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1、燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目： 无创血氧饱和度测量电路 学院（系）： 电气工程学院 年级专业：10级生物医学工程2班学 号： 100103040032 学生姓名： 郭文 指导教师： 赵勇 等 教师职称： 副教授 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位：生物医学工程系 学 号100103040032学生姓名郭文专业（班级）生物医学工程2班设计题目 无创血氧饱和度测量电路设计技术参数 1. 巴特沃斯高通滤波器和低通滤波器的阶次分别为12和4 2. 低通滤波器的截止频率为0.2HZ，高通滤波器的截止频率为 15HZ 设计要求设计血氧饱和度测量电路及数据处理电路，
2、能够实现血氧信号的采集、滤波基本功能；利用 Labview软件进行电路仿真与优化。工作量1. 调设计心电信号调理电路； 2. Labview软件学习；3. 功能电路仿真； 4.完成课程设计报告一份工作计划1天 方案调研与系统总体设计；2天 仿真软件学习；3天 功能电路仿真与元件参数优化；4天 整体电路联调；5天 系统总结完成报告。参考资料1 杨玉星.生物医学传感器与检测技术M . 北京:化学工业出版社2 郭萍,孙卫新,金捷,等. 脉搏血氧仪定标曲线的研究J . 西安医科大学学报,2000 , (2) :1692171.3网上相关资料指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导
3、教师、基层教学单位、系部各一份。年 月 日 燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语： 该生学习态度 （认真 较认真 不认真） 该生迟到、早退现象 （有 无） 该生依赖他人进行设计情况 （有 无）成绩： 指导教师： 年 月 日答辩小组评语： 设计巧妙，实现设计要求，并有所创新。 设计合理，实现设计要求。 实现了大部分设计要求。 没有完成设计要求，或者只实现了一小部分的设计要求。成绩： 组长： 年 月 日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：年 月 日目 录第一章 摘要1第二章 测量原理2第三章 测量部位4第四章 LabVIEW模拟测量系统电路5第一节 正弦波信号的产生5第二节 信号的滤波6第三节 信
4、号交直流检测8第四节 信号的运算10第五章 心得体会12第六章 参考文献13 第一章摘要 氧是维持人体生命活动的重要物质，血氧饱和度是衡量人体血液携氧能力的重要参数，通过无创的方法对血氧饱和度进行检测能够为医生的临床行为提供快速、直接、有效的生理参数。目前透射式血氧仪已经成为比较成熟的监护手段，但由于传感器使用范围的限制，在大多数体表部位(如前额、胸部等)需要使用反射式传感器进行血氧饱和度检测，而且国内在反射式血氧测量的研究水平上还处在探索的阶段，如何用无创、经济的方法获得准确、可靠的血氧饱和度值仍是生物医学工程领域不断探索的课题。因此，我们小组设计了一套基于LabVIEW的脉搏波信息的分析和
5、血氧饱和度测量系统，为临床分析应用和工程测试提供了一个较好的平台。由于时间有限，我们小组对血氧饱和度测量系统部分进行了电路的实现，其中包括模拟采集到、到的血氧信号，信号的计算部分，信号滤波过程。设计了一种基于LabVIEW 的数字锁相放大器. 它采用数字乘法器和数字滤波器取代模拟器件,并在动态范围、线性失真、噪声抑制方面的性能远优越于模拟器件,尤其是零点漂移这一重要特性 . 数字锁相放大器借助虚拟仪器LabVIEW 的优势,极大地提高了脉搏波检测的抗干扰能力和测量精度.此外,虚拟仪器是以软件为核心的结构体系,具有极强的灵活性. 由于大多数生理信号频率较低,对采集系统没有特殊的要求,完全可以借助
6、虚拟仪器实现一台计算机对脉搏波、呼吸波、心电图、血压、血氧等生理参数的采集、存储、处理和分析等功能. 因此,设计基于虚拟仪器的脉搏血氧检测系统具有广泛的应用价值. 第二章测量原理 血氧饱和度用以表示血液中氧的浓度，它是被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2。)的容量占全部血红蛋白(Hb)的容量的百分比，即： (2.1) 目前透射式脉搏血氧饱和度仪的测量方法主要是红外光谱光电法一双波长测量法，Sp02是根据血红蛋白(Hb)具有光吸收的特性(如图2-1所示)设计而成。从氧合与还原血红蛋白Hb02与HbR对红光和红外光的吸光系数曲线的分析可以看出：Hb02与HbR对两个波长的光吸收特性不一样，Hb02与H
