基于DSP的脉搏血氧饱和度测量仪的设计.docx
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基于DSP的脉搏血氧饱和度测量仪的设计
毕业设计（论文）
题目：
基于DSP的脉搏血氧饱和度测量仪的设计
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指导教师：
2009
年
5
月
22
日
基于DSP的脉搏血氧饱和度测量仪的设计
【摘要】新陈代谢是生物体内全部有序化学变化的总称。
它包括物质代谢和能量代谢两个方面。
能量代谢是指生物体与外界环境之间能量的交换。
人体的能量代谢分为有氧代谢和无氧代谢，其中有氧代谢是主体。
血氧饱和度是指动脉血中与氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比.传统的血氧饱和度测量方法是对人体采血,再利用血气分析仪进行电化学分析,测出氧分压,计算血氧饱和度.这种方法虽然精确,但操作繁琐,且不能进行连续的监测.衡量氧气在血液中浓度的指标是动脉血氧饱和度。
脉搏血氧测量仪是目前测量动脉血氧饱和度最有效的设备之一。
数字信号处理技术简称DSP，它是一门与许多学科相关而又广泛应用于许多领域的新兴学科。
本文利用了数字信号处理技术以芯片为核心处理单元实现了脉搏血氧饱和度的测量，可以有效地实现复杂背景下血氧饱和度的准确检测。
【关键词】血氧饱和度数字信号处理（DSP）脉搏血氧测量仪特性
Thetrainingoflastinglearninginterestandpowerforcollegestudentsintestteaching
【Abstract】 Metabolismisinorganismthecompleteorderchemicalchangegeneralname.Itincludesmaterialmetabolismandenergymetabolismtwoaspects.Theenergymetabolismisreferstobetweenorganismandtheexternalenvironmenttheenergyexchange.EnergymetabolismofHumanbodydivideintotheoxygenmetabolismandtheLackofoxygenmetabolism.Mainbodyistheoxygenmetabolism.Themeasurementofoxygensaturationinbloodhasgreatsignificanceinclinicalanddailyhealthcare.Thispaperfirstanalysesthemeasurementprinciplelesandmethodsindetail.Onthebasisofcomparisonamongvariousrelatedpulseoxygensaturationinbloodinstruments,theweightoxygeninthebloodthedensitytargetisthearterybloodoxygendegreeofsaturation.Thepulsebloodoxygenmeasuringinstrumentisoneofpresentsurveyarterybloodoxygendegreeofsaturationmosteffectiveequipment.ThedigitalsignalprocessingtechnologyiscalledDSP,itisonerelatedandwidelyapplieswithmanydisciplinesinmanydomainemergingdisciplines.Thisarticleusedthedigitalsignalprocessingtechnologytorealizethepulsebloodoxygendegreeofsaturationsurveytakethechipasthecoreprocessingunit,mightrealizethecomplexbackgroundhemorrhagingoxygendegreeofsaturationaccurateexaminationeffectively.
