新型动脉血氧饱和度测量仪设计研究(附件)
血氧饱和度是血液中全部的氧合血红蛋白占全部血红蛋白的比值。许多疾病会造成血液中氧气的不足，影响正常呼吸，从而影响人体的生命活动，所以动脉血液含氧饱和度的检测有重要的意义。本研究对新型动脉血氧饱和度测量仪进行了设计首先设计了测量系统，使获得高信噪比的光电容积脉搏波信号有了保证；然后设计了新的软件算法，用来提取光电容积脉搏波中的特征参量，将其代入定量分析模型中，计算得到最终的血氧饱和度数值。本设计对电路结构进行了简化，同时降低了功耗。关键词 血氧饱和，测量仪，信号处理，电路图
目录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1．2 血氧饱和度的定义与研究背景 1
1.2.1 血氧饱和度的定义 1
1.2.2 血氧饱和度的测量 2
1.2.3 血氧饱和度测量的研究进展 2
1．3 脉搏血氧饱和度测量仪的原理和发展历程 3
1.3.1 脉搏血氧饱和度测量仪的原理 3
1.3.2 脉搏血氧饱和度测量方法的发展历程 4
1.4 脉搏血氧饱和度测量仪的现实应用 4
1．5 研究目的与意义 6
2 总体设计 6
2．1 总体结构 6
2．2 电路设计 7
2.2.1 差动放大电路图 7
2.2.2 低通滤波器 7
2.2.3 高通滤波器 8
2.2.4 放大电路图 8
2.2.5 电源电路 9
2.2.4 可视界面 9
3 系统软件设计 10
3．1 检测有无手指算法 12
3．2 特征量提取算法和脉率提取算法 13
3．3 血氧饱和度计算方法 14
3．4 血氧饱和度校核 15
3．5 基于仿真结果的血氧饱和度建模预测 16
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
1 绪论
1.1 引言
人体中的氧气是通过呼吸系统进入人体血液，然后和人体的血液红细胞中的血红蛋 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
白(Hb)结合成氧合血红蛋白(HbO2)，最后通过呼吸系统运输到人体各个组织部门的细胞中。在血液中，被氧气结合生成的氧合血红蛋白（HbO2) 容量占全数的百分比叫血氧饱和度（SaO2 ) 。在很多医疗临床疾病中，都会造成氧气供给的不足，这都会直接或间接的影响到人体组织细胞的正常新陈代谢,严重时还会影响到人的生命安全，还有许多呼吸系统疾病也会引起血氧饱和度减少，所以，特别是动脉血氧饱和度的浓度，就是SaO2的实时监测，在医生医疗临床救护中有着非常重要的作用。以前的血氧饱和度测量方法是先对人体进行血液的采集[1]，然后利用血气分析仪进行电化学分析，分别测出血氧分压PO2 和计算SaO2。这一种测量方式比较麻烦，并且不能保证连续不断的进行监测，所以有一种采用无损光谱学连续不断的检测方法，人体的血氧饱和度的方法应运而生。伴随着人们生活水平的提高，户外活动愈来愈受人们的喜爱，比如，爬山运动，在爬山过程中容易突然发生氧气供应不足问题，导致缺氧，刚刚缺氧时，人们一般处于兴奋状态，登山时往往可见平时腼腆谦虚的人在登山时变得张扬兴奋。严重缺氧时，大脑皮层会受到抑制就会出现幻听和幻想。伴随着对户外的检测工具的要求也愈来愈高。脉搏和血氧饱和度反应了人们身体的主要的心理状态，相干的测量方法和测量设备在临床实验中已经得到普遍使用认可,如脉搏血氧饱和度检测仪。脉搏血氧饱和度测量仪现在很多普遍应用在ICU病房的监护、手术室检查等[2]，更多用于危重病人的生命体征的监护,虽然血氧饱和度和心跳频率监测等指标在体育运动方面、卧床病人的监查看护和一些特别地方(如军事方面)具有重要意义，但是因为现在该种类仪器设备都是集中式节制，仪器设备体积较大、使用时较为不便、仪器的价格比较昂贵、可管理性较差，这都限定了这种仪器设备普遍应用。本研究将研究新型动脉血氧饱和度测量仪，提高其应用性能，以适应市场需求。
1．2 血氧饱和度的定义与研究背景
1.2.1 血氧饱和度的定义