7、bR的分子可吸收不同波长的光线：Hb02吸收红光，波长为600nm700nm，而HbR吸收近红外光，波长为800nm1000nm，在805nm左右为等吸收点。根据分光光度计比色原理，一定量的光线传到分光光度计探头，光源和探头之间随着动脉搏动性组织而吸收不同的光量(无搏动的皮肤和骨骼则无吸收光量的作用)。搏动性组织吸收的光量转变为电信号，传入血氧饱和度仪，通过模拟计算机以及数字微处理机，将光强度数据转换为搏动性的Sp02百分比值。为此，采用红光、近红外光作为探测源，当近红外光波长=805nm时，El=E2=E，那么式(2-8)可简化为：(2.2)其中A、B为常数。当动脉血管搏动时，透射的红光及红
8、外光的光强由最大值，减少到由此而引起红光和红外光吸光度的变化量分别为： （2.3) (2.4) 将式(2.3)、(2.4)代入式(2.2)，并考虑和远小于1，故将分子和分母中的对数项按级数展开后，取级数的第一项近似可得：（2.5） 由此可以看出，只要测定两路透射光最大光强。及由于脉搏搏动而引起的透射光强最大变量， 代入上式就可以算出动脉血液的血氧饱和度，其中A、B是通过定标来确定的经验系数。图2-1还原血红蛋白和氧合血红蛋白在红光和红外光谱区的吸收系数曲线 第三章测量部位 当用单色光垂直照射透过人体手指末端时，若在另一端用光电管接收(光电管输出的电流与光强成正比)，则发现光的强度明显减弱，用滤
9、波器滤波后的电流可分为两部分：一部分为直流量(Dc)，一部分为交流量(Ac)进一步观察发现交流成分的波峰与波谷对应的是心血管系统的收缩与舒张，因此它对应的是动脉血液中脉动的部分(如图3.1所示)。而要分析的血氧饱和度正是动脉管血液中的，这是一个与时间相关的量，而其余部分与时间无关。进一步的实验(有创实验分析)可观察发现氧合血红蛋白(HbO2。)与还原血红蛋白(HbR)对红光与红外光的吸收不一样。这些实验说明可以用光学的方法实现对血氧饱和度的无创检测。 图3.1手指对红外光的吸收观察 第四章 LabVIEW模拟测量系统电路第一节 正弦波信号的产生采集数据需要采集信号驱动硬件将电脑与传感器连接起来
10、，而在此课设过程中由于我们小组手上的器械设备和时间有限。我用LabVIEW软件产生的正弦波新号模拟采集到的血氧信号。 实际在显示生活中我们做实验的时候真正采集到的脉搏信号一般处于30至200HZ，大于200HZ则出现心脉差，测量脉搏也就是没什么意义；而小于30HZ，心脏输出量减少，呼吸急促，对于信号干扰也加大，同样是基本无法测量的。我们一般采集的信号主要包含工作信号和干扰信号，例如噪音属于一种干扰信号类型。下图4.1和4.2分别为正弦波信号产生的程序框图和前面板。 图4.1正弦波信号产生的程序框图 图4.2正弦波信号产生的前面板第二节 信号的滤波 对于采集到的信号要进行一系列的处理，即将信号中
11、干扰信号去除已得到比较确切的数据波形。我们小组对采集到到的信号进行滤波处理可以得到平坦的正弦波信号。我们在选择滤波器的时候充分考虑到我们项目的要求，所以选择了巴特沃斯滤波器。在创建过程中，我们小组首先创建了一个叠加的正弦波和均匀噪声的仿真信号源用以模拟我们采集到的血氧信号和干扰信号。我们创建的时候可以在程序框图中用鼠标双击仿真信号图标来弹出参数设置窗口，对巴特沃斯滤波器也可以在程序框图中双击其图标来打开参数设置窗口，本次我们小组用的参数均是默认值。下图4.3和4.4分别为巴特沃斯滤波电路的程序框图和前面板。 图4.3巴特沃斯滤波电路的程序框图 图4.4巴特沃斯滤波电路的前面板第三节 信号交直流检测 对于滤波过得信号要进行初步的卷积计算来对信号进项行交直流成分的检测，借此可以得到实验所需要的信号。我们小组用了连个信号源即正弦波和方波波形，然后进对信号源进行卷积计算，生成一个叫新的信号。下图4.5和4.6分别表示信号卷积运算的程序框图的前面板。 4.5信号卷积运算的程序框图 X代表正弦波信号 Y代表方波信号X*Y代表进过卷积运算后得到的新信号 图4.6信号卷积运算的前面板的三个波形图第四节 信号的运算由于收集到的信号有工作信号也有干扰信号，所以我们小组设
