无创血氧饱和度测量系统的设计与实现

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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
目 录
摘 要............................................................................................................. I
Abstract ............................................................................................................ II 1 绪论 1.1 课题的背景与意义 ................................................................................ (1) 1.2 国内外研究现状 .................................................................................... (2) 1.3 全文安排................................................................................................. (3) 2 无创血氧饱和度测量原理与方法 2.1 测量原理................................................................................................. (4) 2.2 测量方法................................................................................................. (7) 3 数据分析与处理 3.1 波形预处理........................................................................................... (10) 3.2 参数计算............................................................................................... (13) 3.3 运动和低灌注下信号处理算法 .......................................................... (18) 4 系统实现 4.1 基于 PC 机的数据采集系统 ............................................................... (27) 4.2 便携式无创血氧饱和度测量系统 ...................................................... (41) 5 总结与展望 5.1 总结....................................................................................................... (54) 5.2 展望....................................................................................................... (55) 致 谢...................................................................................................... (56)
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Abstract
In this thesis, the design and implementation method of the non-invasive measurement system for Arterial Oxygen Saturation (SpO2) has been discussed. Because SpO2 can be used to monitor pulmonary heart disease, and SpO2 is also needed in OR and ICU, so, it is important to measure SpO2.With the improvement of standard of living and the care of health, the clinic health monitoring will transfer from Hospital to the community and home, and the health monitoring devices will be more and more multifunctional and portable. We firstly introduce the theory and method of non-invasive measurement of SpO2. And then, we design the digital signal processing (DSP) algorithm to filter noise and calculate heart rate and SpO2. We use the digitalize and modularize design pattern to development a novel data acquisition (DAQ) system, and the accuracy and reliability of the DAQ has been evaluated. It is proved that the system is reasonable and can be used to acquire PPG signals at different situations. At last the front-end circuit and the algorithm were integrated in the STM32F103 embedded platform as a SpO2 measurement device. The DAQ system designed in the thesis can be used to acquire PPG signal datБайду номын сангаас at different situations, and we can use this data to build a data library, then use the library to research DSP algorithm to reduction the effect of motion artifact and low perfusion; in the other hand, the DAQ system can be expanded to acquire other signals very easily. The research of this thesis provided a heuristic case, in which the system was divided into several modules, and every module was designed respectively to ensure the performance of the system. Keywords: Non-invasive measurement, SpO2, DAQ system, DSP
The Design and Implementation of Non-invasive Measurement System for Arterial Oxygen Saturation
Candidate : Fang Lei Major : Circuit and System Supervisor : Zhang Lin & Yang Yuxin
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摘 要
本文主要讨论了无创血氧饱和度测量系统的设计和实现。由于缺氧在临床上重 要特征是血氧饱和度显著下降，因此，监测人体 SpO2 的变化对肺心病的预防和治疗 有重要的作用； 同时， 在手术室和其他科室， 也需要利用 SpO2 监测低血氧症的发生。 随着人们生活水平的提高和对健康关注度的提升，临床监护已从以医院为中心向社 区和家庭转移。小型化，便携式，多功能的监护仪成为医疗监护的发展方向。 本文首先介绍了无创血氧饱和度测量系统的原理和方法。接着对各种情形下的 光电容积图信号进行分析处理，设计了信号预处理算法和参数计算方法，同时对运 动和低灌注情况下的血氧饱和度计算方法进行了研究。本文采用全数字和模块化的 设计思想，设计了全新的血氧饱和度测量的数据采集系统，并对该数据采集系统进 行了性能评估。该数据采集系统可以用来构建波形数据库，进行数字信号处理算法 的深入研究。最后，基于数据采集系统验证过的前端信号调理电路和数字信号处理 的方法，在 STM32F103 的嵌入式系统平台上，设计了功能完善的无创血氧饱和度测 量仪，并对该测量仪的准确性和稳定性进行了评估。 本文设计的数据采集系统可以用于建立各种状态下的 PPG 信号的数据库，对于 PPG 信号特征的数字信号处理算法、新的血氧饱和度计算方法以及各种去噪算法的 研究提供了很大的便利，也可以很方便的扩展为对其它数据的采集。同时论文按照 系统工程的设计思想，采用从顶向下的设计思路，每一步都进行了详细设计和系统 评估，保证了整个系统的准确性和稳定性，这种设计方法也可用于其他行业的系统 设计中。 关键词：无创测量, 血氧饱和度, 数据采集系统, 数字信号处理
Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P.R.China January, 2012
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
分 类 号 学校代码 10487
学号 密级
M200971541
硕士学位论文
无创血氧饱和度测量系统的 设计与实现
学位申请人：房
磊 杨玉星
学 科 专 业 ：电路与系统 指 导 教 师 ：张林 答 辩 日 期 ：2012 年 1 月 4 日
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering