题是不可克服的。但对于数字信号处理器,它们所带来的影响要小得多。DSP 电路还可以通过编程来检测和补偿模拟系统的变化。3 可重复性好东
14、北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 3 页数字系统本身就固有可重复性。如果用 500 台计算机去计算同一个序列的和,则它们会提供一模一样的答案。但如果将同样的信号输人配置相同的 50O 个模拟系统,每个系统的输出都不会相同。其原因非常简单,模拟系统中的器件的性能各不相同。电阻允许的误差通常是其阻值的 5%,更高档的可能是 2%或 1%。电容的误差是 20%或更差。与此相类似,模拟半导体器件也有其技术规格的范围,制造过程中的各种条件变化使得器件与器件各不相同。这就意味着,即便是设计完全相同的模拟系统,其性能也是各不相同的。4.易于实现自适应算法一个 DSP 系统可以很容易地自适应于外部环境的改
15、变。自适应算法只是计算新的参数,并存储起来,取代原有的值。一些基本的自适应功能在模拟系统中是可能实现的,但类似于噪声消除等复杂的自适应变化就非模拟系统所能实现。5.大规模集成随着集成电路技术的发展,各种新型的大规模和超大规模集成电路不断涌现。与模拟电路相比,数字电路的集成度可以高得多。特别是和计算机技术结合在一起,使得数字信号处理系统的功能越来越强。DSP 器件就是基于超大规模集成电路技术和计算机技术发展起来的、适合于作数字信号处理的高速高位单片计算机。它们体积小,功能强,功耗小,产品一致性好,使用方便,性能/价格比很高,从而得到了广泛的应用。2 脉搏血氧饱和度的测量原理和方法2.1 无创血氧
16、饱和度测量理论基础无创血氧测量的基本原理是根据组织对特定频率光的吸收特性，利用光在组织中传播的吸收效应来获取和研究生物组织生理的、代谢的和结构的有用信息，定量确定生物组织在不同光谱区的光学特性，为临床实践和理论研究提供方便可靠的指标，具有安全、可靠、连续及无损的特点，具有十分广泛的研究、应用前景。根据朗伯一比尔定律(Lambert 一 Beer)，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。人体手指、脚趾或耳垂等部位的组织是由皮肤、血液、肌肉、骨骼等组成的，用一定波长的光照射这些组织时，经过组织吸收、反射衰减后，由光敏元件探测到的透射（或反射) 光是在一个相对比较稳定的直流分量(DC)上迭加一个
17、较小的脉动分量(交流分量 AC)的脉搏波。直流分量是由非脉动组织(肌肉、静脉血、皮肤、骨骼等)对光吸收产生，交流分量是由血液充盈动脉变化引起的光吸收容量变化产生。脉搏血氧仪就是通过探测这个交流变化量，并消除非血液组织的直流分量的影响，并根据一套精密复杂的算法，测得血氧饱和度。脉搏血氧饱和度是基于改变血液颜色的分光光度测量。含氧血液是鲜明的红色，而脱氧的血有一个特点是深蓝色。血液在可见光（即在 400 和 700nm 之间）和近红外（即在 700 到 1000nm 之间）光谱区的光学性质取决于由血液携带氧气的量。该方法利用了红光在光谱 660nm 周围区域，对比含氧血红蛋白，脱氧血红蛋白具有较高
18、的光吸收系数的事实。如图 1 所示。另一方面，光谱在 940nm 周围的近红外区东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 4 页域，相比含氧血红蛋白，脱氧血红蛋白光吸收降低。在等吸收波长（即 805nm），即两条曲线交叉时，光的吸收率是独立的血氧水平。图 1 含氧与脱氧血在红外光和红光的吸收通过均匀的溶液的特定波长的光的吸光度可通过比尔 -兰伯特定律精确地确定，用下面的方程t o- acd其中 t 是透射光强度， o 是入射光强度，a 是样品的具体吸收系数，c 是样品的浓度，并且 d 是光传输路径的长度。假定包含由血红蛋白和含氧血红蛋白的两组均匀混合物的溶血血样，并且有这些组分的混合物的光吸收是
19、额外的。然而，在生物介质中其它变量，诸如骨骼，皮肤，组织，肌肉和血液也散射光。光的吸收也取决于皮肤的厚度和颜色。因此，比尔 - 朗伯定律是无法解释所有这些变量。现代脉搏血氧饱和度依赖于由心脏的周期性收缩舒张产生的动脉血的变化量而生的光体积描记（PPG）信号的检测。如图 2，PPG 信号的幅度取决于在每个收缩周期中从心脏喷射的血液量，血液的光吸收，皮肤和各种组织成分的吸收，和用来照亮血管组织床的特定波长。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 5 页图 2 光衰减通过组织的变化特征说明动脉搏动的节奏效果在心脏收缩期，当动脉搏动是在它的高峰期，在组织中的血液量增加。这种额外的血液吸收更多的光，从而
20、减少了其透射或反向散射的光强度。在心舒张期间，血液较少存在于血管床，从而增加传输或反向散射的光的量。PPG 信号的脉动部分被认为是“AC”分量，非脉动的一部分，大部分产生于静脉血，皮肤和组织，被称为的“DC”分量。在 LED 亮度或检测器的灵敏度的一个偏差可以改变由所述传感器检测到的光的强度。这对传输或反向散射光强度的依赖可以通过使用归一化技术，其中的交流分量由 DC 分量划分来补偿，如在给定的下面的等式：R ACR DCR = IR ACIR DCIR因此，由于静脉血或周围组织的不随时间变化的吸收不具有对测量的任何影响。这个归一化进行同时为红色（R）和红外（IR）波长的光，如图 3 的归一化
21、的R/IR“比率的比率”然后可以凭经验有关血氧饱和度，如图 4，当比率为 1 时，血氧饱和度值约 85。大多数脉搏血氧仪测量在两个不同的波长吸光度，并利用从 CO-血氧测量仪通过凭经验查找为血氧饱和度值收集数据校准。SaO2=A-B（RIR）其中基于对每个波长在脉动分量（AC）是由相应的非脉动分量（ DC）划分归一化。并且，是与特定吸收线性回归系数血红蛋白和含氧血红蛋白的系数，常量 A 和 B 是根据在被检体内的校准通过关联的脉冲计算出的比率而得经验。血氧仪对血氧饱和度的动脉血液样本通过体外血氧仪的大集团的对象。脉搏血氧仪读取血液中的血氧饱和度足够准确为正常情况下的临床使用，因为它们使用基于在图 4 中所示的经验数据的校准曲线。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 6 页图 3 规范化的 R 和 IR 波长以消除在入射光强度或检测器灵敏度的变化的影响图 4 动脉血氧饱和度和规范化（R/IR）之间的比率的实证关系
