强噪声背景下的脉搏血氧饱和度检测（可编辑）

强噪声背景下的脉搏血氧饱和度检测（可编辑） 分类 密 论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 一立 日 期: 论文作者签名: 玉: 幺 』壁奄 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅 和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定 期:玉:羔丕 论文作者签名:趾导师签名出盔盔堂亟?堂丝诠窒 录 目 摘 要.....??.....??...?............................?...??.....?.??.....? ?。 第一章绪论.. .无创脉搏血氧检测技术的意义及发展历程? ..脉搏血氧饱和度检测的重要意义??. ..无创脉搏血氧饱和度检测仪的发展历程.无创脉搏血氧检测技术的研究现 状? .论文的主要研究内容和创新点? 第二章脉搏血氧饱和度测量原理及检测电路设计. .血氧饱和度定义 .无创脉搏血氧饱和度测量的基本原理 ..血氧饱和度检测的一般原理? ..基于光电容积脉搏波的血氧饱和度检测原理 ..血氧饱和度测量光波长的选择.. .脉搏血氧饱和度检测电路的设计..系统设计总体??.. .血氧检测探头?。 ..光源驱动电路? .光电转换电路? ..信号分离电路? ..信号解调和滤波放大电路..信号采集和传送电路? .脉搏血氧检测的下位机程序设置?. ..定时服务程序? ..采集服务程序??. .本章小结??. 第三章脉搏波信号去噪?。 .脉搏波信号主要的去噪方法. ..脉搏波信号主要的噪声干扰? ..脉搏波信号去除高频噪声和基线漂移常用方法.平移不变量提升小波阈值 法? ..传统小波变换和金字塔算法? ..提升小波变换? ..平移不变量提升小波阈值去噪算法步骤..脉搏波信号的平移不变量提升 小波阈值去噪结果? .形态学方法..基本的数学形态学运算 ..脉搏波信号的形态学方法预处理.综合方法实现脉搏波信号预处理?.. .本章小结. 算法消除脉搏波信号中运动伪差..含有运动伪差的脉搏波信号 频谱分析 ..算法的实现??.. ..算法去除脉搏波信号中的运动伪差?。 .脉搏波信号的特征点提取? ..差分法提取脉搏波信号特征点. ..提升小波模极大值法提取脉搏波信号特征点 .本章小结第五章脉搏血氧饱和度值计算??. .脉搏血氧检测的上位机软件设计? ..上位机软件的系统结构 ..串口通信及脉搏血氧饱和度检测的人机界面 .脉搏血氧饱和度值实际检测 ..脉搏血氧饱和度值的计算模型 ..实验数据 ..检测结果影响因素.本章小结??. 第六章总结与展望 .论文工作的总结.对未来工作的展望?. 参考文献??. 目 谢??..................??....?.....?.:: ?..........?.................. ...??...?....?.?..............?....??......?.......?. ..?.....??..??. ........?...... . 沁 .。..??. ..... .?.. . .... .??.. .? . ..?.....? .. .:;...?...?。..?....? ..... ..?。 . ..??.. .. :.??..:.. ?. .?. .... .... ..??. ..??. .。 .. 衔 . :;..:;: ..? ....??。 . :;.??..... ..??。 ....: .... 、析 ......??..?.?.....?..?.....?..?...?.. .。。 .. ?? ...?.. ....? ..?. .??..?.........?..?....?..........?....?......... ... ....?.?.......?...........?....?... 映供氧状态的一个重要指标。脉搏血氧饱和度检测仪可以实现血氧饱和度的无创 检测,在临床和家庭保健中广泛使用。本论文针对这类检测仪器目前存在的模拟 电路复杂,稳定性差,运动伪差干扰难以去除的缺陷,提出主要采用软件方法实 现脉搏波信号的预处理和特征参数的提取,综合引入形态学方法,平移不变量提 升小波阈值法和经验模态分解方法实现了强噪声背景下脉搏波信号的提取, 提高 了血氧饱和度检测的准确性。论文主要包含了以下几个方面: 设计并完成了以单片机作为核心的双波长指端透射光硬件检 测电路。这款单片机/口可以输出、吸收的电流,能够直接驱动双波长 ,同时其内部集成的.也使模拟电路的设计大为简化。 提出将信号传送到上位机用软件方法实现强噪声干扰下脉搏波信号的 提取。首次采用形态学方法和平移不变量提升小波阈值法级联的综合滤波算法实 现脉搏波信号的基线矫正和高频干扰去除。