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1、-工业大学研究生开题报告学位级别：博士硕士工程硕士学 号： S202115049研究生： 王东明指导教师：松、益民专业名称： 生物医学工程所在学院： 生命科学与生物工程学院开题报告时间：2021年12月06日工业大学研究生部制表一、根本情况研究生王东明学 号S202115049院、系生命科学与生物工程学院指导教师及职称松 副研究员益民 助理研究员学科、专业生物医学工程入学年月2021年9月1、 研究方向、论文选题围： 血流动力学的无创检测2、 拟定论文题目：基于嵌入式血液粘度无创检测系统的设计3、 论文科研课题属于哪一级科研工程，经费来源及金额课题来源选项分为国家计委、科委工程、国家经贸委工程
2、、国家自然科学基金工程、国务院其他部门工程、主管部门部委级工程、省、市、自治区工程、国际合作工程、学校级工程、自选工程、其它：自选工程4、 论文类型根底研究、应用研究、开发研究、其它应用研究摘要选题研究容和意义简介限400字：人体的脉搏波中蕴含着大量的心血管信息，血流动力学参数的变化与脉搏波波形特征严密相关，血流动力学参数能直接反映心血管系统功能的状态，对心脏功能做出较为全面的评价。血液粘度是重要的心血管功能参数，目前临床三高疾病高脂血症, 高血压病, 糖尿病的病理根底都与血液粘度增高的血液流变学的异常改变有关。血液粘度升高导致血流缓慢, 微循环功能发生障碍, 组织器官缺血缺氧, 最终导致心脑
3、血管等循环系统疾患，因此血液粘度的测定是诊治这类疾病的重要依据。通过采集到的指脉脉搏波来获取粘度等心血管血流动力学参数，在心血管疾病、妊娠期疾病的检查、治疗和康复评价上都具有十分重要的作用，特别是嵌入式、便携式的系统设计使得系统在运动健身领域、家庭医疗方面也具有广阔的运用前景。当今的血液粘度无创检测产品主要是通过脉搏波检测来计算血液粘度值，以往的脉搏波波形采集和分析需要人为的干预，在采集过程中人为的判波、选波和停顿采集，自动化程度低，且操作繁琐易引入人为因素的影响。目前市场上的脉搏波检测设备受主控芯片运算速度的限制，下位机采集的数据需送PC机进展计算，隔离了系统的整体性。本课题采用DSP嵌入式
4、的设计，系统集波形采集、自动判波、参数计算和结果显示功能于一体，提高了检测的速度，降低了操作的复杂程度，准确的测得被测者的心血管血流参数，电源管理模块化的设计降低了系统的功耗、延长了系统的待机时间。本课题的设计意义是为心血管疾病检查和治疗提供科学合理的血流动力学评价参数，提供一种便携式的血液粘度检测手段，在临床和家庭保健领域提供客观的诊断意见和监测技术。关键词用分号隔开、最多5个血液粘度；血流动力学；嵌入式；电源管理；家庭医疗二、报告正文课题背景及研究意义人体脉搏波中蕴藏着丰富的生理病理信息，历来作为临床诊断和治疗的依据，大量的临床实测结果证实，脉搏波的特征与心血管疾病有着密切的关系。脉搏波所
5、表现出来的形态波的形状、强度波的幅值、速率波的速度与节律波的周期等方面的综合信息在相当程度上反映出人体心血管系统的许多生理和病理特征1-3。血液粘度是临床上诊断心血管疾病的重要指标，心血管疾病、微循环疾病以及许多常见疾病都与血液粘度的变化有着显著的关系。因此，对血液粘度的监测不仅可以及时预测疾病，而且在疾病的诊治和康复评价方面也是十分重要的技术手段。目前的血液粘度等血流动力学检测技术分为有创和无创两种：有创方式需要人工采血，操作复杂且容易穿插感染，一般病人难于承受。且受到检测方式的限制也不能实现连续、动态的监测血液粘度等血流动力学功能参数的变化。无创方式主要是通过生物力学建模或脉搏波的方式来对
