毕业设计(论文)开题报告-基于单片机的血氧饱和度测量仪设计[管理资料]

中国计量学院
毕业设计（论文）开题报告
学生姓名：韩昊学号：0600103229 专业：电气工程及其自动化
班级：07电气2班
设计（论文）题目：
基于单片机的血氧饱和度测量仪设计
指导教师：李璟
二级学院：机电工程学院
2011年 3月 15日
一、选题的背景与意义
1 研究背景
随着社会的进步，人民生活水平逐渐提高，各类心脑血管疾病逐渐呈高发趋势。

在日常生活中及医疗过程中对人体的状态检测及监护病房中患者的体征信号监测，成为一个很现实的课题。

解决这些问题涉及到的一个重要测量参数是肌体的血氧饱和度。

血氧饱和度定义为人体动脉血管中氧合血红蛋白（HbO2）占全体血红蛋白总量的比例[1]。

血氧饱和度是反映人体呼吸系统，血管运输氧能力，及新陈代谢重要的参数。

因此，脉搏血氧饱和度的监测技术已成为现代医疗必不可少的监测手段之一[2][3]。

在现代生理多参数监护仪中，都包含血氧饱和度监测这一模块。

电路结构简单，可靠性好，抗干扰能力强，特别是单片机的引入，使得其性能不断提高，应用范围愈来愈广[2]。

2 发展现状
监测动脉血氧饱和度可以对肺的氧合血红蛋白携氧能力进行估计。

在临床实践中，估计动脉氧合的能力常采用的是取动脉血，在数分钟内测量动脉氧分压(Pa02)，并计算动脉血氧饱和度(Sa02)。

但这种方法需要动脉穿刺或者插管，对病人有痛苦，并且不能连续监测，在病人处于危险状况时，就不易使病人得到及时的治疗。

因此，一种采用无损光谱学方法连续检测人体的动脉血氧含量的方法应运而生[4]。

脉搏血氧测量仪是无创测量人体内动脉血氧饱和度的光电测量仪器。

脉搏血氧测量仪是基于以下两个基本的物理学原理进行的研究，一是光电比色原理;二是脉搏容积描记法原理。

利用这两个原理筛选出动脉的脉搏波中的血氧饱和度的计算参量[4][5]。

脉搏血氧测量仪可以进行连续的氧合估计，在对病危病人的手术中可以快速提供血氧信息，在对需要连续辅助样治疗的病人可以用于决定氧的需要量，社区医疗的监护过程中及时快速的对SpO2的监测，对中风病人和心肌梗塞等患者的及时发现及时治疗都有非常重要的意义[6]。

现代脉搏血氧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。

3 研究的意义
脉搏波的波形形态及特征值能揭示人体心血管系统的生理病理状况，血氧信号能反映人体的呼吸系统情况，因此对脉搏血氧信号的研究具有十分重要的价值和广泛的应用前景[4]。

脉搏血氧信号作为人体系统活动的外在表现，其反馈的人体信息含量是巨大的，迄今为止还有诸多信息内涵未能得到阐明。

在运动状态下和弱灌注情况下准确的测量血氧饱和度、光电传感器探头的改进是今后脉搏血氧测量仪的焦点课题。

脉搏血氧测量仪的小型化，血氧饱和度值的无线传输是今后的发展趋势[9]。

总之，脉搏血氧信号的测量与研究是一项艰巨，但对临床医学现代化和规范化等方面具有重大意义的工作。

二、研究内容及拟解决问题
1 研究内容
主要研究内容是以AT89C51单片机为核心设计一款血氧饱和度测量仪，该测量仪能实现的功能有：
（一）脉搏数据自动采集，检测结果LED显示。

（二）血氧检测范围：40－100%，精度：3 %(70-100%)。

（三）心率同步检测，范围：0－200bpm
2 拟解决问题
在本次设计中需要解决的问题有：时序控制光源驱动电路，编程实现数据采集、检测结果液晶显示、信号的增益调节，数字滤波技术减少噪声干扰和减少基线漂移。

三、技术路线、研究方案与可行性分析
1 测量原理
脉搏血氧测量是基于两个基本的物理学原理进行的研究，即光电比色原理和脉搏容积描记法原理。

（1）光电比色法原理
在此次设计所用到的是朗伯比尔定律，该定律是光吸收的基本定律，适用于所有的电磁辐射和所有的吸光物质，指光被吸收的量正比于光程中的物质发生光吸收的分子数目。

朗伯比尔定律的公式为
log(I O/I)= εCl
公式中Io和I分别为入射光及通过样品后的透射光强度；log（Io/I）称为吸光度(ab—sorbance)旧称光密度(optical density)；C为样品浓度；l为光程；ε为光被吸收的比例系数。

当浓度采用摩尔浓度时，ε为摩尔吸收系数。

它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关。

在此次设计中，选取的660nm红光和940nm红外光透射肌体后，检测的光电容积脉搏波信号中，将交流分量和直流分量分别提取出来，可以对应并替换光强，从而计算血氧饱和度[4][6]。

（2）脉搏容积描记法原理
光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmoGraphy, PPG)是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。

当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时，光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器。

在此过程中由于受到指端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用，检测器检测到的光强度将减弱。

其中皮肤、肌肉、组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的，而皮肤内的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化，当心脏收缩时外周血容量最多，光吸收量也最大，检测到的光强度最小；而在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强度最大，使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化。