综合方法将形态学滤波器在滤除基线 漂移方面运算量小,速度快的优点和平移不变量提升小波阈值去噪法优良的高频 消噪性能结合起来,在低信噪比环境下有效提取了脉搏波信号。 采用经验模态分解方法在很大程度上去除了脉搏血氧饱和度检测中难 以去除的运动伪差,矫正了运动伪差导致的波形畸变。用提升小波模极大值法代 替传统的差分法提取预处理后脉搏波信号的特征点,即使在含有噪声干扰的情况 下也能实现特征点的准确提取,并且提升小波的引入使得传统的模极大值法分解 更为简单快速。 利用血氧饱和度的定义和提取出的脉搏波信号的特征参数计算出脉搏 血氧饱和度,实现了对人体脉搏血氧饱和度的实时测量和连续监测。 论文最后对全文的工作和存在的不足进行了总结,并对下一步的研究工作进 行了展望。 关键词:强噪声;脉搏血氧饱和度;综合滤波算法;经验模态分解;模极大值觚. 觚 . , . , ., 仃 .,柏 锄 ,, . .: .. /。 . . ‘ . . ... 、?: ?... . 岫 删 印. , . ’ .. .. : ; ; ; 幽盔盔堂亟?堂僮迨塞 第一章绪论 本章对非侵入式脉搏血氧饱和度 ,检测技术进 行了综述。简要介绍了脉搏血氧仪的研究意义,阐述了印检测技术的发展历 程及研究现状。在对此类仪器存在的主要问题和发展趋势进行分析的基础上, 结 合本课题的需要,引出了论文的主要研究内容。 .无创脉搏血氧检测技术的意义及发展历程 ..脉搏血氧饱和度检测的重要意义 氧是维持人体生命活动的重要物质,血氧含量与人体心脏、大脑、肌肉及其 他组织的工作状态密切相关,缺氧是导致各类疾病发生的根本性原因。因此, 进 行血氧饱和度检测是非常有必要的。 无创勋检测技术已经被用于病人麻醉、术后、移植、人工通气早期血氧 浓度的监测,广泛应用于手术室、监护室、急救室和睡眠等各种临床监护中 【】。 在麻醉过程中,利用无创、连续勋监测可及早发现低氧血症并及时处理,根 据血氧浓度的变化调控可致呼吸抑制的药物的使用剂量和输注速度,以利于手术 的顺利进行。手术后,应用印监测,可有效预防术后并发症的发生。在人工 移植方面,可以用来评价断肢再植的血供状况。在人工通气过程中,氧气浓度的 高低、流量的大小能间接或直接影响印仍的读数,因此可以根据监测到的印 变化来调整氧浓度,避免因氧浓度过高而引起氧中毒,或者因氧浓度过低引起低 血氧症。总的来说,印作为一种无创、反应快速、可靠的连续监测指标,已 得到公认【】,目前已推广到新生儿、早产儿的呼吸功能监测,以实现高氧血或低 氧血症的辨认。 ..无创脉搏血氧饱和度检测仪的发展历程 无创勋检测技术的研究始于世纪初期,接近现代使用的脉搏血氧仪在 年由和研制出来【。年,研第一个采用红 绿光源的双波长血氧探头,用于耳部血氧检测,这种检测仪器不能够区分静脉和动脉血流,而且需要频繁校准。年,设计的脉搏血氧饱和度测量仪 带有加温的耳部探头,装配在飞机上用来研究飞行员在大的重力条件下发生短时 丧失知觉的现象。年,在重新设计的脉搏血氧饱和度测量仪中增加了 一个压力活塞,活塞将耳部血液挤走,这样就可以获得绝对零点,从而改进测量 精度,但是这种设备同样需要频繁的调整,因而未能广泛应用。年, 研制出了八波长自身调整的型耳血氧计,是第一款获得临床广泛 应用的血氧计。这款血氧计采用了到的八个光波,血氧饱和度按 下式计算 . :丝?丝垒些垒尘?垒垒 、 玩马?岛仇 ,? . ; 』 式中办代表不同的光波长,,忍是与光吸收系数有关的常数,其值可以 通过经验确定。该仪器实用准确,但是设备昂贵且体积庞大,限制了其进一步 广 泛应用。 年,日本人设计的血氧探头中采用发光二极管以减小体积,用 红光和红外光作为测量波长,穿过动脉血管,这种血氧仪得到了商业应用。 年,日本的青柳卓雄等人对于脉搏血氧计测试原理相关著作的发表使得世界 上首 个血氧饱和度测量仪问世,如图.所示。年,研制出如图. 所示的脉搏血氧计.,这个系统的光源是一个发光二极管,光传感器是个硅 管,信息处理用微型计算机实现,这种系统形成了血氧饱和度检测的标准模 式, 从而使脉搏血氧饱和度检测进入了新时代。年代以后,脉搏血氧饱和度测量 仪在临床上和家庭保健中逐步得到广泛的应用。 ,童翟:砭苏豫孙。 影”一?甲唧咿””锡 殴一 图.脉搏血氧仪? .无创脉搏血氧检测技术的研究现状 非侵入式脉搏血氧饱和度检测仪在实际使用上尚存在某些局限性。当人体血 液中出现某些病理情况,或者低灌注和末梢血管阻力大时,印仍信号将消失或 精确度降低。病人活动时带来的运动伪差以及传感器位置的偏移等等因素都会影 响印仍值的正确评估。因此印仍测量的精确性有待进一步提高。 目前国外公司的信号萃取技术打破传统血氧仪的局限性, 这种方法通过建立静脉噪声基准,利用自调谐滤波器消除静脉噪声,主要针对血 氧检测中运动伪迹干扰、外周灌注不足带来的问题,能够实现低信噪比环境下的 检测【,但是噪声基准建立起来相对复杂。