血氧饱和度(SO2)是人体的血液中被氧气所结合的氧合血红蛋白(HbO2)的含量占所有可以结合的血红蛋白(Hb)含量的比值，就是人体血液中血氧的浓度值，这是呼吸循环的一个重要的生理参数。然而功能性氧饱和度为氧合血红蛋白浓度与氧合血红蛋白加血红蛋白浓度的比值，有不同于氧合血红蛋白所占百分比值。所以监测人体动脉血氧饱和度(SaO2)可以对肺的氧合血红蛋白结合氧气能力进行评估。（Hb）是血红蛋白，英文是hemoglobin，简写（Hb）定义。一般情况下人体动脉血的血氧饱和度约为98% ，静脉血的血氧饱和度约为75%[3]。
1.2.2 血氧饱和度的测量
人体的新陈代谢是人体氧化过程[4]，新陈代谢进程中需要的所有的氧气都是通过呼吸系统而进入人体血液，氧气和人体血液中红细胞的血红蛋白(Hb)结合成氧合血红蛋白(HbO2)，再通过血液运输到人体各个器官和组织细胞中。先前的血氧饱和度测量方式是先对人体进行血液采集，然后使用血气分析仪器进行电化学分析实验，测量出血氧分压和计算出血氧饱和度值。这种方式不仅比较麻烦，而且不能连续的进行监测。现在一般的测量方式是使用指套式光电传感器，使用时，仅仅需要把传感器套在人手指上即可，这是让手指作为容器，一个盛有血红蛋白的透明容器，通过用波长660 nm的红光和940 nm的近红外光作为光源的射入[5]，来测量血红蛋白浓度和血氧饱和度值，测量是通过组织床的光的传导强度，测量仪器就可以显示出人体血氧饱和度值，这为医疗临床提供了一种可以连续并且损害小的血氧饱和度测量仪器。
1.2.3 血氧饱和度测量的研究进展
现在在近红外光谱无创测量血液的成分方面，仅仅只是血氧监测在医疗临床中得到普遍使用。人体的血氧饱和度值与心肺功能有关，还与呼吸系统都有直接关系。现在在麻醉、医疗和研究过程的运动和睡眠各个时间段，监测血液的氧气有着非常重要的作用。学者做了大量的氧检测研究，市场上销售和各种商业血氧仪是低辐射衰减在人体组织中光谱区间[ 600–1100 nm]，所谓的治疗窗口，这个窗口使血液成分无创测量最有发展前途的潜在工具的光波长。然而，由于在周期性波动的血液量的变化伴随着心跳[6]，不同的研究者从光电容积描记（PPG）中提取不同波长组合的血氧饱和度。有人提出了一种基于近红外透过率的脉搏血氧饱和度检测系统（NIR）激光二极管（750和850 nm）的监测范围广泛的动脉血红蛋白氧饱和度。
目录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1．2 血氧饱和度的定义与研究背景 1
1.2.1 血氧饱和度的定义 1
1.2.2 血氧饱和度的测量 2
1.2.3 血氧饱和度测量的研究进展 2
1．3 脉搏血氧饱和度测量仪的原理和发展历程 3
1.3.1 脉搏血氧饱和度测量仪的原理 3
1.3.2 脉搏血氧饱和度测量方法的发展历程 4
1.4 脉搏血氧饱和度测量仪的现实应用 4
1．5 研究目的与意义 6
2 总体设计 6
2．1 总体结构 6
2．2 电路设计 7
2.2.1 差动放大电路图 7
2.2.2 低通滤波器 7
2.2.3 高通滤波器 8
2.2.4 放大电路图 8
2.2.5 电源电路 9
2.2.4 可视界面 9
3 系统软件设计 10
3．1 检测有无手指算法 12
3．2 特征量提取算法和脉率提取算法 13
3．3 血氧饱和度计算方法 14
3．4 血氧饱和度校核 15
3．5 基于仿真结果的血氧饱和度建模预测 16
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
1 绪论
1.1 引言
人体中的氧气是通过呼吸系统进入人体血液，然后和人体的血液红细胞中的血红蛋 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
