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无创检测血氧饱和度系统设计与实现

2020-12-02阅读(312)

无创检测血氧饱和度系统设计与实现

论文摘要

现代社会,血氧检测技术日益成为控制、传感、医疗领域的研究热点之一。针对现在市场上销售的脉搏血氧仪在弱灌注情况下对血氧测量结果会出现较大误差的问题,而且传统的最值法和阈值比较法对弱灌注情况下的信号特征点进行准确检测已经显得有些困难了。为了更好避免信号发生畸变以及保持信号完整性并且实现能够在弱灌注情况下也能准确检测出信号特征点,本文针对以上问题,主要研究工作包括:1.介绍了基于Lambert-Beer定律和近红外光谱理论为基础的无创血氧检测原理和方法,并且根据理论推导出计算血氧饱和度公式,采用了以STM32F103VET6为核心处理器芯片与血氧信号采集模拟前端AFE4490相结合的硬件电路设计方式,降低了电路设计复杂度,设计硬件电路时相比传统电路而言,对血氧信号输入采用差分传输设计且增加屏蔽保护,能够有效避免电磁干扰,提高了信号稳定性。2.根据采集得到的原始脉搏波信号,针对滤波过程中可能出现的信号数据丢失和发生畸变的问题,本文提出了小波变换与FFT相结合的方式对波形进行预处理,然后对信号进行重构,采用db2、sym8、coif3三种小波基对信号进行小波去噪,正常灌注情况下,信噪比由26.521390提高到29.501140,均方根误差0.025152降低到0.018415,弱灌注情况下,信噪比由6.845247提高到7.331652,均方根误差0.023766降低到0.022472,一定程度上去除了原始信号波形中的工频干扰、基线漂移等噪声,得到了良好的效果。3.对经过预处理之后得到的脉搏波数据进行峰值特征点检测,由于最值法和传统阈值比较法在弱灌注情况下信号干扰比较严重时峰值特征点检测准确度方面存在的不足,本文提出了一种即使在少许噪声干扰的情况下也能快速准确检测出波峰、波谷值的峰值检测算法,相对于传统的最值法、阈值比较法进行峰值检测来说,算法方面有了进一步的改进,有效避免了伪波峰被误认为有效波峰的问题。4.通过设计的测量系统在血氧模拟仪Fluke Index 2L上采集了大量的各种血氧状态的红光、红外光脉搏波信号数据,构建了血氧测量数据集。根据采集的不同数据进行预处理、特征点检测,分别得出血氧脉搏波信号红光和红外光交流值和直流值,实验确定了不同血氧状态下的R值,在血氧测量公式系数确定上,采用了最小二乘法,最终得出血氧饱和度定标曲线,根据定标曲线得出血氧饱和度值。5.对所设计的系统进行性能验证,通过实验验证了系统的可靠性、稳定性、准确性,符合设计要求。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 符号对照表
  • 缩略语对照表
  • 第一章 绪论
  •   1.1 课题研究背景及意义
  •   1.2 国内外血氧检测研究发展以及现状
  •     1.2.1 国外研究发展现状
  •     1.2.2 国内研究发展现状
  •   1.3 论文主要研究内容及章节安排
  •     1.3.1 本文主要研究内容与创新点
  •     1.3.2 论文结构安排
  • 第二章 血氧检测相关的基础理论研究
  •   2.1 光学特性
  •     2.1.1 相关光学变量
  •     2.1.2 人体组织相关光学特性
  •   2.2 近红外光谱理论
  •     2.2.1 朗伯特-比尔定律
  •     2.2.2 脉搏波的形成
  •   2.3 光电容积脉搏波描记法
  •   2.4 本章小结
  • 第三章 硬件系统设计实现
  •   3.1 系统总体设计方案概述
  •   3.2 血氧信号接收模块
  •   3.3 AFE4490模拟前端模块
  •     3.3.1 接收前端
  •     3.3.2 可编程增益放大模块
  •     3.3.3 晶振模块
  •     3.3.4 模数转换模块
  •   3.4 STM32相关电路设计
  •     3.4.1 MCU最小系统电路设计
  •     3.4.2 USB转转口电路及一键下载电路设计
  •     3.4.3 JTAG调试接口电路
  •     3.4.4 OLED显示模块
  •   3.5 电源电路设计
  •     3.5.1 主控芯片电压转换电路
  •     3.5.2 模拟前端电源供电电路
  •   3.6 本章小结
  • 第四章 系统软件设计与实现
  •   4.1 开发环境介绍
  •   4.2 软件程序设计
  •     4.2.1 AFE4490模块控制程序设计
  •     4.2.2 OLED显示模块程序设计
  •   4.3 血氧信号处理
  •     4.3.1 数据信号处理中需要注意的问题
  •     4.3.2 常用脉搏波信号处理方法研究
  •     4.3.3 小波变换原理
  •     4.3.4 有关小波变换对信号进行滤波的方法
  •   4.4 脉搏波信号分析处理
  •     4.4.1 血氧脉搏波信号采集
  •     4.4.2 脉搏波信号特征点检测
  •     4.4.3 定标曲线
  •   4.5 本章小结
  • 第五章 系统测试
  •   5.1 系统硬件调试
  •   5.2 系统性能验证
  •   5.3 误差分析
  •     5.3.1 误差来源
  •     5.3.2 误差处理方法
  •   5.4 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  •   6.1 论文总结
  •   6.2 工作展望
  •   6.3 本章小结
  • 参考文献
  • 致谢
  • 作者简介

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 张纯青

    导师: 千博,谢小平

    关键词: 血氧检测,弱灌注,小波变换

    来源: 西安电子科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,医药卫生科技,信息科技

    专业: 生物学,生物医学工程,电信技术

    单位: 西安电子科技大学

    分类号: R318;TN911.7

    DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.002873

    总页数: 90

    文件大小: 4090K

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