【KeyWords】Bloodoxygendegreeofsaturationdigitalsignalprocessing（DSP）Pulsebloodoxygenmeasuringinstrumentcharacteristic
目录
引言1
一、绪论1
（一）血氧饱和度的概念及其生理意义1
（二）脉搏血氧饱和度测量仪的发展历程2
（三）脉搏血氧饱和度测量仪的发展现状与改进方向2
（四）数字信号处理技术3
二、脉搏血氧饱和度的测量理论基础3
（一）脉搏血氧饱和度测量中的光学理论基础3
（二）生物组织的基本光学模型和红外光谱的技术3
三、基于的脉搏血氧仪的硬件电路的实现4
（一）系统框图4
（二）TMS32OFZO6的功能及控制电路分析5
（三）血氧信号的产生及处理过程5
（四）脉搏波信号的处理6
1.基于DSP的脉搏血氧仪硬件电路提取的脉搏波6
2.脉搏波的周期和幅度的计算6
3.微分阀值法的改进6
4．采用自相关函数法对脉搏波信号的分析7
四、脉搏血氧测量仪的软件设计及信号的处理方法7
（一）TMS320F206软件设计方法7
（二）基于DSP的脉搏血氧饱和度测量仪的软件设计8
结论9
参考文献10
致谢11
引言
现如今，在医院临床监护和日常中老年保健中，脉搏的测量是一项基本的生命指标，因而脉搏测量是最常见的生命特征的提取，而且氧气在血液中的浓度具有重要生理意义，所以测量脉搏血氧饱和度就尤为重要，近年来脉搏血氧饱和度测量仪已经在临床实践中得到了广泛地应用，成为一种不可缺少的临床诊断设备。
脉搏血氧饱和度测量仪实现了对脉搏血氧饱和度的测量，能够使人们随时随地的对自己身体进行检查，及早的发现自己身体的疾病，提高人们保健意识有着深远的意义，尤其是对于关注老年人的身体状况更为重要，在有老龄化趋势的中国，脉搏血氧饱和度测量仪更是有它实际的意义和广大的市场价值，在科技高度发达的社会很有意义。
一、绪论
（一）血氧饱和度的概念及其生理意义
新陈代谢是生命的基础，有氧代谢是人体能量供应的主体。
人体的能量物质经过氧化分解，将它们所蕴藏的化学能释放出来给机体利用。
人体吸入氧气，在肺部的肺泡内与毛细血管进行气体交换。
氧分子和血红蛋白分子能进行可逆的结合，血红蛋白是一种结合蛋白质。
血红蛋白的功能是运输氧气和二氧化碳以及对血液的酸碱度起缓冲作用。
血红蛋白由氧合血红蛋白和还原血红蛋白组成。
当血液中氧分压升高时，血红蛋白与氧气结合，形成氧合血红蛋白，反之当氧气分压降低时，形成还原血红蛋白。
所以氧气分压越高，则氧合血红蛋白在整个血红白中的比例越高。
人体内的血液通过心脏的收缩和舒张脉动地流过肺部，一定含量的还原血红蛋白与肺泡中的氧气结合变成了氧合血红蛋白，而约的氧溶解在血浆里。
这些氧通过动脉系统一直到达毛细血管，然后将氧释放，维持组织细胞的新陈代谢。
血氧饱和度是氧合血红蛋白在整个血红蛋白所占的百分比。
无损伤性血氧饱和度测量仪的监测非常有用，通过调整氧疗，可避免对脑、肺、眼的损害。
现代脉搏血氧饱和度测量仪可按不同病情设置不同的报警限，任何因素所致的呼吸暂停、心率减慢或心率加快以及氧合改变均可以及时发现，是极有用的监测医疗设备，随着医疗事业的发展和现代科技的进步，医疗监护技术的发展趋势是要求连续监测各种生理参数，做到无创伤、稳定、尽可能少的不适应感和无过敏反应，所以基于数字信号处理脉搏血氧饱和度测量仪就应运而生了。
（二）脉搏血氧饱和度测量仪的发展历程
对于脉搏血氧的测量最早的是在穿透血管的情况下进行的，但对于紧急情况和新生儿特殊的情况就不太适用了。
现代的脉搏血氧测量仪是一种不需要穿透血管的情况下，连续测量人体内动脉血氧饱和度的光电测量仪器。
脉搏血氧饱和度测量仪的发展己有很长的历史，有单片机，CMOS影像传感器和DSP的多种方法。