国内生产的脉搏血氧仪器仍然采用传 统脉搏血氧检测原理。如西安交通大学的数字式脉搏血氧饱和度检测系统【】;国 防科技大学的基于单片机的脉搏血氧饱和度测量仪【】。 总的来说,传统血氧饱和度检测系统主要是通过硬件来实现,需要使用放大、 解调、滤波等一系列硬件处理环节以得到平滑的光电容积脉搏波【】:另外脉搏波 信号的特征点检测也需要硬件来实现;特征检测之后得到的特征参数送入单片 机,由单片机完成血氧饱和度的计算。这种设计的缺点是整个模拟电路的设计复 杂化,处理环节繁多,影响了仪器的测量精度、抗干扰、稳定性、重复性。此外, 传统脉搏血氧检测仪无法消除运动伪差对测量准确度的影响。因此,针对上面的 问题,我们尽量简化硬件电路的设计,主要采用软件方法实现光电容积脉搏波的 提取和特征点的检出,引入经验模态分解方法 , 去除运动伪差,在信噪比比较低、信号被噪声淹没的情况下也能提取到脉 搏波,实现血氧饱和度的计算。软件方法提高了脉搏血氧饱和度检测的抗干扰性 和测量准确性。 .论文的主要研究内容和创新点 本课题主要研究脉搏血氧饱和度检测的数字化,改变以模拟技术为主要手段 的处理方法,简化模拟电路的设计,以实现更为稳定精确的血氧饱和度检测。 本 文共分为六章,具体安排如下: 第一章首先介绍了课题的研究背景、无创脉搏血氧饱和度检测技术的研究意义、发展历程和国内外研究现状,最后介绍了本课题的研究内容和结构安排。 第二章介绍了光电容积脉搏血氧饱和度的测量原理,实现了以单 片机为核心的双波长指端透射光硬件检测电路。 第三章主要介绍了提升小波理论、平移不变量法、形态学算法。提出将形态 学方法和平移不变量提升小波阈值法相结合的综合滤波算法,采用综合方法去除 了高频噪声和基线漂移这两种典型的脉搏波信号干扰因素。实现了低信噪比环境 下的脉搏波信号提取。 第四章首先介绍了经验模态分解方法的原理,分析了运动伪差噪声产生的原 因和特点。使用经验模态分解方法去除脉搏波信号中的运动伪差,矫正了由于运 动伪差导致的波形畸变。最后介绍了小波模极大值特征点检测原理,然后采用提 升小波变换模极大值法提取预处理后脉搏信号的峰值点和谷值点。 第五章将提取出的脉搏信号特征参数代入经验公式计算出血氧饱和度;利用 开发了脉搏血氧仪的测试界面,实现脉搏波、血氧饱和度值,血氧 饱和度变化曲线的实时显示存储。并对实验室的名志愿者进行了脉搏血氧饱 和度的实时测量,结果表明系统可以实现脉搏血氧饱和度实时检测及连续监 测的 预期目标。 第六章对论文的主要工作及成果进行了总结,指出了不足之处,并展望了课 题进一步的研究方向。 论文的主要创新有: 设计并完成了以单片机作为核心的双波长指端透射光硬件检 /口的大电流驱动能力可以直接驱动光源,内置的 测电路, 也使模拟电路的设计大为简化。 首次采用形态学方法和平移不变量提升小波阈值法级联的综合滤波算 法实现脉搏波信号的基线矫正和高频干扰去除。综合方法将形态学滤波器在滤除 基线漂移方面运算量小、速度快的优点和平移不变量提升小波阈值去噪法优良的 高频消噪性能结合起来,摈弃了形态学方法高频滤波时有截断误差的缺点和小波 基线矫正算法复杂、速度慢的缺点,实现了低信噪比环境下的脉搏波信号提取。 采用经验模态分解方法去除脉搏波信号中的运动伪差,使得基于脉搏波 的血氧饱和度检测更为准确。提升小波模极大值法代替传统的差分法实现脉搏波 信号特征参数的提取,提高了特征检测的准确性。 出峦盔堂亟?鲎僮诠窒 第二章脉搏血氧饱和度测量原理及检测电路设计 本章主要阐述了血氧饱和度定义,无创脉搏血氧饱和度的测量原理,脉搏血 氧测量仪的整体系统设计框图,各模块实现,完成了以单片机为核心 的双通道指端透射光硬件检测电路。 .血氧饱和度定义 人体的新陈代谢作为一个生物氧化过程,必须有氧的参与。氧通过呼吸系统 进入血液,与血液中的血红蛋白相结合,再输送到人体各部分组织细胞中去。 血 液中存在四种血红蛋白:氧合血红蛋白,还原血红蛋白?,碳氧血红蛋 和高铁血红蛋圭。其中还原血红蛋白与氧气作可逆性结合,结 合后转变成氧合血红蛋白。 血液中的容量占全部能够结合氧的血红蛋白容量的百分比称为血氧饱 和度,它是呼吸循环的重要生理参数【】。而临床上常用的功能性氧饱和度表 示为浓度与浓度之比,其值可以通过测量印仍确定。肺的氧合 状况和血红蛋白携氧能力都能够通过监测印仍值估计,正常人体脉搏血氧饱 和 度值在%以上。上述两种氧饱和度表示为: .功能氧饱和度 . 印万砑瓦×% .分数氧饱和度 丝竺 × : % 、 .// 除了因病理因素和长期吸烟导致的血液中含量异常外,人体血液中所 含的和是很少的,所以临床上多采用功能氧饱和度来反映血液中 氧含量的变化。临床实验也表明印测量可以监测病人的呼吸功能,其数值 在一定程度上反映动脉血液的氧浓度变化【。 .出盔盔堂亟?堂焦迨窒 .无创脉搏血氧饱和度测量的基本原理 ..血氧饱和度检测的一般原理 脉搏血氧仪的检测原理基础是双波长朗伯比尔定律。