基于MSP430脉搏血氧仪设计-毕业设计论文模板

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1、 毕业设计（论文） 基于 MSP430 脉搏血氧仪设计 院 别计算机与通信工程学院 专业名称生物医学工程 班级学号5111126 学生姓名瞿佳楠 指导教师何忠海 2015 年 05 月 25 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I 页 摘要题目 摘 要 血氧饱和度是判别人体血液中的含氧量，是一个非常重要的生理指标。脉搏血氧 仪是一种无创、连续、方便的测量血氧饱和度的仪器，在各种医疗产所都有广泛的应 用，尤其在家庭保健中起着越来越重要的作用，因此低成本，高性能，低功耗的便携 式血氧仪的需求越来越高。 本文首先阐明血氧饱和度的研究意义和现状及发展趋势，通过有创与无创进行对 比，说明无创便携

2、式血氧仪的优越性，其次介绍系统主要采取的数字信号处理技术及 这种技术的优越性。其次着重介绍无创血氧饱和度的测量理论基础朗伯比尔定律及 分光度的测量。 本设计通过一个传感探头连接手指进行数据采集，然后将数据传输到单片机进行 计算，最终于计算机终端显示血氧饱和度。此便携式血氧仪的高性能是通过一个完全 模拟前端 AFE4400，此器件包含一个具有集成模数转换器的低噪声接收器通道、一个 LED 发射部件和针对传感器以及 LED 故障检测的诊断功能，可进行灵活的脉冲排序和定 时控制，具有高动态范围的接收通道，13 个无噪声位，可用于集成式故障诊断，如光 电二极管和 LED 开路与短路检测，线缆接通和断开

3、检测，适用于低成本血氧仪。 关键词：血氧饱和度，便携式脉搏血氧仪，完全集成模拟前端 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 II 页 English Title Author：Li Wenkai Tutor：Liu Bingde Abstract Main body of your abstract Key Words: key words1, key words2, key words3 英文摘要另起一页，其内容及关键词应与中文摘要一致，并要符合英语语法，语句通顺，文字流畅。并在英文 题目下面第一行写作者(Author)姓名，作者姓名下面的一行写指导教师(Tutor)姓名，作者姓名和指导教师

4、姓名用汉语 拼音写，右对齐。(本段删除) 英文和汉语拼音一律为 Times New Roman 体，字号与中文摘要相同，见论文模式样本。(本段删除) 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 III 页 目 录 1 绪 论 2 1.1 节标题 2 2 章标题 A 2 2.1 节标题 2 2.1.1 条标题 .2 3 章标题 B 2 3.1 节标题 2 3.1.1 条标题 .2 结 论 .2 致 谢 .2 参考文献 .2 附 录 .2 附录 A 2 目录按章、节、条三级标题编写，要求标题层次清晰。目录中的标题要与正文中标题一致。目录中应包括绪论、 论文主体、结论、致谢、参考文献、附录等。(本段删除

5、) 目录按（1、1.1、1.1.1）的格式编写，建议仅列到第三级。目录中各章题序的阿拉伯数字用 TimesTimes NewNew RomanRoman 体，第一级标题用小 4 4 号黑体，其余用小 4 4 号宋体。题目文字与阿拉伯题号之间加两个空格。目 录的打印实例见论文模式样本。(本段删除) 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页 1 绪论 1.1 血氧饱和度的研究意义 血氧饱和度（SpO2）是血液中被氧结合的氧化血红蛋白（HbO2）的容量占全部可 结合的血紅蛋白（Hb）容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生 理参数。而功能性氧饱和度（SaO2）为氧化血红蛋白（Hb

6、O2）浓度与 HbO2+Hb 浓度 之比。因此，监护中常用 SaO2 來估计 SpO2 的水平由于血液在含氧量不同的情況下吸 光率也不同，因此脉搏血氧仪采用红光和红外光分別照射人体组织，并通过测量透射 光的强度来计算血氧饱和度的值。SaO2 的定义是氧化血红蛋白与总体血紅蛋白的比例 血液中能否溶入足够的氧，对维持生命至关重要。许多呼吸系统、循环系统疾病 都能引起人体血液中血氧浓度的降低，严重时可能危及生命。脉搏血氧仪是用于监控 病人血氧量的医疗设备。通过测量氧气水平和心率， 该仪器可以在这些量低于预设水 平时发出警报声。因此这种类型的监控对于新生儿和在手术进行时特别有用。例如， 尽早发现低氧血

