基于PPG的脉搏波信号调理技术研究及便携系统设计
发布时间：2021-08-17 19:48
基于PPG的脉搏波信号（即光电容积描记的脉搏波信号）包含了丰富的人体生理信息,是研究身体健康状况的重要信息来源。该信号可实时反映人体的血压、血氧、脑氧、肌氧、血糖、脉率和呼吸率等和人体健康息息相关的重要生理信息。所以它在生理信息的无创检测领域有着很好的应用前景。本文针对基于PPG的脉搏波信号非常微弱且噪声大的特点,对其进行信号调理技术的研究并研发出了基于PPG的便携式脉搏波信号检测系统。本文首先通过阅读大量文献学习了基于PPG的脉搏波信号提取和调理电路的理论基础知识。在研究中发现相比于反射式传感器,透射式传感器在脉搏波信号采集时更加稳定且信号质量更好,提出了使用透射式传感器的脉搏信号检测系统的方案。由于从指尖提取的脉搏波原始信号非常微弱而且噪声很大,所以要对其使用放大和滤波等信号调理电路来处理。经过大量实验确定了理想的脉搏波信号检测和调理电路的具体方案并设计加工出相应的PCB电路板进行实验验证。然后在以上实验结果的基础上进行便携系统的设计开发,选用超低功耗的MCU作为控制器处理单元,完成了系统传感器电路、MCU外围电路、电源电路、蓝牙芯片外围电路等系统电路模块的研究与设计。在不断的尝试...
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PPG入射光和出射光对比示意图
就需要及时的采取措施补救，如吸氧或立刻转移到氧气含量丰富的地方。下面将介绍如何利用基于 PPG 的脉搏波来测量人体血氧饱和度的大小。图2.6 透射式血氧饱和度测量方式示意图如图 2.6 所示为目前常用的一种透射式的血氧饱和度测量方法。这种测量方式一般会选择人体手指指尖、耳垂或脚趾这些方便测量且容易使得光透过的部位来测量。测量时上面为发光二极管，有红光和红外光交替发光，而在下面则是光敏二极管用来接收透过测量部位的光的。当光源发出的特定波长的光透过被测量部位时，就会在下面的光敏二极管中产生微弱的电流信号，而这些电流信号中就包含了人体脉搏波的波形信息。然后将这些微弱且充满噪声的电流信号通过采用电阻后转变成电压信号再进行放大和滤波等调理电路的处理，最后输出清晰且辐射合适的模拟脉搏波信号。这些模拟脉搏波信号再经过模数转换后成为数字信号，处理器在接收到这些数字信号后将结合一定的算法来计算出人体血氧饱和度的值，最终将计算的结果显示在终端屏幕上。这就是血氧饱和度检测的一个大致过程，目前这方面的应用主要是在医院的生命体征监护仪上
143.1.1 入射光波长选择如图3.2所示从曲线可以看出两种血红蛋白对不同的光谱的吸收有着明显不同的趋势。可选在 650nm 附近为 S1 点，因为在 S1 点附近的光对 HbO2和 Hb 吸收系数相差是最大的。因此血液对该波长 S1 点光吸收量的变化将非常敏感。由于在原理公式中要求其中一波长对两种血红蛋白的吸光系数相等[26]。所以从图 3.2 可知应选在810nm 波长附近。但是在重合点的附近两曲线的斜率较大，即量曲线在这里变化较快，如果将波长选择在这里将很容易引起测量结果的变化，导致测量结果的不稳定。而在940nm 波长 S2 点附近，两曲线变化较缓而且近似重合。因此交点一般选在该波长段比较适合。图3.2 氧和血红蛋白和还原血红蛋白的吸收光谱曲线因此在透射型的血氧传感器中，光源一般选择 S1、S2 点的波长的光源。因为选择 S1 点的光源可使得公式中的常数项尽可能小，以便提高检测结果的灵敏度。同时另一点 S2 点的光源虽然偏离了等吸收点 810nm 处，但是两物质在这一范围内的吸光系数变化接近
【参考文献】：
期刊论文
[1]光电式脉搏监测系统的研究[J]. 杨利荣,李伟. 科技传播. 2016(04)