根据朗伯比尔定律,当 一束单色光透过某物质的溶液时,其透射光强与入射光强有如下关系: ?觑 . 式中,为透射光的强度,为入射光的强度, 是溶液对特定波长光的吸收系数, 是溶液的浓度。血液中主要的吸光色团是册和励。假设溶液只含有励和 励这两种吸光物质,根据基本的朗伯比尔定律: . ? 删肋们/工 式中为光子密度,,、占肋分别为胁和册的消光系数,、 分别为和协的浓度,三为光程长。利用,和占肋随光波长改变的特性, 通过测量两个波长五,处的,采用方程.可以解出印。 . 、 面啄.正砑 磊 册册删么 小一小占“ ..基于光电容积脉搏波的血氧饱和度检测原理 基于光电容积脉搏波的血氧饱和度检测是建立在动脉搏动的基础上。动脉血 管搏动时,透光区域动脉血液的光吸收量将发生变化,这部分脉搏波分量称 为交 流量?;而皮肤、肌肉、静脉血等组织的光吸收量恒定不变,这部分恒定分 量称为直流量【】,如图.所示。 越 骥 孓可变成分 装 米 丑 锌 图.手指光吸收量变化示意图 一%舯 一‰%工 . ,:/.一勺上 . ,们:,.一锄%出 仁聊 、 瓷 爱糕萋等蓑 瓮 ‰躲 把式.代入血氧饱和度计算公式印 矗并变形得: . 印??????』?竺???矛一 ‰一彘一‰:一急?“乡么 一?一亿。 量’ 占急 . 印 ‰一急五 元一五 虽然.式中的占急、占磊、占‰均为常数,但在实际应用时因为光源的个体差 别等因素,没有统一的确定值,令彳 盘/占‰一盘,盘/占‰一占盘, 则. 式转变成 . 山东大学硕士学位论文一一 . 印?/吼一 为了讨论方便,上式中的比值每糕通常记为,要想获得的值, 就需要测量两路光源通过人体组织后的四路信号,嘉、碱、,磊、,乏。将两 个 光波长下吸光密度的比值记为后,血氧饱和度的计算公式可写为: . 印?? 从上式可以看出,印的值和成线性关系,图.是年绘制的 两者的线性关系图。 摹 爵 月 图.值与血氧浓度关系 ..血氧饱和度测量光波长的选择 脉搏血氧检测中光波长的选择是十分重要的。图.是励仍和//的光吸 收系数曲线。 ;口。召一英? 【./董。一:《? ; 图.氧合血红蛋白和还原血红蛋白的光吸收系数曲线 从图中看出,//和//对不同波长光的吸收系数差异明显。在姗~ 一 的红光区,的吸收系数远小于的吸收系数,在 的红外区,的吸收系数大于//的吸收系数。在附近,和// 的吸收系数差别很大,当血氧浓度发生变化时,血液对该波长光吸收量的变 化最 为敏感。因此其中一个光的波长选择附近;在原理推导中要求另外一个 光波长应满足条件占占盎,这个等吸收点在附近,但是光波长和吸光 系数的变化梯度在该点附近较大,在发光二极管存在个性差异时,不利于调 试替 换【】。两曲线在 波长段近似重合并且变化缓慢,所以交点一般 选择该波长区域比较适合。大部分血氧仪选用、作为光源波长,但 是研究发现,在时,//和的光吸收系数更为接近,血红蛋白和其 他组织对光吸收的差别更明显,有利于提高准确度,因此本文的检测系统光 源选 用和两种光波长。 .脉搏血氧饱和度检测电路的设计 ..系统设计总体方案 脉搏血氧饱和度检测的硬件电路以单片机为核心,系统设计总体 方案如图.所示。 滔 簿 麻 暮厂嘿离 酱 箍 撼红专零茎曩三;器通道 冷 置 龋 塾 对摩 采集 革歼顽???‘ 串行接口 图.脉搏血氧饱和度检测系统设计总体方案 采用指套式血氧探头,用单片机分时驱动探头内的双波长光源交替发出红光 和红外光。当脉搏搏动时,检测区域的血液流量就会发生变化,组织对光吸收量 随之改变,最后导致红光和红外光的透射光强发生变化,变化的光强信号由光敏 二极管接收经过光电转换电路转化为变化的电信号;此时的电信号幅值很小,两 个波长下的透射光信号也没有分离,并且是经过脉冲调制的信号,因此要通过分 离电路将和透射光电信号进行分离;分离之后进入两个通路的脉 冲调制信号还要进行解调和简单的放大和滤波处理;之后通过电平抬升电路将信 号的幅值范围调整到可以进行采集的区间内;最后由单片机进行数据采集, 把采集到的数据通过串行通讯接口传送到上位机进行处理,并且计算血氧饱和度 值。 ..血氧检测探头 脉搏血氧仪检测得到的勋值准确与否,很大程度上与探头有关。指套式 血氧探头将微型化双波长,光敏二极管安放在一个如图.所示的指套内, 指套上壁固定双波长光源,下壁则是光电探测器件。使用时只需将探头套 在指尖上,指甲应正对上壁的发光管。采用指套式血氧探头,指套内的探头胶垫 可以充分的适应被测试者手指的形状,一方面可以极大的减少手指动作引起的运 动伪差,另一方面可以起到遮光的作用,有效的减少环境光的干扰。 一’箩 /『 、 卅耐‖‘ 下壳体图.指套式血氧探头指套式血氧探头外观图 指套式血氧探头结构示意图 检测信号的发光二极管和光敏二极管是探头的核心部件,也是决定检测数值 准确与否的关键所在。本文所采用的双波长和光敏二极管都是美国 公司生产的,其结构如图.所示。三脚双波长的两个发射波长分别为 . 