7、症，可以提高麻醉和重危病人的安全性，减少围术期和急症期的意外 死亡。而在麻醉中,单独使用血氧饱和度监测可减少 40%以上的麻醉意外，与二氧化碳 监测仪合用则可减少约 91%的麻醉意外。而对于新生儿来说，大多数处于相对低氧状 态，而且采血有一定的困难，因此无损伤性血氧测量仪非常有用，可以避免对脑、肺、 眼的损害，起到气道处理及呼吸复苏的效果。另外由于脉搏血氧仪能具有低功耗、微 型化、高精度的特点，所以也同样适用于日常家庭保健和社区医疗环境。 1.2 研究现状与发展趋势 血氧饱和度的测量分为有创和无创两种方法。有创法是对人体采血后用血气分析 仪 进行电化学分析后测出血氧饱和度值，这种方法需要动脉穿

8、刺或者插管，对人体有创， 而且电化学分析过程较为复杂，分析周期长，费用较高且无法进行连续监测，但这种 方法测出的血氧饱和度值较为准确，可应用于很多需要准确血氧饱和度数据的场合， 如深低温停循环手术、产程中胎儿监护等。无创血氧饱和度测量是无创测量是基于光 电检测原理，根据心脏搏动引起的人体手指内动脉血量的周期性变化的特性，动脉血 液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白对红光和红外光的吸收率不同，通过检测血液容量 波动引起的光吸收量的变化，从而计算动脉血液对红光和红外光吸收变化率的比值， 然后根据这个比值与动脉血氧饱和度的关系，从而求出动脉血氧饱和度的值。有创法 给被监测者带来痛苦，且不能连续监测，而无创

9、法具有安全、可靠、连续、实时、快 捷及无损伤等优点，得到临床普遍欢迎和广泛应用。 目前脉搏式血氧仪是以发光二极管为光源,硅管为光传感器,用微型计算机进行信 息处理，主要处理耳垂、指尖等动脉血丰富组织较薄处。世界知名公司如 Masimo、Nelleor、philips、Mindray 和 CSI 公司主要在血氧探头、信号处理方面的改进 以提高血氧测量的性能。国内 Mindray 已经成功应用了时频变换技术，开发出了高性 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 2 页 能的血氧模 块。弱灌注性能方面，也能够比较准确的测量出信号强度为 0.05%的脉搏信号，缩短 了与国外公司之间的差距。 近年来，由

10、于市场的需要，便携式无线血氧监测逐渐取代了有线血氧仪。而光-频 率转换器的数字血氧探头的出现，给脉搏血氧仪的研究带来了新的课题和方向。传统 的模拟探头提供的是模拟信号，而基于光-频率转换器的数字探头提供的是一定频率占 空比为 50%的方波信号。模拟信号需要经过预处理和放大后送 AD 采样，然后由 MCU 作各种信号处理最终得出正确的测量结果，而数字信号只需要对探头输出的信号频率 进行分析和计数，然后进行相应的数字信号处理即可。可以很明显看出，基于模拟探 头的血氧仪需要更多的硬件元器件和系统开销，其功耗和体积都比较大，而基于数字 探头的血氧仪则在低功耗和微型化方面具有先天的优势，但是数字探头对传

11、统的信号 采集和分析理论又是一个挑战，需要用全新的信号分析方法去处理信号。 1.3 数字信号处理技术 数字信号处理(Digital Signal Processing)技术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。其处理基础是数 字计算机和算法。算法一旦建立，设计者就要寻找合适的计算机来最有效地实现它们。 最开始的目标是在可以接受的时间内对算法作仿真。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 DSP 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

