燕山大學課程設計說明書題目：無創(chuàng)血氧飽和度測量電路學院（系）：電氣工程學院年級專業(yè)：10級生物醫(yī)學工程2班學號：100103040032學生姓名：郭文指導教師：趙勇等教師職稱：副教授燕山大學課程設計（論文）任務書院（系）：電氣工程學院基層教學單位：生物醫(yī)學工程系學號100103040032學生姓名郭文專業(yè)（班級）生物醫(yī)學工程2班設計題目無創(chuàng)血氧飽和度測量電路設計技術參數(shù)1.巴特沃斯高通濾波器和低通濾波器的階次分別為12和42.低通濾波器的截止頻率為0.2HZ，高通濾波器的截止頻率為15HZ設計要求設計血氧飽和度測量電路及數(shù)據(jù)處理電路，能夠實現(xiàn)血氧信號的采集、濾波基本功能；利用Labview軟件進行電路仿真與優(yōu)化。工作量1.調設計心電信號調理電路；2.Labview軟件學習；3.功能電路仿真；4.完成課程設計報告一份工作計劃1天方案調研與系統(tǒng)總體設計；2天仿真軟件學習；3天功能電路仿真與元件參數(shù)優(yōu)化；4天整體電路聯(lián)調；5天系統(tǒng)總結完成報告。參考資料楊玉星.生物醫(yī)學傳感器與檢測技術[M].北京:化學工業(yè)出版社郭萍,孫衛(wèi)新,金捷,等.脈搏血氧儀定標曲線的研究[J].西安醫(yī)科大學學報,2000,(2):1692171.3．網(wǎng)上相關資料指導教師簽字基層教學單位主任簽字說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。年月日燕山大學課程設計評審意見表指導教師評語：該生學習態(tài)度（認真較認真不認真）該生遲到、早退現(xiàn)象（有無）該生依賴他人進行設計情況（有無）成績：指導教師：年月日答辯小組評語：設計巧妙，實現(xiàn)設計要求，并有所創(chuàng)新。設計合理，實現(xiàn)設計要求。實現(xiàn)了大部分設計要求。沒有完成設計要求，或者只實現(xiàn)了一小部分的設計要求。成績：組長：年月日課程設計總成績：答辯小組成員簽字：年月日目錄第一章摘要························································1第二章測量原理···················································2第三章測量部位··················································4第四章LabVIEW模擬測量系統(tǒng)電路·························5正弦波信號的產(chǎn)生······································5第二節(jié)信號的濾波············································6第三節(jié)信號交直流檢測·······································8第四節(jié)信號的運算···········································10第五章心得體會·············································12第六章參考文獻·············································13共頁第頁第一章摘要氧是維持人體生命活動的重要物質，血氧飽和度是衡量人體血液攜氧能力的重要參數(shù)，通過無創(chuàng)的方法對血氧飽和度進行檢測能夠為醫(yī)生的臨床行為提供快速、直接、有效的生理參數(shù)。目前透射式血氧儀已經(jīng)成為比較成熟的監(jiān)護手段，但由于傳感器使用范圍的限制，在大多數(shù)體表部位(如前額、胸部等)需要使用反射式傳感器進行血氧飽和度檢測，而且國內在反射式血氧測量的研究水平上還處在探索的階段，如何用無創(chuàng)、經(jīng)濟的方法獲得準確、可靠的血氧飽和度值仍是生物醫(yī)學工程領域不斷探索的課題。