和,为透明树脂封装,尺寸为. 。透射光的接收器件为一 个光敏二极管,尺寸为..,感光面积。光敏二极管的响 应速度很快,大约只需要微秒左右。 豫 簟 :搿 曩离:审圣垩 / 光敏二极管图.血氧探头内的光电器件光源和光敏二极管实物图光源和光敏 二极管符号图 幽峦盔堂亟?堂僮迨窒 ..光源驱动电路 指套式探头内的双波长光源需要驱动电路驱动其分时发光。单片机 的/引脚采用推挽式驱动,在作电压下,置为高电平平时,可输出达 的驱动电流;置为低电平时,可吸收最大为的电流,因而能够直接驱动, 不需要使用三极管来放大电流,这样就简化了光源驱动电路的设计。我们选 择单 片机口的和位作为普通/输出来驱动光源,驱动电路如图.所示。 图.光源驱动电路 单片机的/产生周期性控制信号,可以使红光、红外光管交替发光,按 时序可以形成红光,红外光和暗光三种工作状态,这样能够有效的避免在两 种光 切换时余辉的影响。表.列出了单片机控制信号和发光状态的关系。 表.单片机控制信号和光源发光状态的对应关系 发光管的发光频率选定为工频的整数倍可以降低电源干扰,本系统设定的周 期控 制信号为占空比为:,频率为的方波信号。单片机/口的控制时序和发 光管发光状态的对应关系如图.所示。采用这种脉冲信号驱动方式时,两路光 源交替发光,可以使发光二极管处于瞬时发光状态,发光管的瞬时发光强度 得到 大大提高,同时降低发光管的平均电流,提高它的使用寿命【。 “』曩驯互厂?厂可 陀??厂厂厂一 红光红外光红光 发光状态 暗光 暗光 图.单片机控制时序和光源发光状态对应关系图发光二极管光源点亮时其光 电流幅值的计算公式为: . :??:二:墨:三 . ’ ’ 一一~ 是一个阻值为的滑动电阻器,通过调节的值,就可以实现发光二极 管光电流的调节,调节范围约为.~。本系统在测试时调节二极管的 光电流为。 ..光电转换电路 从人体透射的光信号需要一个光电转换电路将其转化成电信号。从人体组织 透射的被测光信号非常微弱,暗电流的影响很明显。所以,光电转换电路设计时 采用光伏模式,这种模式暗电流小,线性度好。由于光电二极管的输出电流是 认级的,所以应选择输入偏置电流在级的运放。本文选择型低噪声运 放芯片作为前置放大器,其具有低偏置电流、低失调电压, 高共模抑制等特性,能很好地解决微弱信号放大问题。图.为光电转 换电路图。 ? 图.光电转换电路 光电二极管将接收到的光信号转换为与之成比例的微弱光电流,通过跨阻型 前置放大电路将光电流转换为光电压。跨阻型前置放大电路由基本放大器和一个 跨接在输入输出端之间的电阻彤构成,这种放大器利用电阻提供电压并联负反馈, 减小了放大器的输入阻抗,增加了带宽【。对于反馈电阻的选取,不宜过大,电 阻过大会使电路稳定性变差,易造成干扰。设计中选用的跨接电阻,而且 并接一个的反馈电容用来抑制平滑噪声干扰。光电转换电路的输出的电压 为: ‰,?矽 . 经过光电转换电路之后的调制电压值仍然非常小,红光响应和红外光响应也 没有 分离,而且其中混有噪声干扰,因此需要后续的分离、滤波、放大处理。 ..信号分离电路 红光和红外光照射下组织响应的混合信号需要分离,本文用电子开光实现信 号的分离,控制时序如图.所示。信号分离电路如图.所示,四双向模拟 开关在控制信号的作用下,分时实现不同组开关的通断,从而将两组响 应信号分离到两路中进行传输。 附』??厂 厂厂厂 ; : : 红光红外光红光 发光状态 一 几 几 几 ,:: 几吼 图.信号分离控制时序图 红光信号 通道 混合信 红外光信号通道 图.信号分离电路 结合图.和图.可以看出,当开关控制信号为高电平时,控制信号 为低电平,此时对应的发光状态是红光,开关和导通, 和断开,混 合信号中的红光信号通过。这样就把红光信号分离到通道中传输;当控制信 号 为高电平时,控制信号为低电平,此时对应的发光状态是红外光,开关 和导通, 和断开,混合信号中的红外光信号通过。这样就把红外光信号 分离到通道中传输。分离后的信号在两个通道中分别进行后续处理。..信号 解调和滤波放大电路 分离后的信号首先要经过低通滤波处理以去除高频干扰,同时将经过脉冲调 制的信号进行解调,因为脉搏波信号的频率主要集中在以下,所以设计一 个截止频率为的三阶巴特沃斯低通滤波器来滤除噪声,平滑信号。后面再 串接一个增益为的同向放大电路对信号进行适当的放大。经过低通滤波器的 信号,包含直流信号和交流信号,由于交流信号只占直流信号的%,所以可以 把此处出来的信号直接送去采集作为计算中的直流信号。此部分的电路如图 .所示。 二、 . 口 亡卜?】 》 点 爱里硒帐 上 图.低通滤波模块 经过低通滤波模块后的信号中交流分量非常小,当运放饱和也不能放大到理 想的状态,所以要通过高通滤波器滤去直流信号,将交流信号进行单独放大。 设 计一个截止频率为.的单位增益二阶巴特沃斯高通滤波器滤去直流成分,然 后用一个增益为的反向放大器将交流信号进行放大。电路如图.所示。