6、粘度进展检测，可实现连续、动态的检测。生物力学建模的假设条件多且检测个体差异性大，检测结果准确度有限。脉搏波分析技术通过将检测的波形参数与临床数据进展统计学分析，通过波形参数计算出血液粘度的值。经临床验证，两者具有很强的统计学意义，准确率较高。随着数字信号处理技术和嵌入式的系统设计的开展，低功耗、智能化、自动化程度高的检测仪器越来越受到人们的青睐。以往的脉搏波检测设备自动化程度低、操作复杂，易受外界人为因素的影响。通过嵌入式的心血管功能无创检测系统的研究，实现脉搏波自动采集、自动判波、自动分析、自动将脉搏波波形参数转化为相应粘度值，减少人为的干预，提高检测速度，降低系统操作的复杂程度，快速、方
7、便、准确的测得血液粘度相关的心功能血流动力学参数。该系统能为临床心血管疾病发病前的检查和治疗效果的评价提供直观的检测手段，检测结果的显示和参数变化趋势图可以更直接的显示被测者的心血管功能状态。被测者只需把手指放在光电传感器上，系统便可自动完成波形采集、波形处理、自动判波和计算并显示检测结果和粘度相关参数的变化趋势图，测量方便快捷，对操作人员的要求低，便于系统在家庭保健领域的推广。该课题是在本实验室20年来血流动力学理论根底研究和检测仪器设计经历上吸收和改良电路设计、脉搏波波形采集控制以及PC机软件，得到一个完整的脉搏波自动采集分析系统，通过DSP对脉搏波波形特征参数的提取计算出血液粘度相关的血
8、流动力学参数。系统要能自动调节基线、自动识别手指插入状态、电路工作状态、电池电量状态监测以及智能化电源管理、实现自动判波、波形参数的自动提取与粘度相关算法的计算、监测结果的显示和参数变化趋势图的绘制。系统集波形采集、处理、显示于一体，能更好更方便的运用于临床检查以及家庭医疗。国外研究现状血液粘度检测手段主要有有创方式和无创方式：有创方式它具有准确度高，但不能长时间连续、动态的监测血液粘度的变化，容易引起病人的感染，对身体有损伤具有很大的局限性；今年来无创方式通过模型分析和统计分析的方法原理，已经取得了突破性的进展，准确度已经到达了一定水准，且无创检测方式能实时、方便、快捷、连续的监测人体血液粘
9、度的动态变化，能为临床和家庭医疗保健提供血液粘度的检测技术和评价手段。脉搏波波形特征与血液粘度具有很好的相关性，实验室通过20年来从事血流动力学理论研究，在脉搏波和血液粘度相关性方面积累了大量的研究成果和经历，通过临床验证血液粘度与脉搏波波形系数具有良好的统计学意义，通过对波形特征系数的提取来计算粘度具有很好的准确度。利用脉搏波波形提取的脉搏波波形特征参数还能计算十几项血流动力学的功能参数，检测结果经过统计学实验比照，具有较好的相关性。检测得到的参数能够较为全面的反映人体心血管的功能，而且检测方法具有实时、无创、快速、便捷等特点57。目前的脉搏波检测技术操作复杂，波形采集需要人为的干预，需操作
10、者通过观察采集的脉搏波波形来判断波形的有效性，人为的选波并停顿波形采集来计算心血管功能参数，自动化程度低，对操作者有一定技术要求，易引入人为影响，同时造成脉搏波的重复性差89。系统集成度低，一个完整的系统被别离成上位机和下位机两局部，携带不便且本钱高。而且系统的电源设计没有统一的管理，电源消耗高不适宜用于家庭医疗保健领域和便携式医疗。随着MCU价格的降低和嵌入式技术的开展，嵌入式的设计越来越多应用于医疗电子行业，嵌入式的高运行速度和控制能力使得检测设备功能越来越表达实时性要求。目前的无创血液粘度检测，准确率低、检测结果参数单一，没有诸如血液粘度、外周阻力等重要的血流动力学临床参数，缺乏相应的临