因此，我們小組設計了一套基于LabVIEW的脈搏波信息的分析和血氧飽和度測量系統(tǒng)，為臨床分析應用和工程測試提供了一個較好的平臺。由于時間有限，我們小組對血氧飽和度測量系統(tǒng)部分進行了電路的實現(xiàn)，其中包括模擬采集到、到的血氧信號，信號的計算部分，信號濾波過程。設計了一種基于LabVIEW的數(shù)字鎖相放大器.它采用數(shù)字乘法器和數(shù)字濾波器取代模擬器件,并在動態(tài)范圍、線性失真、噪聲抑制方面的性能遠優(yōu)越于模擬器件,尤其是零點漂移這一重要特性.數(shù)字鎖相放大器借助虛擬儀器LabVIEW的優(yōu)勢,極大地提高了脈搏波檢測的抗干擾能力和測量精度.此外,虛擬儀器是以軟件為核心的結構體系,具有極強的靈活性.由于大多數(shù)生理信號頻率較低,對采集系統(tǒng)沒有特殊的要求,完全可以借助虛擬儀器實現(xiàn)一臺計算機對脈搏波、呼吸波、心電圖、血壓、血氧等生理參數(shù)的采集、存儲、處理和分析等功能.因此,設計基于虛擬儀器的脈搏血氧檢測系統(tǒng)具有廣泛的應用價值.第二章測量原理血氧飽和度用以表示血液中氧的濃度，它是被氧結合的氧合血紅蛋白(HbO2。)的容量占全部血紅蛋白(Hb)的容量的百分比，即：(2.1)目前透射式脈搏血氧飽和度儀的測量方法主要是紅外光譜光電法一雙波長測量法，Sp02是根據(jù)血紅蛋白(Hb)具有光吸收的特性(如圖2-1所示)設計而成。從氧合與還原血紅蛋白Hb02與HbR對紅光和紅外光的吸光系數(shù)曲線的分析可以看出：Hb02與HbR對兩個波長的光吸收特性不一樣，Hb02與HbR的分子可吸收不同波長的光線：Hb02吸收紅光，波長為600nm～700nm，而HbR吸收近紅外光，波長為800nm～1000nm，在805nm左右為等吸收點。根據(jù)分光光度計比色原理，一定量的光線傳到分光光度計探頭，光源和探頭之間隨著動脈搏動性組織而吸收不同的光量(無搏動的皮膚和骨骼則無吸收光量的作用)。搏動性組織吸收的光量轉變?yōu)殡娦盘枺瑐魅胙躏柡投葍x，通過模擬計算機以及數(shù)字微處理機，將光強度數(shù)據(jù)轉換為搏動性的Sp02百分比值。為此，采用紅光、近紅外光作為探測源，當近紅外光波長^=805nm時，El=E2=E，那么式(2-8)可簡化為：(2.2)其中A、B為常數(shù)。當動脈血管搏動時，透射的紅光及紅外光的光強由最大值，減少到由此而引起紅光和紅外光吸光度的變化量分別為：（2.3)(2.4)將式(2.3)、(2.4)代入式(2.2)，并考慮和遠小于1，故將分子和分母中的對數(shù)項按級數(shù)展開后，取級數(shù)的第一項近似可得：（2.5）由此可以看出，只要測定兩路透射光最大光強。及由于脈搏搏動而引起的透射光強最大變量，代入上式就可以算出動脈血液的血氧飽和度，其中A、B是通過定標來確定的經(jīng)驗系數(shù)。圖2-1還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白在紅光和紅外光譜區(qū)的吸收系數(shù)曲線第三章測量部位當用單色光垂直照射透過人體手指末端時，若在另一端用光電管接收(光電管輸出的電流與光強成正比)，則發(fā)現(xiàn)光的強度明顯減弱，用濾波器濾波后的電流可分為兩部分：一部分為直流量(Dc)，一部分為交流量(Ac)．進一步觀察發(fā)現(xiàn)交流成分的波峰與波谷對應的是心血管系統(tǒng)的收縮與舒張，因此它對應的是動脈血液中脈動的部分(如圖3.1所示)。而要分析的血氧飽和度正是動脈管血液中的，這是一個與時間相關的量，而其余部分與時間無關。進一步的實驗(有創(chuàng)實驗分析)可觀察發(fā)現(xiàn)氧合血紅蛋白(HbO2。)