高 通滤波器的截止频率:/万/.。反向放大电路的放大倍数 为/。..信号采集和传送电路 经过前序电路得到的红光和红外光的直流部分和交流部分共四路模拟信号 需要通过信号采样转换成数字信号,然后在单片机的控制下通过串口通信送 入计 算机进行分析处理。单片机集成路位和两路位的模数转换器,因 此不需要再外接模数转换器,简化了电路设计。的口的第二功 ,转换时间为 能为模数转换,~是位精度的,其分辨率为/ .。本文将~用作采集通道,分别采集红光直流分量、 红外光直流分量、红光交流分量和红外光交流分量。, 作为普通的/:输出控制时序驱动光源分时发光,控制电子开关实现两通道信 号的分离。 当模数转换使用外部参考电压源时,的电压输入范围为, 所以使用电平抬升电路将交流量变换到大于的范围,具体实现如图.所示。 ‰量 图.电平抬升电路 电平抬升电路的输出 场斫‰××鲁一等×胁一胁也 从上式中可以看出,电路将将信号反向以后抬升了,当输入信号的幅值小于 时,输出信号大于,满足采集的条件。 采集的数据通过串通信由单片机传送到上位机,通信波特率为 ,位数据位,位停止位,无校验位。因为单片机的串是使用电 平标准的,而电脑串行所使用的是的电平标准,两者的电平范围相差 很远,所以连接时需要用到电平转换电路。单片机的基本外围电路如 图.所示,电平转换电路如图.所示。 .妻嚣繁 蓑 烧写程序 点鲫飓譬/ . 匝、 ? 一 / .厂 壤 /瀚 ? /爿 西 蹦 . 图.单片机的基本外围工作电路 一‘ ,~ 咕 】 ? ?一 ,、 气气? 乙 :上 、鼻鬈, 口? 。‘ 九 乙 一 呵心 图.电平转换电路 电路数字部分供电电压为,模拟部分供电电压为,整个检测电路采 用一个能够输出直流电压的开关电源实现供电。.脉搏血氧检测的下位机程 序设置 ..定时服务程序 系统的采集时序为在红光亮的期间实现,通道的数据采集,红 外光亮的期间实现,通道的数据采集,如图.所示。 暗光 暗光:竺型 红光亮 红外光亮 采集 采集 采集 采集 图.四路信号的采集时序 红光和红外光的点亮频率都是,每次点亮.,红光和红外光状态 切换中间有.的暗光时期,所以每个通道的采样频率是。本文使用 的位定时器的模式比较匹配中断模式实现.精确延时 程序。在这种模式下,一旦计数寄存器的计数值与比较寄存器或 中的值相等,输出比较匹配中断标志位被置为,从而将产生一 个输出比较匹配相等的中断申请,当转向中断向量执行中断处理程序时, 和由硬件自动清零。在中断服务程序里,可以实现发光状态的修改,从而 实现分时发光。 在定时器初始化过程中,采用系统时钟源的二分频,模式,计数上 限值为。定时时间笔等,要实现.的定时中断 /.×。×/ . 本文通过设置一个来标识发光状态,两者的对应关系如表.所示。 表.发光状态标识 在定时中断服务程序里可以通过改变,输出的电平的高低状态来改变光 源的发光状态,定时器中断服务程序流程如图.所示。 秽 芯声 钞 秽 ~~一一一一一一~~ 告/ 图.定时器中断服务程序流程图 ..采集服务程序 在采集前,要读写.中所示的单片机寄存器以设置参考 电压,选择模拟通道,设定转换数据的放置方式。 表. 多路复用器选择寄存器?一位/ / / / / / / 读/写 表格.中所示的寄存器的最高两位、用于选择的 参考电压源。寄存器的第位用于设置转换结果的对齐方式,写“” 到位,将是转换结果左对齐,数据的高位存放于,低两位存放 于的高两位,写“到位,转换结果右对齐。当转换结果左对 齐时,电压值的计算公式为 :???? . 面?一/× 式中的”分别是和由十六进制转换成十进制 的结果,是参考电压。寄存器的最后四位:用于模拟通道的选择,其 值为 时对应通道。 本系统初始设置参考电压源为,转换结果左对齐,选择模拟通道 就可以读取转换数据了,读取时先读取低位,再读取高位。每个通 道采集两次,因为切换通道后可能造成数据的不稳定,不可靠,所以丢弃第一 个 数据。将第二个数据发送到上位机。程序中设置用来接收上位机的开 始数据采集指令,用来接收上位机的停止指令,系统初始化时,两个标 识都初始化为。数据采集流程如图.所示。 图.采集服务程序流程图 每一个转换数据都是由和组成,在传送时还要加上一个 数据头 ,用来标示是哪个通道的信号。传送时先发送数据头,再发送 ,最后发送。上位机接收到这些数据后,就可以根据数据头将信号 分离成组。如表.所示。 表. 个通道信号的数据头标识通道 出盔盔堂亟?堂焦迨窒 ,?? .本章小结 本章主要介绍了脉搏血氧饱和度的检测原理,实现了以单片机为核 心的整个测量电路的设计、时序控制和数据采集流程。单片机/的 大电流驱动能力简化了光源驱动电路的设计。其内部集成的位模数转换器使得 整个电路的设计大为简化,同时其采用的精简指令结构也使指令并行执行程度更 好,编译器的效率更高。下位机采集的信号需传送到上位机进一步分析处理。出盔盔鲎亟?