12、处理。 连续信号的基本数学模型是基于 19 世纪提出的拉普拉斯变换和付氏变换。通过 简单的扩展和适当的解释，即可推出离散信号的 Z 变换。1965 年，库利(Cooley)和 图基(Tukey)提出了著名的快速付氏变换(Fast Fourier Transform,FFT)，极大地降低 了付氏变换的计算量，从而为数字信号的实时处理奠定了算法基础。近年来，在 DSP 的各种快速算法、模糊和遗传算法等方面都不断有所进展。在通常的信号处理中，采 用数字技术有许多的优点，DSP 所能完成的功能，有许多靠模拟技术完成起来很困难， 甚至是无法完成的。 数字技术的主要优点概述如下: 1.可控性 可以只设计一

13、个硬件配置,然后设计各种软件来执行多种多样的信号处理任务。例 如一个数字滤波器可以通过重新编程来完成低通、高通、带通、带阻等不同的滤波任 务,而不需要改变硬件。而在模拟系统中,随着功能的不同,所有的设计都必须改变。 在很多情况下,甚至不需要重新编程,而只需要改变有关的数据和操作就可以完成 不同的任务,而在模拟系统中,这样作是很困难的。 2 稳定性好 模拟电路中的电阻、电容、运算放大器等器件的特性都会随着温度的改变而改变; 这就意味着一个模拟电路的性能在不同的温度时会有差别,而数字电路在其保证的工作 范围内受温度变化的影响就要小得多。 此外对于模拟电路来说,还必须考虑到器件及制造器件的材料的寿命

14、。器件及制造 材料的寿命对整个电路的性能有极大的影响。对于模拟电路来说此类问题是不可克服 的。但对于数字信号处理器,它们所带来的影响要小得多。DSP 电路还可以通过编程来 检测和补偿模拟系统的变化。 3 可重复性好 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 3 页 数字系统本身就固有可重复性。如果用 500 台计算机去计算同一个序列的和,则它 们会提供一模一样的答案。但如果将同样的信号输人配置相同的 50O 个模拟系统,每个 系统的输出都不会相同。其原因非常简单,模拟系统中的器件的性能各不相同。电阻允 许的误差通常是其阻值的 5%,更高档的可能是 2%或 1%。电容的误差是 20%或更差。与 此

15、相类似,模拟半导体器件也有其技术规格的范围,制造过程中的各种条件变化使得器 件与器件各不相同。这就意味着,即便是设计完全相同的模拟系统,其性能也是各不相 同的。 4.易于实现自适应算法 一个 DSP 系统可以很容易地自适应于外部环境的改变。自适应算法只是计算新的 参数,并存储起来,取代原有的值。一些基本的自适应功能在模拟系统中是可能实现的, 但类似于噪声消除等复杂的自适应变化就非模拟系统所能实现。 5.大规模集成 随着集成电路技术的发展,各种新型的大规模和超大规模集成电路不断涌现。与模 拟电路相比,数字电路的集成度可以高得多。特别是和计算机技术结合在一起,使得数 字信号处理系统的功能越来越强。

16、DSP 器件就是基于超大规模集成电路技术和计算机技 术发展起来的、适合于作数字信号处理的高速高位单片计算机。它们体积小,功能强, 功耗小,产品一致性好,使用方便,性能/价格比很高,从而得到了广泛的应用。 2 脉搏血氧饱和度的测量原理和方法 2.1 无创血氧饱和度测量理论基础 无创血氧测量的基本原理是根据组织对特定频率光的吸收特性，利用光在组织中 传播的吸收效应来获取和研究生物组织生理的、代谢的和结构的有用信息，定量确定 生物组织在不同光谱区的光学特性，为临床实践和理论研究提供方便可靠的指标，具 有安全、可靠、连续及无损的特点，具有十分广泛的研究、应用前景。 根据朗伯一比尔定律(Lambert 一 Beer)，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成 正比。人体手指、脚趾或耳垂等部位的组织是由皮肤、血液、肌肉、骨骼等组成的， 用一定波长的光照射这些组织时，经过组织吸收、反射衰减后，由光敏元件探测到的 透射（或反射)光是在一个相对比较稳定的直流分量