與還原血紅蛋白(HbR)對紅光與紅外光的吸收不一樣。這些實驗說明可以用光學的方法實現(xiàn)對血氧飽和度的無創(chuàng)檢測。圖3.1手指對紅外光的吸收觀察第四章LabVIEW模擬測量系統(tǒng)電路正弦波信號的產(chǎn)生采集數(shù)據(jù)需要采集信號驅動硬件將電腦與傳感器連接起來，而在此課設過程中由于我們小組手上的器械設備和時間有限。我用LabVIEW軟件產(chǎn)生的正弦波新號模擬采集到的血氧信號。實際在顯示生活中我們做實驗的時候真正采集到的脈搏信號一般處于30至200HZ，大于200HZ則出現(xiàn)心脈差，測量脈搏也就是沒什么意義；而小于30HZ，心臟輸出量減少，呼吸急促，對于信號干擾也加大，同樣是基本無法測量的。我們一般采集的信號主要包含工作信號和干擾信號，例如噪音屬于一種干擾信號類型。下圖4.1和4.2分別為正弦波信號產(chǎn)生的程序框圖和前面板。圖4.1正弦波信號產(chǎn)生的程序框圖圖4.2正弦波信號產(chǎn)生的前面板信號的濾波對于采集到的信號要進行一系列的處理，即將信號中干擾信號去除已得到比較確切的數(shù)據(jù)波形。我們小組對采集到到的信號進行濾波處理可以得到平坦的正弦波信號。我們在選擇濾波器的時候充分考慮到我們項目的要求，所以選擇了巴特沃斯濾波器。在創(chuàng)建過程中，我們小組首先創(chuàng)建了一個疊加的正弦波和均勻噪聲的仿真信號源用以模擬我們采集到的血氧信號和干擾信號。我們創(chuàng)建的時候可以在程序框圖中用鼠標雙擊仿真信號圖標來彈出參數(shù)設置窗口，對巴特沃斯濾波器也可以在程序框圖中雙擊其圖標來打開參數(shù)設置窗口，本次我們小組用的參數(shù)均是默認值。下圖4.3和4.4分別為巴特沃斯濾波電路的程序框圖和前面板。圖4.3巴特沃斯濾波電路的程序框圖圖4.4巴特沃斯濾波電路的前面板第三節(jié)信號交直流檢測對于濾波過得信號要進行初步的卷積計算來對信號進項行交直流成分的檢測，借此可以得到實驗所需要的信號。我們小組用了連個信號源即正弦波和方波波形，然后進對信號源進行卷積計算，生成一個叫新的信號。下圖4.5和4.6分別表示信號卷積運算的程序框圖的前面板。4.5信號卷積運算的程序框圖X代表正弦波信號Y代表方波信號X*Y代表進過卷積運算后得到的新信號圖4.6信號卷積運算的前面板的三個波形圖信號的運算由于收集到的信號有工作信號也有干擾信號，所以我們小組設計的時候用到的高通濾波器和低通濾波器的階次分別為12和4，低通濾波器的截止頻率為0.2HZ，高通濾波器的截止頻率為15HZ，分別采用巴特沃斯濾波器，切比雪夫濾波器，切比雪夫Ⅱ濾波器，橢圓濾波器及貝塞爾濾波器等濾波器。由于采用不同的濾波器產(chǎn)生的效果也是不同的，在實際我們小組對比這幾種濾波器的效果的時候，巴特沃斯濾波器對于我們小組設計項目比較合適。具體運算的電路程序框圖如下圖4.7所示圖4.7信號運算電路利用LabVIEW的圖形化編程環(huán)境,可以實現(xiàn)對脈搏信號的數(shù)據(jù)采集、存儲和分析等功能.由于該系統(tǒng)設計是基于虛擬儀器平臺,硬件部分結構簡單,而且系統(tǒng)具有極強的靈活性和可操作性.采用基于LabVIEW的數(shù)字鎖相放大器,使系統(tǒng)抗干擾能力增強,獲得了較好的光電脈搏波波形,從而可在很大程度上提高脈搏血氧飽和度的測量精度.本研究對利用虛擬儀器開發(fā)類似系統(tǒng)有一定借鑒作用.第五章心得體會本課題的研究主要是面向血氧飽和度的反射式測量，相對于透射型(傳輸型)血氧計，在實踐中的反射型血氧計的臨床數(shù)據(jù)的報告比較少，無論從傳感器的設計，測量部位的選擇，軟硬件結構，還是測量方法，血氧飽和度的計算公式等方面都值得進一步的探索?；谝陨系目紤]，本課題主要完成了以下的工作：在軟件系統(tǒng)研究方面：1、采用巴特沃斯濾波器濾波法消除噪聲，使信號更加平滑和穩(wěn)定；2、采用卷積計算電路分心之流河交流信號。