1、 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： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 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
2、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 II The training of lasting learning interest and power for college studen
3、ts in test teaching 【 Abstract】 Metabolism is in organism the complete order chemical change general name. It includes material metabolism and energy metabolism two aspects. The energy metabolism is refers to between organism and the external environment the energy exchange. Energy metabolism of Hum
4、an body divide into the oxygen metabolism and the Lack of oxygen metabolism .Main body is the oxygen metabolism. The measurement of oxygen saturation in blood has great significance in clinical and daily health care. This paper first analyses the measurement principle les and methods in detail. On t
5、he basis of comparison among various related pulse oxygen saturation in blood instruments, the weight oxygen in the blood the density target is the artery blood oxygen degree of saturation. The pulse blood oxygen measuring instrument is one of present survey artery blood oxygen degree of saturation
6、most effective equipment. The digital signal processing technology is called DSP, it is one related and widely applies with many disciplines in many domain emerging disciplines. This article used the digital signal processing technology to realize the pulse blood oxygen degree of saturation survey t
7、ake the chip as the core processing unit, might realize the complex background hemorrhaging oxygen degree of saturation accurate examination effectively. 【 Key Words】 Blood oxygen degree of saturation digital signal processing (DSP) Pulse blood oxygen measuring instrument characteristicIII 目 录 引言 .
8、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 . 6 1. 基于 DSP 的脉搏血
9、氧仪硬件电路提取的脉搏波 . 6 2. 脉搏波的周期和幅度的计算 . 6 3. 微分 阀 值法的改进 . 6 4 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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 (Digital Signal Processing，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
15、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
16、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
17、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 (Digital Signal Processing， 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，
18、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
19、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物组织的无损检测目前有光谱学和光 成像学 等 两种方法，其基本原理是根据组织对光的固有特性，利用光在组织中传播的效应来获取生物组织生理的、代谢的和结构的有用信息，为临床实践和理论研究提供方便可靠的指标。这种方法具有安全、可靠、连续及无损的特点，因而具有广泛的研究和应用前景。利用光谱学方法研究生物组织最具有应用意义的课题之一是监测和评估人体组织氧化代谢能力。定量确定组织在红
20、光和近红外光谱区的光学特性在医学领域有重要意义。 （二） 生物组织的基本光学模型和红外光谱的技术方法 我们知道每个实际物理问题都应转变为相应的数学模型，而且这个模型必须是基于 DSP 的脉搏血氧饱和度测量仪的设计 - 4 - 可解的 才有实际意义。当前，组织光学中的基本问题之一是要弄清可见光和近红外光在生物组织体中的传播特点和规律。这是因为 600 1300nm光谱区为“治疗窗口”，对许多己知的和潜在的 治疗技术和光诊断技术具有特别意义。绝大多数生物组对可见和近红外光呈现出不透明、混浊和高散射的特点，其原因在于生物组织复杂具体结构。生物组织的固有本性决定了可以将其视作几何形状及物理参数从与波长
21、比拟或细胞的尺度看来有随机起伏的介质，也就是一种不均匀尺度在微米量级或大一、两个数量级的离散随机介质。对光学性质而言，这里的“不均匀”描写的对象实际上 就是折射率，而生物组织对光的强散射特性正是源于折 射率在细胞尺度上的不均匀性。对实际的生物组织而言，要想用传统的 电磁场理论来描写它的光学性质是极其困难的，甚至是不可能的。即使己知生物组织折射率的所有细节，虽然解的存在性与唯一性不容置疑，但试图通过数值求解麦克斯韦方程组来获知光在生物组织中分布规律的努力尚无成功的希望。，研究表明水和细胞色素的收与氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收相比可不计，由此看出，在近红外双波长血红蛋白的吸收比是组织血红蛋白饱
22、和度的唯一函数值。 三、 基于的脉搏血氧仪的硬件电路的实现 （一） 系统框图 基于 DSP 的脉搏血氧饱和度测量仪由实时处理器 TMS32OFZO6DSP、光源驱动器、 光电传感器、放大电路、 A/D 转换、时序控制电路和液晶显示、接口电路等部分组成。由于采用人的手指作为测量的部位，所以选用指套式光电传感器。 石家庄学院毕业论文 - 5 - （二） TMS32OFZO6 的功能及控制电路分析 DSP 芯片选用 TMS320F206， TMS320F206 是一个定点、静态 COMS 数字信号处理器。它采用先进的哈佛结构、具有片内外设、片内存储器及专用的运算指令集，使得此器件使用灵活方便，它的特
23、点单周期指令的执行时间 :50、 35、或 25ns，存储器可寻址存储空间 224K 字， TMS32OF206 的存储器分为 4个单独 的 可选择的空间 :程序空间、局部数据空间、全局数据空间和 1/0 空间。 （三） 血氧信号的产生及处理过程 红光发光二极管驱动电路是由 Q1、 Q4、 Q6以及它们所连接的器件构成。当 RED DRV 的信号为 1 时， Q4 导通，紧接着 Q6导通、 Q1 导通。当 Q1导通时， +5V 提供的电流通过 Q1，通过 P1 的 3 脚进入红光发光二极管的正极。再经过发光 二极管的负极，通过 Pl 的 2脚到 Q6，再经过 R26 到地。红外光发光二极管驱动
24、电路是由 Q2、Q5、 Q3以及它们所连接的器件构成。当 IR DRV 的信号为 1时， Q3 导通，紧接着Q5 导通、 Q2导通。当 Q2 导通时， +5V 提供的电流通过 Q2，通过 P1 的 2脚进入红光发光二极管的正极。再经过发光二极管的负极，通过 P1的 3 脚到 Q5，再经过 R25到地。再由放大电路将光电二极管的电流输出转换为电压，通过一个电容过滤掉信号中的直流部分，由 DSP 决定适当的信号放大倍数，将控制值送入 D/A 中， D/A 的输出连接到由 运算放大器构成的转换电路。转换电路 的输出通过积分与滤波电路，最后信号进行模数转换。 基于 DSP 的脉搏血氧饱和度测量仪的设计
25、 - 6 - （四） 脉搏波信号的处理 1基于 DSP 的脉搏血氧仪硬件电路提取的脉搏波 基于 DSP 的脉搏血氧饱和度测量仪硬件电路提取的脉搏波信号如下图 对于硬件电路提取的脉搏波信号，需要进一步的滤波处理。软件对硬件电路提取的脉搏波信号做低通滤波后的得到的脉搏波波形图。 2 脉搏波的周期和幅度的计算 由于脉搏波是一种以低频成分为主的生理信号，不 同于 心电信号中有一个频率相对比较高的 QRS 波群，加之受生理状态、个体差异和传感检测手段等因素的影响，脉搏波信号在形态上往往差异很大，而且常常伴随着比较大的基线漂移和噪声干扰。如何对脉搏波进行有效的处理，准确识别 脉搏波以正确划分脉搏波周期， 并在相应周期内提取脉搏波峰 峰值，是计算血氧饱和度的基础。微分 阀 值法是常用于脉搏波波形检测的一种方法，这种方法利用脉搏波形 态上具有陡峭上升沿的特点，通过微分运算将其突出出来，脉搏波的峰 峰值便很容易确定了。 3 微分阀值法的改进 通常用于检测的部位 (指尖 )位于外周血液循环中，血管对脉搏波有较强的平滑