堂焦诠窒 第三章脉搏波信号去噪 脉搏血氧饱和度的实际检测中,往往受界干扰或者仪器本身的影响,从 而给信号的特征提取带来困难,影响到系统的正常工作,导致血氧饱和度测量难 以准确甚至发生错误。本文将形态学方法和平移不变量提升小波阈值法相结合, 形成了综合滤波算法。形态学滤波器运算量小,速度快,在滤除基线漂移方面有 着近乎完美的效果,但是形态学方法在处理高频干扰时会产生截断误差。而小波 变换自问世以来,凭借其特有的多分辨率分析技术,在信号高频消噪应用中表现 出极大的优势。因此将两种方法综合起来形成综合滤波算法。通过对脉搏波 信号 的处理,表明综合方法是一种更好的脉搏波去噪预处理方法。 .脉搏波信号主要的去噪方法 ..脉搏波信号主要的噪声干扰 环境光的影响 光电容积脉搏波是以光电检测为基础,因此周围杂散光对检测系统影响较 大。指夹式探头的遮光设计大大较少了环境光的干扰,同时光调制技术的采 用也 可以防止环境光的干扰。 工频干扰 工频干扰是由及其谐波分量所组成。其干扰幅度可达到数百毫伏至数 伏。因为脉搏信号的频率集中在以内,所以在模拟电路中加入了低通滤波 器来抑制工频干扰,同时在上位机采用平移不变量提升小波阈值去噪的数字 滤波 方法来去除工频干扰以及其他高频噪声。 基线漂移 在脉搏波信号的采集过程中,由于人的呼吸运动和身体移位会产生基线漂 移,基线漂移可视为频率为.~.叠加于脉搏信号上的低频正弦波。本文 采用形态学滤波方法来实现脉搏信号的基线矫正。 .. 出峦盔堂亟?堂焦诠窒 ..脉搏波信号去除高频噪声和基线漂移常用方法 相对于变化缓慢的脉搏波信号来说,工频干扰以及其他高频成分都属于高频 噪声。简单的低通滤波器,可以用来抑制脉冲噪声。但是这类数字滤波器的 截止频率固定,频率过低会将有用信号滤除,频率过高消噪效果又不理想。近年 来发展的自适应滤波器可以根据最优逼近真实信号的原则自适应的更新滤波器 的系数【,但是这种方法需要获得与有用信号无关,而与噪声有关的参考信号, 并且处理速度慢。小波变换阈值消噪法能够很好的抑制噪声。但是传统小波分析 在一定程度上受到傅立叶分析的限制。因此发展了小波的提升算法。提升小波阈 值法在信号的不连续点处会引起.现象【】,平移不变量法可以抑制 这种现象。本文将提升小波应用到平移不变量法中,采用平移不变量提升小波阈 值消噪法处理脉搏波信号。这种方法可以将提升算法结构简单、运算量低、便于 实现【 】的这些优点和平移法可以去除.现象的优点结合起来,以达 到传统的平移不变量法的优良去噪效果,而且实现更为简单快速。 基线漂移的频率一般在.左右,属于低频信号,线性相位高通滤 波器可以滤除基线漂移,但如果截止频率太低,则无法很好地消除基线漂移,而 截止频率选的太高,又会损失有用信号,使波形发生畸变。有一种比较常用的 方 法是基线拟合方法【蝎】,该方法选择脉搏波的各个起始点为给定点,根据各个给定 点的数值拟合估计出基线漂移的曲线,然后用原始信号减去漂移曲线,就可以得 到消除基线漂移的正常信号。拟合法需要波形起始点的准确识别,如果波形识别 不准确,特征点定位错误,该算法性能将严重下降。近年来发展的小波基线矫正 法【】是利用小波变换多尺度多分辨的特点,将信号进行多尺度小波分解,由于基 线漂移的主要成分为缓变分量,在小波分解中会直接显现于一个较大的尺度下, 只要在重构过程中将这一尺度下的分量直接去除,即可实现基线矫正。此种方法 的缺点是计算量比较大。相对于小波方法,形态学滤波器运算量小,速度快,准 确率高,已经被用于心电信号【、脉搏波信号【以及其他生物医学一维信号 的基线矫正。本文采用形态学方法来实现脉搏波信号的基线矫正。.平移不变量提升小波阈值法 ..传统小波变换和金字塔算法 小波分析是一种时间一尺度分析方法,传统小波变换将时间信号展开为小波 函数族的线性叠,而小波函数都是由母小波函数经过平移与尺度伸缩得来 的。小波变换将信号在不同的尺度上实现多分辨率分析,其实质就是把信号 在一 系列不同层次空间进行分解。满足下述条件的空间的闭子空间 巧?称为三俾的一个多分辨率分析或逼近: 单调性:吃巧中对任意,?; 逼近性:斥, ?尺; 伸缩性:“?矿,亡,??; 平移不变性:? ??,对任意?; ?构成%的基。 基:存在?使得 如果将~定义为空间%,那么经一级分解之后%被分成~/的低频 子空间所和/一的高频子空间%,再经一级分解巧被分成~/的低频 子空间圪和/一/的高频子空间%。将分解继续下去,得到附%? 矾。因为巧和%是正交的空间,且各形子空间也是相互正交的,所以分解得 到了相互不包含的多个频域区间,这就是多分辨率分析。 在和图像分解和重构的塔式算法启发下,基于上述的多 分辨率分析框架,提出了小波变换分解和重构的快速算法,即算法【。 设巧是一给定的多分辨率分析,妒和,分别是相应的尺度函数和小波函数,对 于一个一维信号删?巧便有分解: . 。厂。。厂 . 厂?。棚%锄,。厂?%’。‰“舸 这样一直分解到止层,就有 ., . :厂? 