基与传统的PCI单片机来实现脉搏测量仪，以PIC18C252单片机为核心的控制程序,实现了数字信号处理算法和计算人体脉率和血氧饱和度的复杂算法,克服了测量信号的漂移和噪声干扰；基于CMOS影像传感器脉搏血氧饱和度测量仪用CMOS传感器阵列取代了传统血氧仪中的光敏探测,实现了血氧饱和度及脉搏波的无接触测量。
由于摄像头不能够有效屏蔽外界光源噪声的干扰,所设计样机较传统的血氧仪测得的饱和度值偏低,误差偏大；本文就是基于数字信号处理（DigitalSignalProcessing，简称DSP），并以芯片为核心处理单元为控制器来进行脉搏血氧饱和度的测量。
（三）脉搏血氧饱和度测量仪的发展现状与改进方向
国外的医疗水平相对我国来说有很大的差距，脉搏血氧饱和度测量仪技术与发达国家相比差距更是大，在像美国等的一些发达国家，在很早的时候就实现了对脉搏血浆饱和度高技术含量的测量，起步相对我国来说早，并且血氧饱和度是一项很重要的对身体衡量标准，像发达国家都很关注国民的身体素质，更是关注老年人的身体状况，所以对身体的检测技术水平高，而在我国中医较西方医学来说普及度高，因而对脉搏的测量还是比较传统的中医中的诊脉，我国的脉搏血氧饱和度测量仪技术起步晚，对于一些构成脉搏血氧饱和度测量仪的器件及技术我国的研究晚，技术还是不够成熟，但是20世纪90年代以来，在我国随着计算机的普及和发展，芯片的应用和技术也在不断的发展和完善。
在集成电路与系统的设计中，采用芯片辅助分析和设计的电路已获得广泛的应用，它可以进行原理图设计和实验，因而我国在脉搏血氧饱和度测量仪也取得了一些成果，能够独立的设计高科技的测量仪。
我国已经实现了利用TMS32OFZO6芯片为核心处理单元的脉搏血氧饱和度测量仪，它利用数字信号处理技术和编程语言，并用硬件电路完成对血氧饱和度准确的测量。
血液成份的变化可以引起血液对红光红外光吸收率的变化，进而影响到血氧饱和度的测量值。
例如在经常吸烟的人的血液中一氧化碳合血红蛋白的比率高于正常人，使得血氧饱和度的测量结果比实际值偏高，现有的算法并没有考虑这方面的影响。
现在使用的脉搏血氧测量仪采用透射式传感器。
反射式传感器与透射式传感器相比，光束不需要贯穿组织，获得的光信号比透射式传感器强，信噪比高。
在一的波长范围内，传感器接收端接收到的光信号的交流成份和直流成份之比，反射式传感器和透射式传感器没有显著的区别。
采用特定几何结构的反射式传感器可以在脉搏搏动微弱的情况下获得较强的信号，在一定程度上克服弱灌注现象。
测量算法的改进方向可以通过自适应滤波算法，可以消除静脉和毛细血管充盈所引起的误差。
（四）数字信号处理技术
数字信号处理（DigitalSignalProcessing，简称DSP），数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术。
数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。
数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。
因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。
而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域，这是通过数模转换器实现的。
本课题采用数字信号处理芯片作为血氧饱和度测量仪的中央处理芯片，利用强大的运算能力来实现血氧饱和度的准确测量。
数字信号处理，简称DSP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。
数字信号处理作为信号与信息处理的一个分支学科、己有很长的发展历史。
但它又是一个新兴的、极富活力的学科，活跃在电子学、计算机、应用数学等学科的最前沿，渗透到科学研究、技术开发、工业生产以及国防和国民经济的各个领域，起着越来越重要的作用。