11、床评价参数，价格昂贵且没有电源管理的功能，使得该产品很难应用到家庭医疗和户外监护。本论文创造性的将脉搏波与血液粘度结合起来，通过临床数据分析找到脉搏波与血液粘度的关系，计算粘度值。在检测电路和软件设计方面针对上述的缺点，本课题在实验室已有的研究根底上进一步改良电路和软件，采用嵌入式的电路设计，减小干扰、降低功耗、提高了系统采集的智能化和自动化，设计出体积小、自动化程度高、功耗低、便携式的嵌入式心血管功能无创检测系统。实现波形的自动识别、自动判定、自动分析、自动显示检测结果，实现数据采集、处理、显示的自动化。血液粘度参数变化趋势图可以直观的查看被测者的心血管功能状态，为心血管患者提供有效的监测技
12、术手段和科学的指导意见，为指脉的科学研究提供支持。选题的研究容、研究目标本课题在实验室原有的研究根底之上，结合血流动力学的无创检测技术以及数字信号处理技术，重新设计和改良脉搏波检测系统的硬件电路包括传感器局部和控制处理局部，并重新设计制作了传感器电路、嵌入式系统以及电源管理、液晶显示等外围电路。系统软件设计了相应的数字信号处理和采集控制程序及配套的PC端应用软件11，在硬件电路上实现脉搏波波形的自动采集、自动识别并判定、自动分析和显示。使其满足如下功能及性能要求：功能要求：1） 光电传感器的设计，信号能在传感器中做初步的处理后通过串口送DSP处理单元：通过前端的光电传感器将人体手指随心脏收缩和
13、舒引起的血液容积变化转化为电信号，通过电路的放大送C8051F330单片机做初步的信号预处理信号滤波和脉搏波基线调节。2） 可检测传感器电路工作是否正常：通过采样传感器电路的电压信号对传感器的工作状态进展判定。3） 可检测手指插入状态并自动开场系统的检测：通过将传感器检测的电压信息与设定的阈值进展比拟来判断手指的插入状态。4） 可在硬件电路上自动完成波形的采集、判定、分析计算及结果的显示。5） 可与PC机进展通信，进展通信测试、血流动力学相关参数的计算、显示以及检测结果评估图示：通过DSP的串口与PC机进展通信和数据传输。6） 上述3、4、5、6的测试结果，可通过通信协议向PC机报告传感器工作
14、状况、手指插入与否、主机单片机和从机DSP的工作状态。7） 电源的自动管理：系统能实现电池充电、电池电量的实时监测、系统电源的科学管理通过DSP控制电源管理芯片的使能端，在5分钟时间后使用者无相关操作即关闭电源管理芯片的使能端制止电源的相关输出，当按相关复位按钮后系统回到工作状态。8） 检测结果的显示：在320240点阵液晶上将检测结果电池电量、手指插入状态、参数检测结果、参数变化趋势图显示出来。性能要求：1） 采样精度：大于等于10位2） 采样间隔：5ms3） 频率响应：0.05Hz到200Hz4） 电源供电：直流5V供电电源适配器或USB供电或手机锂电池供电5） 电源功耗：不大于1.5W即
15、电路小于300mA6） 电池供电待机时间不小于10小时拟采取的研究方案及可行性分析本选题主要涉及到硬件系统的设计与制作、软件局部的设计、理论研究及临床验证四大局部。1 系统硬件设计与制作在实验室研究成果的根底上，继承以往仪器小型便携等优点，选用TI定点DSP(采用TMS320VC5402)1214，进一步改良传感器采集电路，在传感器电路局部让脉搏波信号不失真的送到F330单片机，使脉络中最大限度的包含心血管信息，通过DSP的控制和处理显示检测结果，设计相应的硬件采集系统。本系统将针对指脉容积脉搏波的采集和分析设计相应的指脉采集处理电路，根据指脉信号幅值小、频率响应围主要集中在低频段0.05Hz到200Hz的特点，设计新的放大和采集电路，最大限度不失真地反映脉搏波波形形态，满足后续对波形分析的要求。系统的硬件构造如图1所示：图1 系统硬件构造图2 软件局部设计软件的设计主要分为以下三局部：单片机采集控制程序、主从机通讯及控制和计算机软件设计实现计算结果存储和远程发送。单片机软件局部完成数据采集、电池电量采样和数据传送，主要包括定时、A/D转换、平滑滤波、自适应滤波2021、串口数据发送等功能的实现。主