式中的桫称为删在,分辨率下的连续逼近,缈为删在,分辨率下的连续细 节;而与之对应的数列和磅分别为在分辨率,下的离散逼近和离散细节。形 象点说,离散小波变换可以表示成由低通滤波器和高通滤波器组成的一棵 树,我们称之为小波分解树。如图.所示。 个 系数 个 系数 高通滤波器 :低通滤波器 ‘町 ‘, 图. 分解示意图两层小波分解树示意图下采样示意图 在分解过程中,使用滤波器对真实的信号进行处理时,卷积后得到的数据将 是原始数据的两倍。于是,根据尼奎斯特采样定理就提出了下采样 的方法,如图.所示,在每个通道中每两个样本数据取一个, 得到的离散小波变换的系数分别用和表示。可以看出,传统 算法需要在信号做卷积以后,再进行下采样,这意味着卷积运算中有一半 是无用功。提升在算法的基础上,进行了改进。 ..提升小波变换 已经证明,任何离散小波变换或具有有限长滤波器的滤波变换都 可以被分解成为一系列简单的提升步骤,所有能够用算法实现的小波,都 可以用提升算法来实现【】。从..节的表述中可以看出,算法进行正变 换时信号先通过分解滤波器,然后对卷积的结果进行二抽取。反变换要先插 值, 随后进入合并滤波器。设分解滤波器和的传递函数分别为;和 季,合并滤波器和的传递函数分别是和,则对应的二通道 算法等价的变换表示如图.所示。堂 亟 ? 堂 焦 迨 窒 一』噬.态 图. 法的变换 提升算法的基本思想是,将现有的小波滤波器分解成基本的构造模块,分步 骤完成小波变换【】。因此将滤波器表示成多相位形式: 吃 . 其中忽?包含了四的偶系数,而玩?包含了厅?的奇系数,即 . 吃?。一,?: 或者可以写成 . 坼丝警盟,:了 定义和的多相位矩阵为: , 。名 即,憾鞣期 以瞄篇矧 由图.给出小波分解重构的多相位表示。 , 氟: 这样对信号进行小波变换,相当于对信号的奇偶点分别进行采样,把信号分 解成 为奇数序列和偶数序列,称之为懒小波变换: .. 。:,,扛,,?等 协:‰?’’’?’ 下面用上述的提升方法构造小波,给定小波的提升滤波器如下: .。:?:红。一啊一 【一红一啊 舯‰等等,%喾,吃错膨相位矩阵因子分 压寸 . 历 竿。 心,圳二 压这样,小波的提升实现算法为 一 . 铲半研竿以专‘ 砰 嚣荽草叶二 刃彬::. 盟点百 经过上面的变换,得到尺度系数%,,?知,.,小波系数,,??,。 当进行第二次小波变换时,需要对低频信号铴,。,:?%伽。再进行上述的提升小 波变换,依次进行多尺度提升小波分解。 典型的提升方法分为三个阶段,分解,、预;澳,、更新, ?【。分解过程将信号根据下标的奇偶性分成两个较小的子集;预测过程通过 预测算子利用偶序列来预测奇序列,用奇序列与预测值之差作为小波系数;更 新过程是为了使原始信号集的均值等标量特性在其子集中继续保持。通过更新算 子对小波系数进行更新,并与偶序列相加得到最终的尺度系数。提升小波重 构只需重新安排两个过程的顺序即可,逆变换之后再把奇数项和偶数项交错混合 就可以得到原来的信号。提升小波分解重构的过程如图.所示。 图.提升小波的分解和重构过程 经过多次提升小波分解后,就可以得到各层的低频系数和小波系数。图. 是采样点长度的脉搏波信号的提升小波分解。 提升小波分解逼近系数 提升小波分麓细节系数 ., . 一./ 驯型坠业卜.引尘坐竺】.二 : 邺‘’兰臣里堕罟.?匝巫亚口 。 。 广??????????????广??????????????? .‘虬 器 ?以删‖髻。卜?御州 ?????????????????? 一 .’............?...................?? 。 。 叩 ; 正趸图.脉搏波信号的提升小波层分解从图中可以看出,提升小波分解后的 高频系数往往与噪声和扰动混杂在一起,对 小波系数进行阈值化处理,就可以消除噪声。众多的小波阂值消噪方法中, 运用 得最为广泛的是阂值法,它能得到原始信号的近似最优估计【。但在信 号的不连续点处,应用该方法会产生.现象。在阈值法的基础上加以 改进的平移不变量小波阈值消噪法可以有效抑制这种现象。 ..平移不变量提升小波阈值去噪算法步骤 平移不变量小波阈值去噪法通过平移含噪声信号来改变不连续点的位置,再 对平移后的信号进行阈值消噪处理,然后把消噪后的信号再进行相反的平移,便 可以得到消噪后信号【】。但是如果计算原信号所有可能的循环平移信号的小波变 换,计算效率就很低,因此采用快速算法,计算原信号及其循环平移位的信号 的【,并在每个分解级对低频信息重复这一小波变换过程,即可得到所有可 能的小波系数。本文用提升小波代替平移不变量法中的传统小波,使得算法实现 更为简单快速。平移不变量提升小波阈值消噪法主要分为三个步骤: 平移不变量提升小波分解 对于信号,,,...,疗.,,为分解层数。设定循环向左平移一位算 子,令以。鼍,则快速平移不变量提升小波分解过程如图.所示。 。七 ,七 ~【 , 图.快速平移不变量提升小波分解