将此光强度变化信号转换成电信号，便可获得容积脉搏血流的变化。

经研究证实，静脉血和非血成分对红光和红外光的吸收系数是恒定的，不随脉动过程而变化，因此它们只对光信号中的直流分量大小发生影响。

在此次设计中，光电容积脉搏描记法检出的脉搏波信号中已经滤除了皮肤、组织对光吸收度的干扰，只包含血液成分被透射后经光电转换后得到脉搏波，再通过数字滤波算法可以减少静脉血脉动对结果的影响[4]。

2 技术路线方案
基于AT89C51单片机的血氧饱和度测量仪由AT89C51单片机、光源驱动、指套式光电传感器、前置放大电路、积分滤波、基线调整、增益调节、液晶显示、键盘控制、电源电路等部分组成。

因为是对人的手指作为测量的部位，所以选用的是指套式光电传感器。

其系统框图如图1所示。

图1、血氧饱和度测量仪系统框图
软件部分主要有主程序模块、定时计数中断、A/D控制、程序控制增益调节、显示子程序服务程序、键盘服务程序、键盘控制程序等组成。

流程图如图2所示。

图2、系统控制流程图
3 可行性分析
AT89C51单片机的简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，三级程序存储器锁定，128*8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。

AT89S51有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，4K字节可编程闪烁存储器，允许程序存储器在系统编程，亦适于常规编程器。

控制系统软件设计原则
（1）实时性原则
由于工业过程控制系统是实时控制系统，所以对应用软件的执行速度有一定的要求，即能够在被控对象允许的时间间隔内对系统进行控制、计算和处理。

（2）灵活性和通用性原则
在应用程序设计中，为了节省内存和具有较强的适应能力，通常要求有一定的灵
活性和通用性。

为此，可以采用模块结构，尽量将共用的程序编成子程序如控制算法程序、数据采集程序、键盘服务程序、键盘控制程序等。

（3）可靠性原则
在微型计算机控制系统中，系统的可靠性是至关重要的，它是系统正常运行的基本保障。

计算机系统的可靠性除了取决于系统的硬件的组成外，还要取决于系统的软件结构。

3. 3 系统的布局原则
（1）首先考虑PCB板尺寸，其大小应适中。

电路板最佳形状为矩形，长宽比为3:2或4:3。

（2）以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。

元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接,去耦电容尽量靠近器件的VCC。

位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。

（3）在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。

一般电路应尽可能使元器件平行排列。

（4）按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。

（5）尽可能地减小环路面积，以抑制开关电源的辐射干扰。

四、实施计划
1、2月27日-3月14日：资料的查询、翻译、整理，题目可行性的分析，基本方案
的确定，完成开题报告。

2、3月15日-3月27日：进一步完善设计方案，寻找最佳方案。

3、3月28日-4月30日：完成软硬件的设计和调试并在实验室演示。

4、5月1日-5月31日：完成毕业论文、准备毕业设计答辩
五、参考文献
[1] 游荐波, 刘希顺, 闫凌. 基于C8051F021单片机的血氧饱和度测量仪的研制[J]. 科学技术与工程, 2008,(13) .
[2]李文耀, 王博亮, 戴君伟. 基于PIC单片机的脉搏血氧测量仪的研制[J]. 厦门大学学报(自然科学版), 2005,(4) .
[3]王秀章，陈声权. 脉搏式血氧饱和度检测方法的研究[J]. 中国医学物理学杂志, 1995,(1) .
[4] 宋相和, 王耘. 脉搏波:沟通中医和西医的桥梁[J]. 中西医结合学报, 2008,(9) .
[5]冯奇. 基于MSP430超低功耗处理器的监护仪脉搏血氧模块[J]. 中国仪器仪表, 2006,(3) .
[6]张宁, 陈亚明,邓亲恺. 基于MSP430F149的血氧饱和度检测仪[J]. 中国医学物理学杂志, 2004,(3) .
[7] 于巍, 古庆恩, 黄世安. 脉搏血氧饱和度监测技术的研究进展[J]. 中国医学装备, 2008,(4).
[8]苏永春, 姚翔, 梁妃学, 于巍, 邓亲恺. 基于独立分量分析的脉搏波信号的降噪处理[J]. 医疗设备信息, 2006,(6) .
[9] .苏永春, 于巍, 姚翔, 梁妃学, 邓亲恺. 利用LMS算法处理血氧饱和度监测中的脉搏波信号[J]. 医疗卫生装备, 2006,(7) .
[10]张虹, 孙卫新, 金捷. 脉搏血氧饱和度检测系统设计中干扰信号的处理方法[J]. , 2000,(2) .
[11]张虹, 孙卫新, 金捷. 脉搏血氧饱和度检测中自适应滤波消除运动伪差的方法研究[J]. 生物医学工程与临床, 2001,(1) .
[12]李刚, 李尚颖, 林凌, 王焱, 李晓霞, 卢志杨. 基于动态光谱的脉搏血氧测量精度分析[J]. 光谱学与光谱分析, 2006,(10).
[13]张坤, 焦腾, 付峰, 张雯, 董秀珍. 运用小波模极大值滤波算法消除光电容积脉搏波中的运动干扰[J]. 仪器仪表学报, 2009,(3) .
[14]Meir Nitzan,Haim measurement of oxygen saturation in arterial and venous blood[J]. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine,2008,06:9-15.
[15] Daniel Alvarez*, Roberto Hornero, J. Vctor Marcos, Felix del Campo. Multivariate Analysis of Blood Oxygen Saturation Recordings in Obstructive Sleep Apnea Diagnosis[J]. IEEE Transactions on biomedical engineering,2010,57(12),2816-2824.。