学位论文-反射式脉搏血氧饱和度信号检测与分析系统.pdf

学校代号：10731学 号：092081104004密 级：公开兰州理工大学硕士学位论文.反射式脉搏血氧饱和度信号检测与分析系统：兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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。本人授权兰州理工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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。本学位论文属于1、保密口，在 年解密后适用本授权书。2、不保密口。（请在以上相应方框内打“J”）硕I:学位论文目录摘要.IAbstract.II插图索引.IV附表索引.VI第1章绪论.11.1 技术背景及研究意义.11.2 国内外研究现状.21.3 睡意检测.51.4 本课题主要研究内容.5第2章脉搏血氧饱和度信号采集系统.72.1 脉搏信号.72.1.1 脉搏信号简介.72.1.2 脉搏信号的测量原理.82.2 血氧饱和度.82.2.1 血氧饱和度信号简介.82.2.2 血氧饱和度检测原理.9第3章装置的硬件系统设计.B3.1 反射式光电脉搏传感器的设计.B3.2 传感器驱动电路.153.3 光电转换电路.173.4 干扰的消除和抑制.173.5 前级放大电路.183.6 信号的同步解调放大电路.193.7 后级放大滤波电路.203.7.1 检波放大电路.203.7.2 滤波电路.213.8 电源管理模块设计.233.9 测试结果对比分析.243.10 本章小结.25第4章DSP及其软件部分.264.1 DSP芯片的选取.264.2 CETEK-F 28335-A评估板外围硬件扩展说明.27I反射式脉搏血气饱和度椅测与分析系统4.2.1 片外存储器扩展.274.2.2 数据存储器扩展.274.2.3 液晶显示器扩展.284.2.4 键盘扩展.294.2.5 报警设备扩展.304.3 软件流程.314.3.1主流程.3143.2 各子流程.32第5章脉搏信号的睡意特征提取.445.1 样本嫡分析方法.445.2 脉搏信号睡意检测实验.475.2.1 选取被试者.475.2.2 实验步骤.475.3 结果与分析.48总结与展望.50参考文献.51致谢.54附录攻读学位期间所发表的学术论文目录.55硕士学位论文摘要脉搏血氧饱和度信号的监测与分析已经广泛应用于临床危重症患者的监护，如患病者手术麻醉、监护、手术后的恢复以及呼吸睡眠研究等方面。但由于透射 式血氧饱和度仪的安放位置比较单一，难以对人体多个部位脉搏血氧饱和度信号 进行有效监测（如前额、胸部、背部等）。因此，在探索透射式脉搏血氧饱和度仪 的同时，很多研究人员开始了对反射式脉搏血氧饱和度仪的研究。然而相对于透 射式脉搏血氧饱和度仪，目前在国内关于反射式脉搏血氧仪临床监测数据的研究 报告比较少，在国内还没有出现成熟的反射式传感器产品。因此本文是基于扩散 传输理论，应用光电反射式传感器对脉搏血氧饱和度进行检测，以 TMS320VC5509ADSP芯片为开发平台，研制了一种反射式血氧饱和度的检测系统，给出了该系统脉搏血氧饱和度信号的计算公式。同时还运用检测出来的脉搏信号 进行睡意特征提取。在硬件装置方面，由于本装置的设计目标是应用于便携式人体生理睡意信号 检测，同时要求具备实时性，高精度和具备较强计算能力以实现信号分析处理，所以DSP芯片当作为系统控制芯片的首选。本文中选择DSP芯片的型号为 TMS320VC5509Ao光电脉搏血氧饱和度传感器选取波长为660nm和940nm交替发光 的二极管以及光敏管。运用两者制作而成的光电反射式脉搏血氧饱和度传感器采 集脉搏血氧饱和度信号，并将采集得到脉搏信号经过放大滤波后送入DSP芯片中。在整个过程中，选取透射式脉搏血氧饱和度传感器作效果对比。其对比结果显示,自制的反射式传感器完全能够运用于信号的采集，而且在采集的位置优越于成品 的透射式传感器。其中DSP芯片通过内置10位ADC对脉搏信号进行转换，信号经 过AD转化后再进行去除基线漂移和工频干扰等预处理，并对预处理后的脉搏信号 进行显示和脉率信息提取。在本文实验中，被采集得到的脉搏信号通过滤波等预处理后经过样本熠对其 作睡意信息特征提取。睡意处理结果证明脉搏信号可以进行睡意检测，样本徜有 望作为睡意检测的一个客观性生理指标。这对睡意检测提供了新的思路方法。同 时该系统操作简单，检测效果较好，可为将来的睡意检测奠定良好的基础。关键词：反射式；脉搏；血氧饱和度；DSP；睡意反射式脓搏血乳饱和度检测与分析系统AbstractThe monitoring and analysis of pulse ox yg e n saturation has be e n wide ly use d in clinical g uardianship of critically ill patie nts,post ane sthe sia care and surg ical re cove ry of the sick,bre athing sle e p re se arch and community me dical care and othe r aspe cts.Howe ve r,due to the sing le place me nt of transmission ox yg e n