数字信号处理的基础是数字计算机和算法。
算法一旦建立，就要寻找合适的计算机来有效地实现它们。
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处理。
二、脉搏血氧饱和度的测量理论基础
（一）脉搏血氧饱和度测量中的光学理论基础
利用光学方法进行生物组织的无损检测目前有光谱学和光成像学等两种方法，其基本原理是根据组织对光的固有特性，利用光在组织中传播的效应来获取生物组织生理的、代谢的和结构的有用信息，为临床实践和理论研究提供方便可靠的指标。
这种方法具有安全、可靠、连续及无损的特点，因而具有广泛的研究和应用前景。
利用光谱学方法研究生物组织最具有应用意义的课题之一是监测和评估人体组织氧化代谢能力。
定量确定组织在红光和近红外光谱区的光学特性在医学领域有重要意义。
（二）生物组织的基本光学模型和红外光谱的技术方法
我们知道每个实际物理问题都应转变为相应的数学模型，而且这个模型必须是可解的才有实际意义。
当前，组织光学中的基本问题之一是要弄清可见光和近红外光在生物组织体中的传播特点和规律。
这是因为600—1300nm光谱区为“治疗窗口”，对许多己知的和潜在的治疗技术和光诊断技术具有特别意义。
绝大多数生物组对可见和近红外光呈现出不透明、混浊和高散射的特点，其原因在于生物组织复杂具体结构。
生物组织的固有本性决定了可以将其视作几何形状及物理参数从与波长比拟或细胞的尺度看来有随机起伏的介质，也就是一种不均匀尺度在微米量级或大一、两个数量级的离散随机介质。
对光学性质而言，这里的“不均匀”描写的对象实际上就是折射率，而生物组织对光的强散射特性正是源于折射率在细胞尺度上的不均匀性。
对实际的生物组织而言，要想用传统的电磁场理论来描写它的光学性质是极其困难的，甚至是不可能的。
即使己知生物组织折射率的所有细节，虽然解的存在性与唯一性不容置疑，但试图通过数值求解麦克斯韦方程组来获知光在生物组织中分布规律的努力尚无成功的希望。
，研究表明水和细胞色素的收与氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收相比可不计，由此看出，在近红外双波长血红蛋白的吸收比是组织血红蛋白饱和度的唯一函数值。
三、基于的脉搏血氧仪的硬件电路的实现
（一）系统框图
基于DSP的脉搏血氧饱和度测量仪由实时处理器TMS32OFZO6DSP、光源驱动器、
光电传感器、放大电路、A/D转换、时序控制电路和液晶显示、接口电路等部分组成。
由于采用人的手指作为测量的部位，所以选用指套式光电传感器。
（二）TMS32OFZO6的功能及控制电路分析
DSP芯片选用TMS320F206，TMS320F206是一个定点、静态COMS数字信号处理器。
它采用先进的哈佛结构、具有片内外设、片内存储器及专用的运算指令集，使得此器件使用灵活方便，它的特点单周期指令的执行时间:
50、35、或25ns，存储器可寻址存储空间224K字，TMS32OF206的存储器分为4个单独的可选择的空间:
程序空间、局部数据空间、全局数据空间和1/0空间。
（三）血氧信号的产生及处理过程
红光发光二极管驱动电路是由Q1、Q4、Q6以及它们所连接的器件构成。
当RED—DRV的信号为1时，Q4导通，紧接着Q6导通、Q1导通。
当Q1导通时，+5V提供的电流通过Q1，通过P1的3脚进入红光发光二极管的正极。
再经过发光二极管的负极，通过Pl的2脚到Q6，再经过R26到地。
红外光发光二极管驱动电路是由Q2、Q5、Q3以及它们所连接的器件构成。
当IR—DRV的信号为1时，Q3导通，紧接着Q5导通、Q2导通。
当Q2导通时，+5V提供的电流通过Q2，通过P1的2脚进入红光发光二极管的正极。
