（无创手指式脉搏血氧饱和度测量技术） ㊣ 精品文档 值得下载

处理器的中断处理和数据交换程序机的接口通信程序，无需对原有产品系统结构作很大的改动。

考虑到前面的电源芯片产生的电压，综合通用度市场上容易购买较低功耗接口方便和可靠度传送速度和应用主流，选用公司的芯片。

其中脚接口的电源。

基于接口开发了系列接口转换芯片，是其中最有特点的接口芯片，专门用于数据通讯控制之用途，此款产品在全球市场居于领导地位。

具有以下特征完全兼容调节输出晶振支持类接口④具有外部流控制功能字节可调的双向数据缓存支持从外部信号远程唤醒两个可选的外部实现标准设置脚小封装是移动系统和嵌入式系统的理想选择，其小封装能够嵌入任何连接件和手持设备。

在工作模式和休眠模式都具有很低的功耗，非常适合总线供电场合使用。

的输出电压可调，可以满足类接口的之间的电压。

图是外围电路图图外围电路图液晶显示模块液晶显示是人机交互的重要部分，这里所用的液晶是采用三星的驱动控制器控制的图形点阵液晶。

该液晶由点阵组成，可以显示图形数字和汉字。

是种单芯片图形点阵液晶驱动控制器，这种液晶芯片可以直接与微处理器相连，从微处理器接收串行数据或位并行数据，并把显示数据存储在片上显示数据区，同时产生独立于微处理器的液晶显示驱动信号。

包含行驱动电路和列驱动电路，所以只要片芯片就可以驱动点阵显示。

通过使用主从多片芯片可以提高显示能力。

由于不需要外部操作时钟，所以执行显示数据区的读写操作只需很小的功耗。

另外，该液晶含有液晶驱动所需的电源供应电路，这就有可能在高性能的便携式系统中，利用最少的部件获得最低的功耗。

图是液晶显示器外围电路图，其中至进行并行输入，确定要显示的字。

表中也给出了本液晶显示器的引脚说明。

图液晶显示器外围电路图表液晶显示器的引脚说明引脚符号说明串行接口串行接口驱动电源供应电压信号地逻辑供应电源位数据引脚当接口时，为指令数据读当接口时，为使能信号当接口时，为指令数据写当接口时，为读写选择信号寄存器选择引脚。

高数据字节，低命令字节硬件复位引脚，当低电平时初始化片选信号，当低电平时使能硬件设计小结在硬件系统研制过程中，我们介绍了系统的硬件结构并给出了主要芯片的性能，以模块结构分别具体地介绍了以芯片为核心的数据处理模块，以为核心的模块，以为核心的电源管理模块以芯片为核心的时钟模块以扩为核心的扩展存储器模块，以芯片为核心的模块以为核心的液晶显示模块及各个模块实现的功能。

以实用可靠为原则，在此基础上，努力简化硬件设计，主要完成了以下工作设计了脉搏波采集模拟电路和外围扩展模块。

系统软件设计在第三章中，本文介绍了无创手指检测脉搏血氧的硬件系统设计，本章将结合前几章所作研究方法来阐述它的基于的单片机系统应用软件的设计与调试。

系统时序控制时序控制主要是通过单片机的通用定时器模块实现的，使得红光红外光交替发光。

系统部分时序图如图所示。

图系统部分时序图通过定时器产生定时中断，在中断服务程序里面设置相应控制信号，使得红光发射管与红外光发射管交替发光。

系统软件流程图图为脉搏式血氧饱和度测量系统的软件流程图。

信号处理设计光电容积脉搏波概述光电容积脉搏波的生理学特征我们采用光电血氧检测技术结合容积脉搏描记技术进行软件部分的处理，了解光电容积脉搏波的生理学特征是正确提取和分析光电脉搏波的基础。

图为光电容积脉搏波生理学特征示意图。

红光驱动信号红外光驱动信号图软件流程图图光电容积脉搏波示意指从主波的顶点到基线的距离，单位以毫米计，它反映微血管床的最大血量，还可以反映出末梢循环血液充盈程度以百分数表示，标示降中峡离主波顶的相对距离，说明切迹高度，反映外周阻力和血管顺应性的大小。

当外周阻力增加和动脉管壁弹性降低时，舒开始定时发送对应的驱动控制信号采集脉搏波信号数字滤波计算显示降压升高，使主动脉瓣提前关闭，因而切迹位置高，反之则低快速射血期时期，单位以秒计反映心肌收缩力④以百分数表示，它与动脉弹性有关。

若增加，提示动脉顺应性降低，外周阻力增加，因而减少则提示动脉顺应性改善，外周阻力减少角度以度计，反映流过指端微血管床血量的变化速度，顺应性好，则上升速度快。

通过对脉搏波信号的特征分析，我们发现脉搏波相邻两波间的幅度上升支时间般不会发生突变且测试相邻两波幅度最大变化率般不超过，上升支时间最大变化率不超过。

于是这里定义光电容积脉搏波如下幅度变化范围为前个波幅度均值到前个波幅度均值上升支时间变化范围为前个波的上升支时间均值到前个波的上升支时间均值。

光电容积脉搏波的时域特征由于本课题的最终目的是提取光电脉搏波，因此必须对光电脉搏波信号的特征有个全面的认识。

般来说，光电脉搏波在时域范围内有如下的特点光电容积脉搏波幅度因个体不同差异很大。

般脉动量变化范围可达到组织直流吸收量的。

因此，具有动态范围很大的特点。

在心脏快速射血期后定时间内，由于心脏活动的机械特性，不会出现下次快速射血活动。

般心率低于次时，该时间大于。

光电容积脉搏波相邻两波在幅度上升支时间上般不会产生突变。

每相邻两波间幅度的最大变化率不超过，上升支时间的最大变化率不超过。

④在以下脉搏波能量衰减基本达到，在以下能量衰减达到。

其的能量主要集中在。

所以，在对容积脉搏波进行低通滤波处理时，滤波器截止频率可选择在左右，这样在不改变脉搏波主要成分的同时，可以尽量消除由于外界电磁场电源引起的干扰，以及削弱由于血管振动和身体运动引起的伪差干扰从而便于脉搏波的准确检出和测量。

