基于STM32的血氧饱和度(SPO2)测量仪的研究与设计开题报告

 2022-12-18 22:38:14

1. 研究目的与意义

随着人们生活水平的提高,饮食结构的改变以及工作压力等造成的体育锻炼的减少,肺心病已成为严重威胁中老年人身体健康的一种常见疾病。

根据国内近年的统计,肺心病平均患病率已达到 0.41%~0.47%。

肺心病又称肺原性心脏病,其致病原因为慢性肺部疾病导致肺的通气和换气功能发生障碍,从而引起了缺氧,长时间的缺氧导致肺循环阻力增大,肺动脉压升高,最终引起右心衰竭。

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2. 研究内容与预期目标

从信号的角度出发,建立一套全数字的信号采集系统,获取大量正常情况下的PP信号和有运动干扰以及低灌注情况下的PPG信号,研究脉搏波的数字信号处理方法,包括信号预处理方法,参数计算方法,抗运动和低灌注影响的算法研究,在此基础上设计了便携式的无创血氧饱和度测量系统。

血液的氧含量一般用血液中氧合血红蛋白占总血红蛋白的百分比来表示,临床上一般通过监测动脉的功能血氧饱和度(SpO2)来反应人体的血液氧含量状况,无创血氧饱和度测量主要是采用脉博血氧饱和度的方法,利用光电容积描记技术,获得单色的红光和红外光通过人体组织后透射的光电容积图信号,由于HbO2和Hb对单色光的吸收谱不一样,可以通过 Beer-Lambert 定律计算得到血氧饱和度的值。

主要研究内容是基于STM32的血氧信号处理算法选择与实现与常用血氧信号特征值提取算法相比较,本系统设计在近红外光谱测量原理的基础上提出了一种新的血氧特征值提取算法,该方法设汁了透射光强信号的线性回归模型,并确定了回归系数b与特征值R之间的定量关系。该算法具有实时性好、精确度高、数据利用率高、数据采样率低等特点。选用IIR数字滤波器对模拟集成前端输出的信号进行滤波处理,减少噪声干扰,使滤波后的波形达到了设计的要求。

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3. 研究方法与步骤

以STM32单片机为核心,设计一个低功耗、低成本和高精度的血氧饱和度检测系统。它充分利用嵌入式处理器丰富的片上外设的优势,对血氧饱和度参数进行采集、分析和显示处理,整体设计方案可为家庭监护产品设计提供依据。硬件设计方面,采用芯片的内部时钟进行光电信号的驱动,并用其内部定时器实现信号的采样,系统将通过时序电路控制数字血氧探头分时发射红光和红外光,由接收端接收方波信号,送入微处理器(STM32),经过计数器计数,得到信号的频率值,最后进行数据处理、脉率、血氧饱和度数值的计算,信号处理方面,设计出自适应的参数训练算法,提高血氧值计算的有效性。采用单片机来对他们进行控制,具有控制方便,简单和灵活性大等优点,核心在于单片机与光电传感器、显示器的硬件连接及接口程序的设计,另外一点便是对信号采集原理的理解与运用。

(1)对于波长的选型,不同波长对 HbO2和Hb的吸收光谱曲线。根据理论研究表明,在测量血氧饱和度时,氧合血红蛋白和还原血红蛋白对所选光波长的吸光系数过大或过小都不利于检测。由于HbO2和 Hb对 600nm以下波长光吸光系数较大,故不适宜血氧饱和度测量。又在805nm 附近的吸光系数随波长变化梯度较大,由于发光管的个体差异性,可能引起测量的不准确。因此双波长血氧饱和度测量常选测 660nm和940nm的波长进行测量。

(2)对于信号的采集及处理,现在医用的无创血氧饱和度测量仪探头多为指夹式透射型,使用时将探头套在指尖,探头上壁固定了两个并别放置的发光二极管,波长分别为660nm的红光和904nm的红外光,下壁是一个光电转换器件,将透射光的光强转换为电流信号。通过轮流控制两个LED发光,对各自发光时输出的电流信号进行I/V 变换,放大然后采集,对采集后的信号做处理,就能计算得到SPO2的值。由于测量时,探头套在指尖,LED光会透射过指尖,因此测量时最好将手指特别是指甲部位清洗干净,否则会对光线的透射产生一定的影响;同时应避免强光直接照射,否则外界强光可能会使光电接收器件偏离正常范围,导致测量结果的不准确。

(3)血氧饱和度的准确测量取决于光电容积图信号(PPG)的正确获取,由于数据采集系统采集到的PPG信号会混有各种噪声,需要对波形进行预处理,进行低通滤波和高通滤波。根据无创血氧饱和度测量的原理,需要计算红光PPG信号和红外光PPG信号的交流分量和直流分量。由于采集到的波形中含有高频的噪声成分,而脉搏波的主要能量分布在 0.5Hz~5Hz,为了去掉高频噪声的干扰,将原始信号通过一个低通滤波器。由于 IIR滤波器运算速度快,在实现相同选频特性的条件下比FIR滤波器的阶数低得多,而且对PPG信号进行分析是对相位的要求不高,因此选用IIR 滤波器。

(4)对参数进行计算,首先是峰值点的检测,在进行脉率计算时,需要计算单位时间内的脉搏波个数,在血氧饱和度计算时,需要得到PPG信号的交流分量大小。因此需要检测出PPG 信号的波峰点和波谷点。由于人体生理变化的原因,由波形特征可知,脉搏波由一段快速上升和缓慢下降的波形组成。在缓慢下降的部分,由于血管弹性的作用,会出现切迹,也会产生一个峰值点。因此在算法实现时,采用可变阈值比较法,检测峰值点,同时对检测到的峰值点进行判断,若与前一个峰值点的间隔太小,则可认为该峰值点为切迹产生的,舍弃掉。找到峰值点后,向后寻找极小值点,即为前一个脉搏波的波谷点。

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4. 参考文献

[1] 王博亮,刘迎春,刘安之等.医用传感器及其接口技术[M].北京:国防工业出版社,1998.

[2] 陈和,黄智伟.无损伤血氧饱和度测量系统研究[A].湖南:南华大学学报.2002.

[3] 房磊.无创血氧饱和度测量系统的设计与实现[D].华中科技大学,2012.

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5. 工作计划

1、1月16日~3月15日

写开题报告,根据设计任务书收集资料,拿出设计方案;

2、3月16日~3月31日

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