再经过发光二极管的负极，通过P1的3脚到Q5，再经过R25到地。
再由放大电路将光电二极管的电流输出转换为电压，通过一个电容过滤掉信号中的直流部分，由DSP决定适当的信号放大倍数，将控制值送入D/A中，D/A的输出连接到由运算放大器构成的转换电路。
转换电路的输出通过积分与滤波电路，最后信号进行模数转换。
（四）脉搏波信号的处理
1．基于DSP的脉搏血氧仪硬件电路提取的脉搏波
基于DSP的脉搏血氧饱和度测量仪硬件电路提取的脉搏波信号如下图
对于硬件电路提取的脉搏波信号，需要进一步的滤波处理。
软件对硬件电路提取的脉搏波信号做低通滤波后的得到的脉搏波波形图。
2．脉搏波的周期和幅度的计算
由于脉搏波是一种以低频成分为主的生理信号，不同于心电信号中有一个频率相对比较高的QRS波群，加之受生理状态、个体差异和传感检测手段等因素的影响，脉搏波信号在形态上往往差异很大，而且常常伴随着比较大的基线漂移和噪声干扰。
如何对脉搏波进行有效的处理，准确识别脉搏波以正确划分脉搏波周期，并在相应周期内提取脉搏波峰峰值，是计算血氧饱和度的基础。
微分阀值法是常用于脉搏波波形检测的一种方法，这种方法利用脉搏波形态上具有陡峭上升沿的特点，通过微分运算将其突出出来，脉搏波的峰峰值便很容易确定了。
3．微分阀值法的改进
通常用于检测的部位（指尖）位于外周血液循环中，血管对脉搏波有较强的平滑作用，特别当被测量者的脉动较弱时，脉搏波的幅度和上升沿的陡峭程度明显降低了，使得微分值法的抗干扰能力变得很差，经常出现误检或漏检。
另外脉搏波中总包含有一个重搏波（它是心室射血后，动脉瓣关闭，回流血液冲击动脉瓣造成的回波），重搏波的大小取决于血管的生理特性、血液的流动特性等，个体差异很大。
有些测量者的重搏波明显，微分运算后亦被突出而导致误检。
在微分阀值法中，脉搏波中较强的突变干扰信号会引起很大的微分值，使得阀值被抬高而在短时间内无法回调，造成脉搏波漏检，并影响血氧饱和度计算的连续性。
为解决这些问题，需对算法进行改进。
4．采用自相关函数法对脉搏波信号的分析
噪声的自相关如果对纯的无限带宽的白噪声做理想的（记录长度趋于无穷大的）自相关，结果得到在时差T=0处的函数。
这个结果的物理意义是:
只有在同一时刻，噪声是自己像自己，不同时刻的噪声彼此互不相关。
由上面的讨论可知，周期信号的自相关函数随着:
的增大呈现出周期性，而机信号的自相关函数随T的增大迅速降为0。
依据这一现象，就可以用自相关来被噪声信号所淹没的周期性脉搏波信号。
设信号v（n）包括周期信号s（n），当记录长度足够大时，随着时差的增大，对于淹没在噪声信号的周期信号作自相关，就可以从自相关函数的周期得信号的周期，记录运算长度N越长，这个方法的精度也就越高。
用互相关估计噪声中的周期信号，可采用样板信号的估计方法和冲激序列的估计方法。
由于我们无法得到一个人脉搏波信号的样板信号，可采用冲激序列的估计方法。
对于包含周期信号s（n）和噪声q（n）的信号v（n），可以由v（n）的自相关得到信号S（n）的周期;再用同样周期的冲激序列与v（n）作互相关，得到对信号的估计。
设我们采用自相关方法得到了信号的周期为M点，我们采用周期为M的冲激序列与v（n）作自相关。
自相关函数的计算需要大量的乘法运算。
由于血氧测量仪采用的是16位定点DSP，两个16位数据相乘很容易发生溢出，如果为防止溢出而采用浮点运，在程序实现时必须将浮点运算通过一定方式转换成定点的整数运算，而这样做将大量消耗DSP的运算时间。
这在实时处理时是无法忍受的，所以在定点DSP中直接采用自相关函数法进行脉搏波的处理不是最佳的选择。
四、脉搏血氧测量仪的软件设计
（一）TMS320F206DSP软件设计方法
芯片的开发需要一整套完整的软硬件开发工具。
开发工具可以分为代码生成工具和代码调试工具两大类。
