毕业设计labview血氧饱和度.docx
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毕业设计labview血氧饱和度
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，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：
1该生学习态度（认真较认真不认真）
2该生迟到、早退现象（有无）
3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：
1设计巧妙，实现设计要求，并有所创新。
2设计合理，实现设计要求。
3实现了大部分设计要求。
4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1节正弦波信号的产生······································5
第二节信号的滤波············································6
第三节信号交直流检测·······································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HbR的分子可吸收不同波长的光线：
Hb02吸收红光，波长为600nm～700nm，而HbR吸收近红外光，波长为800nm～1000nm，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1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，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2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4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，所以我们小组设计的时候用到的高通滤波器和低通滤波器的阶次分别为12和4，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，分别采用巴特沃斯滤波器，切比雪夫滤波器，切比雪夫Ⅱ滤波器，椭圆滤波器及贝塞尔滤波器等滤波器。
由于采用不同的滤波器产生的效果也是不同的，在实际我们小组对比这几种滤波器的效果的时候，巴特沃斯滤波器对于我们小组设计项目比较合适。
具体运算的电路程序框图如下图4.7所示
图4.7信号运算电路
利用LabVIEW的图形化编程环境,可以实现对脉搏信号的数据采集、存储和分析等功能.由于该系统设计是基于虚拟仪器平台,硬件部分结构简单,而且系统具有极强的灵活性和可操作性.采用基于LabVIEW的数字锁相放大器,使系统抗干扰能力增强,获得了较好的光电脉搏波波形,从而可在很大程度上提高脉搏血氧饱和度的测量精度.本研究对利用虚拟仪器开发类似系统有一定借鉴作用.
第五章心得体会
本课题的研究主要是面向血氧饱和度的反射式测量，相对于透射型（传输
型）血氧计，在实践中的反射型血氧计的临床数据的报告比较少，无论从传感
器的设计，测量部位的选择，软硬件结构，还是测量方法，血氧饱和度的计算公式等方面都值得进一步的探索。
基于以上的考虑，本课题主要完成了以下的工作：
在软件系统研究方面：
1、采用巴特沃斯滤波器滤波法消除噪声，使信号更加平滑和稳定；
2、采用卷积计算电路分心之流河交流信号。
3、对采集到到的血氧信号进行运算好得到实验数据。
最后，完成了对整个检测系统的定标工作，确定了实际检测中的血氧饱和
度的计算公式。
本课题还有许多尚待改进和进一步探索的问题，主要有：
1、测量部位的选择上，在本课题中只选择了手指处和额表处作为测量的部位，效果不是很理想，有文献提到的眼部测量以及食管部位的测量等，
都需要进一步的实验进行验证；
2、测量波长的选择上，现在所用的测量光波的波长基本上都是660nm和940nm，是否可以选择其他波长的红光和红外光，比如730nm和850hm，有待进一步的研究；
3、对个体适应性的问题上，尤其是对弱灌注情况下的血氧饱和度的测量仍然是一个需要深入探讨和值得研究的方面；
4、在低功耗、微型化的设计上也有待于进一步的研究；
总之，目前对血氧饱和度的测量还有很多的问题值得我们学生们探索和研究。
通过这次的课程设计，我和我的搭档一起查阅资料一起讨论，我深深体会到合作的好处，同时也深深感受到了我们知识的有限性，以后我们要多学习一些课外知识开阔我们的视野。
第六章参考文献
[1]丁海曙，王陪永，王广志．动脉血管及肌肉中含氧量的无损检测计．世界医疗器械杂志．1995，2（3）：
40～43
[2]邓亲恺，现代医学仪器设计，北京：
科学出版社，2004．05
[3]陈明进，许锡铭．脉搏血氧饱和度仪的发展及应用：
现代医学仪器与应
用，1995，l
（1）：
5～10．
[4]邓渊，董声焕，李光宇．无损伤血氧计：
国外医学生物医学工程分册，1994；
17
（1）：
1～8
[5]MillikanGA．RevcScilnstr，1942：
13：
434
[6]MichaelWW．IntJClinMonitorComput，1987：
44：
161
[7]WoodEH：
Oximetery．InGlasserO（ed）：
MedicalPhysics．V01．II．YearBookPublishers，Chicago，1950
[8]WoodEH，era1．Oximetry，INGlasser0（ed）：
MedicalPhysics．V01．111．YearBookPublishers，Chicago，1960
[9]Clarkjs。
BernhardV，RonaldLA．Noninvasiveassesmentofbl
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