白(Hb)结合成氧合血红蛋白(HbO2)，最后通过呼吸系统运输到人体各个组织部门的细胞中。在血液中，被氧气结合生成的氧合血红蛋白（HbO2) 容量占全数的百分比叫血氧饱和度（SaO2 ) 。在很多医疗临床疾病中，都会造成氧气供给的不足，这都会直接或间接的影响到人体组织细胞的正常新陈代谢,严重时还会影响到人的生命安全，还有许多呼吸系统疾病也会引起血氧饱和度减少，所以，特别是动脉血氧饱和度的浓度，就是SaO2的实时监测，在医生医疗临床救护中有着非常重要的作用。以前的血氧饱和度测量方法是先对人体进行血液的采集[1]，然后利用血气分析仪进行电化学分析，分别测出血氧分压PO2 和计算SaO2。这一种测量方式比较麻烦，并且不能保证连续不断的进行监测，所以有一种采用无损光谱学连续不断的检测方法，人体的血氧饱和度的方法应运而生。伴随着人们生活水平的提高，户外活动愈来愈受人们的喜爱，比如，爬山运动，在爬山过程中容易突然发生氧气供应不足问题，导致缺氧，刚刚缺氧时，人们一般处于兴奋状态，登山时往往可见平时腼腆谦虚的人在登山时变得张扬兴奋。严重缺氧时，大脑皮层会受到抑制就会出现幻听和幻想。伴随着对户外的检测工具的要求也愈来愈高。脉搏和血氧饱和度反应了人们身体的主要的心理状态，相干的测量方法和测量设备在临床实验中已经得到普遍使用认可,如脉搏血氧饱和度检测仪。脉搏血氧饱和度测量仪现在很多普遍应用在ICU病房的监护、手术室检查等[2]，更多用于危重病人的生命体征的监护,虽然血氧饱和度和心跳频率监测等指标在体育运动方面、卧床病人的监查看护和一些特别地方(如军事方面)具有重要意义，但是因为现在该种类仪器设备都是集中式节制，仪器设备体积较大、使用时较为不便、仪器的价格比较昂贵、可管理性较差，这都限定了这种仪器设备普遍应用。本研究将研究新型动脉血氧饱和度测量仪，提高其应用性能，以适应市场需求。
1．2 血氧饱和度的定义与研究背景
1.2.1 血氧饱和度的定义
血氧饱和度(SO2)是人体的血液中被氧气所结合的氧合血红蛋白(HbO2)的含量占所有可以结合的血红蛋白(Hb)含量的比值，就是人体血液中血氧的浓度值，这是呼吸循环的一个重要的生理参数。然而功能性氧饱和度为氧合血红蛋白浓度与氧合血红蛋白加血红蛋白浓度的比值，有不同于氧合血红蛋白所占百分比值。所以监测人体动脉血氧饱和度(SaO2)可以对肺的氧合血红蛋白结合氧气能力进行评估。（Hb）是血红蛋白，英文是hemoglobin，简写（Hb）定义。一般情况下人体动脉血的血氧饱和度约为98% ，静脉血的血氧饱和度约为75%[3]。
1.2.2 血氧饱和度的测量
人体的新陈代谢是人体氧化过程[4]，新陈代谢进程中需要的所有的氧气都是通过呼吸系统而进入人体血液，氧气和人体血液中红细胞的血红蛋白(Hb)结合成氧合血红蛋白(HbO2)，再通过血液运输到人体各个器官和组织细胞中。先前的血氧饱和度测量方式是先对人体进行血液采集，然后使用血气分析仪器进行电化学分析实验，测量出血氧分压和计算出血氧饱和度值。这种方式不仅比较麻烦，而且不能连续的进行监测。现在一般的测量方式是使用指套式光电传感器，使用时，仅仅需要把传感器套在人手指上即可，这是让手指作为容器，一个盛有血红蛋白的透明容器，通过用波长660 nm的红光和940 nm的近红外光作为光源的射入[5]，来测量血红蛋白浓度和血氧饱和度值，测量是通过组织床的光的传导强度，测量仪器就可以显示出人体血氧饱和度值，这为医疗临床提供了一种可以连续并且损害小的血氧饱和度测量仪器。
1.2.3 血氧饱和度测量的研究进展
现在在近红外光谱无创测量血液的成分方面，仅仅只是血氧监测在医疗临床中得到普遍使用。人体的血氧饱和度值与心肺功能有关，还与呼吸系统都有直接关系。现在在麻醉、医疗和研究过程的运动和睡眠各个时间段，监测血液的氧气有着非常重要的作用。学者做了大量的氧检测研究，市场上销售和各种商业血氧仪是低辐射衰减在人体组织中光谱区间[ 600–1100 nm]，所谓的治疗窗口，这个窗口使血液成分无创测量最有发展前途的潜在工具的光波长。然而，由于在周期性波动的血液量的变化伴随着心跳[6]，不同的研究者从光电容积描记（PPG）中提取不同波长组合的血氧饱和度。有人提出了一种基于近红外透过率的脉搏血氧饱和度检测系统（NIR）激光二极管（750和850 nm）的监测范围广泛的动脉血红蛋白氧饱和度。
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