saturation instrume nt,it is difficult to re alize e Se ctive monitoring of ox yg e n saturation on the human body from multiple site s(such as the fore he ad,che st,back,e tc.).The re fore,many re se arch institutions and re se arche rs be g an to study re fle ctive pulse ox yg e n saturation at the same time.Howe ve r,re lative to the transmission pulse ox yg e n saturation,the re port of the clinical monitoring data on the re fle ction pulse ox yg e n saturation le ss mature re fle ction se nsor has not ye t appe are d in the country.This article is base d on the diffusion transfe r the ory,the photoe le ctric re fle x se nsor is applie d for de te ction of pulse ox yg e n saturation,with TMS320VC5509ADSP de ve lopme nt platform,a Re fle ctance Ox yg e n Saturation De te ction Syste m was de ve lope d,and g ive s the formula for calculating the ox yg e n saturation.The de te cte d pulse sig nal also use d for sle e p fe ature e x traction.In te rms of hardware de vice s,due to the de sig n g oals of the de vice is a portable de sig n and human physiolog ical sig nals drowsine ss de te ction syste m,thus its powe r consumption,re liability and anti-jamming capability for the e quipme nt are the main conside rations,so we chose the DSP chip as a syste m control chip.Se le cte d DSP mode l TMS320VC5509A.The photoe le ctric pulse ox yg e n saturation se nsor se le ct a public production mode l in South Kore a alte rnating SEL660905-660nm wave le ng th and 940nm wave le ng th lig ht-e mitting diode mode l for the photoe le ctric SDL45-2 photodiode s made of re fle ctive pulse ox yg e n saturation se nsor acquisition of pulse ox yg e n saturation sig nal acquisition and the pulse sig nal by amplifying and filte ring into the DSP chip.Throug hout the proce ss,the re sult colle cte d by this syste m is compare d with the se nor of transmission pulse ox yg e n saturation which was produce d in Be ijing.The re sults showe d that the home made re fle ctive se nsor could be use d in sig nal acquisition,and acquisition be tte r position than the companys transmission se nsor.DSP chip to conve rt the pulse sig nal throug h the built-in 1 O-bit ADC,afte r the AD conve rsion we re move the base line drift and fre que ncy inte rfe re nce,the de-noise d pulse sig nal is displaye d and the pulse rate is e x tracte d.This pape r se le cts the DSP chip to pre pare for the ne x t portable syste m.