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1、摘要密 级： 学校代码：10075分类号： 学 号：20071230 工学硕士学位论文基于自适应滤波器的人体动脉血氧饱和度无创检测方法设计学位申请人：张志鹏指导教师：王永青 教授学位级别：工学硕士学科专业：检测技术与自动化装置授予单位：河 北 大 学答辩日期：二O一一年五月Classified Index： CODE：10075U.D.C： NO：20071230A Dissertation for the Degree of M. EngineeringA Design of Noninvasive Tester of Human Arterial Oxygen Saturation on
2、Adaptive filter Candidate： Zhang ZhipengSupervisor： Prof. Wang YongqingAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpecialty： Detection Technique and Automatic EquipmentUniversity： Hebei UniversityDate of Oral Examination： May，2011 I河北大学学位论文独创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本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，
3、除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权声明本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本学位论文属于1、保密 ，在 年 月 日解密后适用本授权声明。2、不保密 。（ 请在以上相应方格内打“” ）保护知
4、识产权声明本人为申请河北大学学位所提交的题目为（ ）的学位论文，是我个人在导师（ ）指导并与导师合作下取得的研究成果，研究工作及取得的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资助下完成的。本人完全了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的各项法律、行政法规以及河北大学的相关规定。本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大学的书面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内容。如果违反本声明，本人愿意承担相应法律责任。声明人： 日期： 年 月 日作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要摘 要本文介绍了一种实现
5、人体动脉血氧饱和度无创检测的方法。在吸收以往血氧饱和度无创检测方法设计思想的基础上，设计出一种动脉血氧饱和度无创检测电路，并且力图实现运动状态下的准确测量，抑制人体散射作用影响，提高检测结果精确度。通过研究人体组织吸光物质成分及其近红外吸收光谱，综述了人体动脉血液中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对近红外光的吸光量随脉搏波动而变化，而其它人体组织成分吸光量基本保持不变。依据此结论，并利用朗伯比尔定律和修正朗伯比尔方程给出了血氧饱和度计算公式推导过程。本文提出将修正朗伯比尔方程中的光子传播平均路径长度和散射介质常数损耗因子引入血氧饱和度计算公式的推导过程，并且与计算公式配合选择对人体散射作用影响较小
6、的730nm和940nm近红外二极管作为检测光源，利用综合手段降低人体散射作用对血氧饱和度检测的影响。根据光电容积脉搏波描记法的检测原理和血氧饱和度计算公式的要求，以及人体脉搏波频谱特点，设计出一种人体动脉血氧饱和度无创检测电路。其特点是：使用基于频域的方法抑制杂散光和工频干扰；利用DSP时序信号控制光源驱动电路和信号分离电路，实现信号同步发送和分离接收；设计压控电压源二阶高通滤波电路和低通滤波电路，分别提取血氧交流信号和血氧直流信号；并依据生理信号幅度、相位特点设计信号放大、反相电路，提高了血氧饱和度计算的精度，简化了计算步骤。研究利用自适应滤波器消除了与有用信号频域重叠的运动伪迹干扰噪声，
7、提高了运动状态下血氧饱和度检测数据的精确度。本文提出了不附加噪声检测通道，使用血氧交流延时信号作为自适应滤波器输入参考噪声信号的方法，有利于简化硬件设计结构。在MATLAB仿真实验中，搭建0.1Hz-10Hz血氧交流模拟信号发生器，构造运动伪迹模拟噪声信号。仿真实验结果证明，以血氧交流延时信号作为滤波器输入参考信号的LMS算法自适应滤波器可有效抑制运动伪迹噪声。关键词：血氧饱和度 脉搏波 光电容积脉搏波描记法 朗伯比尔定律 无创检测 运动伪迹 自适应滤波器61目 录目 录第1章 前 言11.1 血氧饱和度的概念11.2 课题来源及研究背景11.3研究目的和意义31.4 发展历程及国内外研究现状