3、對采集到到的血氧信號進行運算好得到實驗數(shù)據(jù)。最后，完成了對整個檢測系統(tǒng)的定標工作，確定了實際檢測中的血氧飽和度的計算公式。本課題還有許多尚待改進和進一步探索的問題，主要有：1、測量部位的選擇上，在本課題中只選擇了手指處和額表處作為測量的部位，效果不是很理想，有文獻提到的眼部測量以及食管部位的測量等，都需要進一步的實驗進行驗證；2、測量波長的選擇上，現(xiàn)在所用的測量光波的波長基本上都是660nm和940nm，是否可以選擇其他波長的紅光和紅外光，比如730nm和850hm，有待進一步的研究；3、對個體適應性的問題上，尤其是對弱灌注情況下的血氧飽和度的測量仍然是一個需要深入探討和值得研究的方面；4、在低功耗、微型化的設計上也有待于進一步的研究；總之，目前對血氧飽和度的測量還有很多的問題值得我們學生們探索和研究。通過這次的課程設計，我和我的搭檔一起查閱資料一起討論，我深深體會到合作的好處，同時也深深感受到了我們知識的有限性，以后我們要多學習一些課外知識開闊我們的視野。第六章參考文獻[1]丁海曙，王陪永，王廣志．動脈血管及肌肉中含氧量的無損檢測計．世界醫(yī)療器械雜志．1995，2(3)：40～43[2]鄧親愷，現(xiàn)代醫(yī)學儀器設計，北京：科學出版社，2004．05[3]陳明進，許錫銘．脈搏血氧飽和度儀的發(fā)展及應用：現(xiàn)代醫(yī)學儀器與應用，1995，l(1)：5～10．[4]鄧淵，董聲煥，李光宇．無損傷血氧計：國外醫(yī)學生物醫(yī)學工程分冊，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目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第一章總論 11.1項目名稱與承辦單位 11.2研究工作的依據(jù)、內容及范圍 11.3編制原則 31.4項目概況 31.5技術經(jīng)濟指標 51.6結論 6第二章項目背景及建設必要性 82.1項目背景 82.2建設的必要性 9第三章建設條件 113.1項目區(qū)概況 113.2建設地點選擇 錯誤！未定義書簽。3.3項目建設條件優(yōu)劣勢分析 錯誤！未定義書簽。第四章市場分析與銷售方案 134.1市場分析 134.2營銷策略、方案、模式 14第五章建設方案 155.1建設規(guī)模和產(chǎn)品方案 155.2建設規(guī)劃和布局 155.3運輸 185.4建設標準 185.5公用工程 205.6工藝技術方案 215.7設備方案 215.8節(jié)能減排措施 24第六章環(huán)境影響評價 256.1環(huán)境影響 256.2環(huán)境保護與治理措施 266.3評價與審批 28第七章項目組織與管理 297.1組織機構與職能劃分 297.2勞動定員 297.3經(jīng)營管理措施 307.4技術培訓 30第八章勞動、安全、衛(wèi)生與消防 318.1編制依據(jù)及采用的標準 318.2安全衛(wèi)生防護原則 318.3自然災害危害因素分析及防范措施 328.4生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的危害因素分析及防范措施 328.5消防編制依據(jù)及采用的標準 348.6消防設計原則 358.7火災隱患分析 358.8總平面消防設計 358.9消防給水設計 368.10建筑防火 368.11火災檢測報警系統(tǒng) 378.12預期效果 37第九章項目實施進度 389.1實施進度計劃 389.2項目實施建議 38第十章項目招投標方案 4010.1招標原則 4010.2項目招標范圍 4010.3投標、開標、評標和中標程序 4010.4評標委員會的人員組成和資格要求