[2]基于波形特征和小波的脉搏波特征点识别研究[J]. 季忠,刘旭. 仪器仪表学报. 2016(02)
[3]一种基于光电传感器的指夹式脉搏检测装置[J]. 黄金池,张少煌. 传感器世界. 2014(06)
[4]基于STM 32的脉搏血氧仪设计[J]. 卢再进,颜聪,王英志,蒋克层,亓统帅. 科技视界. 2014(14)
[5]一种高效实时脉搏血氧监测系统的研究[J]. 张根选,石波,刘胜洋,陈建方,TSAUYoung. 激光与红外. 2014(02)
[6]探讨脉搏容积波在监测血管阻力方面的应用[J]. 熊秋菊,彭玲,魏蔚,高博. 激光杂志. 2014(02)
[7]光电容积脉搏波的临床应用研究及进展[J]. 朱娟,张列亮,徐磊. 中华临床医师杂志(电子版). 2013(22)
[8]基于光电容积脉搏波描记法的无创连续血压测量[J]. 李章俊,王成,朱浩,金凡,马俊领. 中国生物医学工程学报. 2012(04)
[9]高血压患者血压变异性与肱踝脉搏波传导速度的关系研究[J]. 王宁,余振球. 中国全科医学. 2012(08)
[10]基于PPG的心率和呼吸频率的测量研究[J]. 马俊领,王成,李章俊,赵宏垚. 光学技术. 2011(03)
博士论文
[1]非接触式生理信号检测关键技术研究[D]. 孔令琴.北京理工大学 2014
[2]基于脉搏波的无创连续血压测量方法研究[D]. 李顶立.浙江大学 2008
硕士论文
[1]基于PPG的无创血糖检测系统模型与算法研究[D]. 马爽.中国科学院研究生院(沈阳计算技术研究所) 2016
[2]指端光电容积脉搏波监测全麻患者伤害性应激反应的评价[D]. 冀佳佳.石河子大学 2015
[3]基于MSP430F169的便携式血氧仪的设计与实现[D]. 曾小辉.中南大学 2014
[4]便携式无创数字脉搏血氧仪的设计研究[D]. 杨涛.南京医科大学 2011
[5]基于蓝牙传输的便携式脉搏信号检测与分析系统[D]. 王华亮.兰州理工大学 2011
[6]脉搏血氧饱和度监测系统的研究[D]. 孙海全.燕山大学 2009
[7]基于脉搏波的血氧饱和度检测算法的研究[D]. 张彬.北京交通大学 2009
[8]基于动态光谱的数字化脉搏血氧检测系统[D]. 李尚颖.天津大学 2007
[9]基于ARM的血氧饱和度检测仪的研究[D]. 罗文志.广西师范大学 2007
[10]反射式低血氧饱和度检测系统的研究[D]. 赵莉.北京工业大学 2003
本文编号：3348383
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PPG入射光和出射光对比示意图
就需要及时的采取措施补救，如吸氧或立刻转移到氧气含量丰富的地方。下面将介绍如何利用基于 PPG 的脉搏波来测量人体血氧饱和度的大小。图2.6 透射式血氧饱和度测量方式示意图如图 2.6 所示为目前常用的一种透射式的血氧饱和度测量方法。这种测量方式一般会选择人体手指指尖、耳垂或脚趾这些方便测量且容易使得光透过的部位来测量。测量时上面为发光二极管，有红光和红外光交替发光，而在下面则是光敏二极管用来接收透过测量部位的光的。当光源发出的特定波长的光透过被测量部位时，就会在下面的光敏二极管中产生微弱的电流信号，而这些电流信号中就包含了人体脉搏波的波形信息。然后将这些微弱且充满噪声的电流信号通过采用电阻后转变成电压信号再进行放大和滤波等调理电路的处理，最后输出清晰且辐射合适的模拟脉搏波信号。这些模拟脉搏波信号再经过模数转换后成为数字信号，处理器在接收到这些数字信号后将结合一定的算法来计算出人体血氧饱和度的值，最终将计算的结果显示在终端屏幕上。这就是血氧饱和度检测的一个大致过程，目前这方面的应用主要是在医院的生命体征监护仪上