图为光电脉搏波信号特征示意图。

其中最上面的横线表示透射光光阈值检测，第个波形表示的是动脉血的由于其不断扩张缩小而引起的脉动量变化，最下面的矩形表示的是静脉血引起的衰减。

图光电容积脉搏波信号特征根据光电脉搏波的特点要求，在信号处理方面应做到以下四点尽量消除各种电磁波干扰电源噪声以及基线漂移的影响。

这里采用的是数字低通滤波器尽量强化光电脉搏波中的交流成份。

这里采用的是移动平均处理能够有效地排除运动伪影的干扰。

这里采用的是自学习阈值判别法④能够有效地检出光电脉搏波的特征点。

这里采用的是五点差分法。

信号的预处理数字低通滤波器标准的设计方法可以给出性能很好的滤波器，但是它们的系数般都是非整数。

在实际工作中，尤其是在信号的实时滤波处理时，有时对滤波器的性能要求并不是很高，但是要求计算速度快，滤波器的设计也应简单易行，更希望滤波器系数为整数。

这里采用简单整系数二阶低通滤波器。

系统设计的二阶低通滤波器的传递函数为此滤波器的差分方程为截止频率大约为，增益为采样频率为。

为了避免饱和，将输出除以，这是离最近可通过二进制位移运算的整数。

图为该二阶低通滤波器的幅频响应。

由于采样频率为，通过这种滤波后，电源线噪声将被明显地削弱，所有高频分量将衰减以上。

图为二阶低通数字滤波的幅频响应，横轴表示归化频率，单位为弧度纵轴为幅值，单位为分贝。

图二阶低通滤波幅频响应移动平均处理移动平均处理是从噪声中提取确定性信号的常用方法。

每个采样点的值用后面包括它在内的八个采样点的平均值来代替。

采用移动平均的目的主要是去除噪声干扰，提高信噪比。

移动平均算法的优点在于计算较简单速度快适合于实时信号处理，在信号处理中对高频噪声的衰减效果比较好，但是，这种方法对于低频运动干扰的处理，效果不理想。

图为窗口长度为的移动平均算法原理图。

图移动平均算法经过信号处理后，脉搏波明显平滑许多。

图为经过预处理后的脉搏波。

图预处理后的脉搏波光电脉搏波信号的处理在光电脉搏波检测过程中需要提取的特征点主要是最大值点最小值点和上升支位置，其中最大值点最小值点给出了脉搏波的幅度信息，而从上升支位置则可以得到上升沿时间信息。

在实际检测中，经过低通滤波和移动平均后的光电脉搏波已经基本平滑，而且基线基本保持平稳。

各特征点的计算采用逐点求五点差分的方法。

在初步计算出各个特征点之后还要进行减小采样误差和抑制干扰信号的处理，这里采用的是自学习阈值判别的方法，即检查各个特征点是否超过阈值范围。

若检出的脉搏波幅度上升支时间在变化范围以内，则认为是正常信号，予以保留否则认为是干扰信号，予以剔除。

在设置自学习次数应满足两个要求脉搏波在自学习的过程中可以达到个稳定态自学习的时间不应太长，这要求测试者在测量过程中尽量保持静止。

脉搏波幅度变化范围和上升支时间变化范围的更新采用移动平均的方法，即当前参量进队列，最旧参量出队列，再求平均值，如此循环可以不断进行脉搏波的检出。

自学习过程算法如下队列满，计算阈值范围判别特征点数据，若在阈值范围内，则保留，反之，则舍掉将特征点数据送入自学习队列并除去最旧的数据④对队列中数据求平均值，更新阈值范围返回，转到。

软件小结面向社区的监护设备要求能够长时间稳定地对病人进行监测，因此要求设备的抗干扰能力较高。

在系统软件的设计过程中，我们采用了数字低通滤波和移动平均处理信号，较好地克服了外界干扰造成的影响采用差分方法提取脉搏波特征点则在定程度上减小了采样误差为了使系统能够有较好的个体适应性，在软件中结合了自学习方法来提取和判别脉搏波信号。

定标方法概述血氧饱和度检测仪的定标校验是项较为复杂的工作，由于受各种生理物理因素的影响，其定标并不是按照血氧饱和度与吸光度变化之间的公式而是根据实验测定常数，绘制定标曲线来确定红光与红外光光强变化率和血氧饱和度之间的对应关系，以获取经验定标曲线，从而确定血氧饱和度计算公式。

据国内外的文献资料报道，脉搏血氧仪的定标大致有以下四种类型。

直接从人体获得实验数据绘制经验定标曲线最原始最可靠的脉搏血氧仪的定标校验方法是直接从人体获得实验数据来绘制经验定标曲线。

其具体做法是在临床上或让自愿受试者吸入不同比例的氧氮二氧化碳混合气体，在造成定程度缺氧的情况下，同时用脉搏血氧仪