代码生成工具的作用是将汇编语言编写的程序编译汇编并链接成为可执行的程序。
代码调试工具的作用则是对程序及系统进行调试，使之能够达到设计目标。
代码生成工具是指将用汇编语言编写的程序转换为可执行的目标程序。
芯片目标代码的工具程序，主要包括汇编器、链接器和编译器，此外还有一些辅助工具程序，汇编器的作用是将汇编语言源文件编译为机器语言目标文件，链接器的作用是将目标文件组合成一个可执行目标模块，编译器的作用是将目标模块变成一个极其可执行的目标程序。
代码生成工具是指将用高级语言（如C语言）、汇编语言或用两种语言混合编写的DSP程序转换为可执行的DSP芯片目标代码的工具程序，主要包括汇编器、链接器和C编译器，此外还有一些辅助工具程序，如库生成和文档管理程序等。
代码生成工具程序主要包括以下几种类型的程序:
（1）编译器
（2）汇编器和链接器
（3）辅助程序，如文档管理程序和代码格式转换程序等
（4）库文件
（5）RTS（Runtime—Support）头文件
宏汇编器和链接器是一种将汇编语言源文件转化为可执行目标代码的代码生成工具。
其主要特点包括:
宏和库函数支持允许条件编译支持可重定位模块具有完整的错误诊断功能符号表和交叉参汇编器的作用是将汇编语言源文件编译为机器语言目标文件。
源文件可以包含指令、汇编器命令和宏命令。
链接器的作用是将目标文件组合成一个可执行目标模块。
在生成可执行模块的过程中，链接器进行重定位操作并处理外部引用符号。
链接器输入的文件采用COFF目标文件格式。
链接器的主要功能包括:
定义一个与目标系统存储器相符的存储器模式组合目标文件块程序的存储器定位定义和重定义全局符号以分配特定的值处理输入文件之间的未定义外部符号
（二）基于DSP的脉搏血氧饱和度测量仪的软件设计
为了提高测量的准确度，采用TMS320F206芯片代替以往的单片机，利用强大的运算，主程序设计采用一个顺序执行的主程序来完成系统的初始化、系统参数的调整、数字滤波、脉搏血氧值和脉率的计算。
定时中断程序的设计采用定时中断程序来完成数据的采集和初步处理，将结果放入存储单元，供主程序进一步处理时使用。
C语言开发DSP的方法就软件开发而言，用DSP芯片的汇编语言编写程序是一件比较繁杂的事情。
一般说来，不同公司的DSP芯片所提供的汇编语言是各不相同的，用汇编语言开发基于某种DSP芯片的产品的周期都相对较长。
开发人员在编写DSP程序之前首先必须熟悉这种DSP芯片的汇编语言，而一旦产品开发完毕，回过头来再对软件进行修改、升级将是非常困难的，这是因为汇编语言的可读性和可移植性相对来说较差。
基于上述原因，各个DSP芯片公司都相继推出了相应的高级语言（如C语言）编译器，使得DSP芯片的软件可以直接用高级语言编写而成，从而使DSP芯片的开发速度大大提高，也使程序的修改和移植变得十分方便。
结论
近年来脉搏血氧饱和度测量仪已经在临床实践中得到了广泛地应用，成为一种不可缺少的临床诊断设备。
血氧饱和度的测量是一个重点课题，可以用多种方法实现。
基于数字信号处理（DSP）的脉搏血氧测量仪在国内的发展处于不成熟阶段。
基于的脉搏血氧测量仪可以应用到多参数监护仪可按不同病情设置不同的报警限，任何因素所致的呼吸暂停、心率减慢或心率加快以及氧合改变均可以及时发现，是极有用的监测医疗设备，随着医疗事业的发展和现代科技的进步，医疗监护技术的发展趋势是要求连续监测各种生理参数，做到无创伤、稳定、尽可能少的不适应感和无过敏反应，可在医疗仪器中得到很好的应用。
基于的脉搏血氧测量仪较好地利用芯片以核心完成测量的功能。
本文具体讨论了基于DSP的脉搏血氧测量仪的硬件实现及电路的工作过程，分析了各个硬件功能单元电路的实现。
其硬件电路完全满足脉搏血氧测量仪的需要。
基于强大的运算
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