143.1.1 入射光波长选择如图3.2所示从曲线可以看出两种血红蛋白对不同的光谱的吸收有着明显不同的趋势。可选在 650nm 附近为 S1 点，因为在 S1 点附近的光对 HbO2和 Hb 吸收系数相差是最大的。因此血液对该波长 S1 点光吸收量的变化将非常敏感。由于在原理公式中要求其中一波长对两种血红蛋白的吸光系数相等[26]。所以从图 3.2 可知应选在810nm 波长附近。但是在重合点的附近两曲线的斜率较大，即量曲线在这里变化较快，如果将波长选择在这里将很容易引起测量结果的变化，导致测量结果的不稳定。而在940nm 波长 S2 点附近，两曲线变化较缓而且近似重合。因此交点一般选在该波长段比较适合。图3.2 氧和血红蛋白和还原血红蛋白的吸收光谱曲线因此在透射型的血氧传感器中，光源一般选择 S1、S2 点的波长的光源。因为选择 S1 点的光源可使得公式中的常数项尽可能小，以便提高检测结果的灵敏度。同时另一点 S2 点的光源虽然偏离了等吸收点 810nm 处，但是两物质在这一范围内的吸光系数变化接近
【参考文献】：
期刊论文
[1]光电式脉搏监测系统的研究[J]. 杨利荣,李伟. 科技传播. 2016(04)
[2]基于波形特征和小波的脉搏波特征点识别研究[J]. 季忠,刘旭. 仪器仪表学报. 2016(02)
[3]一种基于光电传感器的指夹式脉搏检测装置[J]. 黄金池,张少煌. 传感器世界. 2014(06)
[4]基于STM 32的脉搏血氧仪设计[J]. 卢再进,颜聪,王英志,蒋克层,亓统帅. 科技视界. 2014(14)
[5]一种高效实时脉搏血氧监测系统的研究[J]. 张根选,石波,刘胜洋,陈建方,TSAUYoung. 激光与红外. 2014(02)
[6]探讨脉搏容积波在监测血管阻力方面的应用[J]. 熊秋菊,彭玲,魏蔚,高博. 激光杂志. 2014(02)
[7]光电容积脉搏波的临床应用研究及进展[J]. 朱娟,张列亮,徐磊. 中华临床医师杂志(电子版). 2013(22)
[8]基于光电容积脉搏波描记法的无创连续血压测量[J]. 李章俊,王成,朱浩,金凡,马俊领. 中国生物医学工程学报. 2012(04)
[9]高血压患者血压变异性与肱踝脉搏波传导速度的关系研究[J]. 王宁,余振球. 中国全科医学. 2012(08)
[10]基于PPG的心率和呼吸频率的测量研究[J]. 马俊领,王成,李章俊,赵宏垚. 光学技术. 2011(03)
博士论文
[1]非接触式生理信号检测关键技术研究[D]. 孔令琴.北京理工大学 2014
[2]基于脉搏波的无创连续血压测量方法研究[D]. 李顶立.浙江大学 2008
硕士论文
[1]基于PPG的无创血糖检测系统模型与算法研究[D]. 马爽.中国科学院研究生院(沈阳计算技术研究所) 2016
[2]指端光电容积脉搏波监测全麻患者伤害性应激反应的评价[D]. 冀佳佳.石河子大学 2015
[3]基于MSP430F169的便携式血氧仪的设计与实现[D]. 曾小辉.中南大学 2014
[4]便携式无创数字脉搏血氧仪的设计研究[D]. 杨涛.南京医科大学 2011
[5]基于蓝牙传输的便携式脉搏信号检测与分析系统[D]. 王华亮.兰州理工大学 2011
[6]脉搏血氧饱和度监测系统的研究[D]. 孙海全.燕山大学 2009
[7]基于脉搏波的血氧饱和度检测算法的研究[D]. 张彬.北京交通大学 2009
[8]基于动态光谱的数字化脉搏血氧检测系统[D]. 李尚颖.天津大学 2007
[9]基于ARM的血氧饱和度检测仪的研究[D]. 罗文志.广西师范大学 2007
[10]反射式低血氧饱和度检测系统的研究[D]. 赵莉.北京工业大学 2003
本文编号：3348383
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