8、41.5 本论文研究内容5第2章 人体动脉血氧饱和度测量原理72.1 光电容积脉搏波及其特征72.1.1 光电容积脉搏波描记法72.1.2 光电容积脉搏波特征82.2 朗伯-比尔定律82.2.1 基本朗伯-比尔定律82.2.2 强散介质中朗伯-比尔定律的修正102.3 血氧饱和度检测计算公式112.4 检测光波长及测试部位选择142.4.1 检测光源的选择142.4.2 检测部位的选择152.5 本章小结16第3章 人体动脉血氧饱和度无创检测电路设计及其原理183.1血氧信号探测、转换部分183.1.1血氧信号探测电路183.1.2 光电转换电路213.1.3 I/V转换、放大电路223.2
9、干扰抑制与血氧信号分离部分233.2.1 杂散光干扰抑制电路233.2.2血氧复合信号分离电路263.3血氧交流信号提取、处理部分273.3.1 血氧交流信号提取电路273.3.2 血氧交流信号放大电路303.4血氧直流信号提取、处理部分313.4.1 血氧直流信号提取电路313.4.2 血氧信号直流部分反相电路323.5电源电路333.6 本章小结34第4章 提高运动状态血氧饱和度检测精度的方法354.1 自适应噪声抵消原理354.2 常用自适应噪声抑制方法简介及本消噪方案选择374.2.1 常用自适应滤波器结构及其原理374.2.2 基于最陡下降算法的噪声抑制原理及适用性选择394.2.3
10、 基于最小均方算法的噪声抑制原理及适用性选择414.3 基于LMS算法的本血氧饱和度自适应滤波器改进设计434.4 本章小结46第5章 血氧饱和度自适应滤波器仿真实验475.1 实验方案提出475.2 实验参数选择及结论49第6章 结论与展望526.1 本文结论526.2 有待进一步解决的问题536.3 展望53参考文献54附录1 人体动脉血氧饱和度无创检测仪整机电路图58附录2 基于LMS算法自适应滤波器MATLAB仿真程序59致 谢60攻读学位期间取得的科研成果61第1章 前 言第1章 前 言1.1 血氧饱和度的概念足够的氧是所有生命活动的基础。在人体血液中，血红蛋白是运输氧气的主要载体
11、1。血红蛋白以四种形式存在：氧合血红蛋白（HbO2），脱氧血红蛋白(Hb)，一氧化碳结合血红蛋白(CoHb)和高铁血红蛋白(MetHb) 2。当血液流过肺部时，脱氧血红蛋白会与肺泡中的氧气结合称为氧合血红蛋白，而一氧化碳结合血红蛋白和高铁血红蛋白不能与氧气相结合。这些氧经由动脉血运送给组织，供给人体生命活动，也就是说氧合血红蛋白是组织中的氧的主要存在形式。在临床医学中把氧合血红蛋白的含量占血红蛋白总量的百分比称为血氧饱和度（SO2）3。通过测量血氧饱和度来描述人体动脉血液中氧的含量。其在医学中有两种表现形式3，即（1）功能饱和度 （1-1）（2）自然饱和度 （1-2）其中，CHbO2指氧合血红
12、蛋白浓度，CHb指脱氧血红蛋白浓度，CCoHb指一氧化碳结合血红蛋白浓度，CMetHb指高铁血红蛋白浓度。由于在人体血液中，一氧化碳结合血红蛋白浓度与高铁血红蛋白浓度均很低，因此在临床应用过程中，一般采用功能饱和度来描述动脉血氧饱和度4。1.2 课题来源及研究背景人体血氧饱和度检测在医学治疗领域具有重要意义11。人的生命活动能否正常进行，关键之一在于人体是否能够吸入足够的氧气，动脉血液系统是否能够融入足够的氧5。但是，氧气在由外界环境进入人体内部组织细胞的过程中，任何一个环节出现障碍都会引起氧供给不足，严重时甚至会危及生命，因此可通过检测人体动脉血液内氧合血红蛋白的含量，即血氧饱和度，分析肺泡
13、内含氧量和血液组织灌注量是否正常 6。近几年来，随着人民生活水平的不断提高，餐桌饮食的不断丰富，人们“坐下来”的时间多了，“站起来”的时间少了，“静下来”的时间多了，“动起来”的时间少了，肥胖现象日益严重，人群身体素质明显下降，人体呼吸和血液循环系统慢性病患病率显著升高。根据今年我国医疗部门对呼吸循环系统疾病慢性缺氧血性肺源性心脏病（简称肺心病）的统计，其平均患病率已达到为0.41%0.47%，并且有逐年上升和得病人群年轻化的趋势7。因此，对于呼吸和循环系统疾病的及时发现和提早预防变得越来越重要。以肺心病为例，其致病原因主要有两种支气管病变、肺泡病变等呼吸系统病理性障碍所引起的肺通气和换气功能异常，心脏病变、肺血管病变等血液循环系统病理性障碍所造成的人体内供血量不足8，这两项致病原因都事必引起动脉血氧饱和度的变化。因此，在临床应用中，通常将动脉血氧饱和度作为初步诊断呼吸循环系统疾病的重要生化指标。为了降低医疗成本，节省大型医疗资源，缓解看病难，看病贵的问题，我国政府逐步加大对社区卫生医疗机构的资金投入和政策支持。社区小型医疗站的技术水平显著提高，已成为广大群众进行常见病、慢性病常规治疗和保健的重要场所。血氧饱和度作为呼吸循环系统疾病诊断的重要生化指标，其检测仪器是社区医疗站的必备医疗设备，并且随着近几年呼