硕士学位论文In this pape r we colle cte d the sample e ntropy of pulse sig nal in waking and drowsine ss state s afte r re moving the noise,the prog ram of sample e ntropy is writte n in MATLAB on a PC.The e x pe rime nts show that the sample e ntropy of pulse sig nal can be use d as obje ctive physiolog ical indicators of drowsine ss de te ction.This provide s a ne w me thod for drowsine ss de te ction.The syste m is e asy to carry,e asy to ope rate,be tte r,can lay a g ood foundation for drowsine ss de te ction for the future.Keywords:reflective；pulse；oxygen saturation；DSP；drowsinessill反射式脉搏血低饱和度检测与分析系统插图索引图1.1反射式传感器与投射式传感器.4图2.1脉搏结构示意图.7图2.2传感器结构示意图.9图3.1系统的总体结构图.13图3.2光电式脉搏传感器结构框图.13图3.3组织对光照的吸收曲线.14图3.4脉搏信号采集电路.15图3.5传感器驱动电路.16图3.6驱动电路分频波形图.16图3.7传感器接口示意图.17图3.8光电转换电路.17图3.9信号同步解调放大电路.19图3.10后级滤波放大电路.20图3.11线性检波电路.21图3.12一阶有源滤波电路.21图3.13二阶有源滤波电路.21图3.14透射式脉搏血氧饱和度探头.24图3.15采用专业的透射式传感器采集的原始信号.24图3.16采用自制的反射式传感器采集的原始信号.25图3.17采用专业透射式的透射式传感器采集的血氧饱和度数据.25图3.18自制的反射式传感器采集的血氧饱和度数据.25图4.1片外扩展存储器与DSP的连接示意图.27图4.2数据存储器扩展示意图.28图4.3 LCD与DSP连接示意图.29图4.4 DSP键盘扩展示意图.30图4.5报警模块扩展示意图.31图4.6系统控制初始化子程序.32图4.7 I/O 口初始化子程序.33图4.8打开LCD子流程图.33图4.9 LCD显示器左侧屏置零子程序流程图.34图4.10冒号显示子程序.34图4.11初始化外部中断子程序流程图.34图4.12装填向量表子程序流程图.35IV硕I:学位论文图4.13初始化A/D转换子程序.35图4.14EPWM3单元初始化子程序流程图.35图4.15初始化CPU定时子程序.36图4.16初始化定时器周期子程序.37图4.17字符显示子程序流程图.38图4.18报警子程序.38图4.19 A/D转换中断子程序.39图4.20 F IR滤波子程序流程图.40图4.21脉搏信号F IR滤波前后的波形图.41图4.22求脉率子程序流程图.42图4.23 LCD显示器显示的脉率结果.43图5.1混合信号mix(0.1)和mix(0.9)的25个采样点信号.46图5.2(a)(b)两种混合信号随r变化的ApEn和SampEn值.46图5.3某一被试者两种状态下的脉搏信号样本嫡分析.49反射式脉搏血气饱和度检测9分析系统附表索引表4.1 c55x与c54x的比较.26表5.1脉搏信号在清醒状态和睡意状态下的样本嫡值变化.48VI硕上学位论文第1章绪论1.1 技术背景及研究意义近些年来各种各样的人体生理信号监护仪已成为医院的常用设备。由于经济 发展、家庭生活水平的提高以及人口老龄化加速和各种心血管疾病突发上升等因 素，病人的监护需求量大大提高。相应地此类设备的需求也越来越来广泛川。通常 说来。此类监护仪器包含各种物理模块的传感器以及大型计算机系统软件构成。通过相应的传感器采集到生理信号，将采集到的生理信号变成电信号，再经过相 关前置放大滤波AD转换等处理后发送给计算机显示结果、管理和存储。此类大 型监护仪器可以实现实时、连续、长时间监护病人一些重要生理信号，具有重要 的实际意义。目前，此类监护设备采集的生理信号不断加增，由以往的针对单一 信号参数逐步发展成为多参数实时采集，采集的信号包括心电、血氧饱和度、脉 搏、脑电、体温、血压、呼吸，肌电等等信号。其功能也在不断强大，运用也越 来越来广泛。但是，此类仪器也有其极大的局限，比如体积庞大、不变携带和价 格昂贵，另外使用起来需要很多的专业知识，不容易在短时间内熟练掌握，因而 这些设备只能在医院里面使用。目前，医疗监护仪基本上分成两类：一类是指的医生和专业人员使用的专用 仪器。该仪器对病人进行生理信号各方面的检测；另一类是指在普通人员的家庭 或者户外情况下，通过医生的帮助指导，由病人自身或者及其监护人使用医疗监 护系统对其检测，并将得到的信息通过一些通信设备及时传给相关医生【划。就目 前医院使用的检测方法，基本上都是使用固定的监护医疗仪器，连接设备传感器 探头在病人与设备之间进行生理信号参数的采集。复杂的设备和操作以及众多的 连线会造成病人心里上很大的压力和情绪上的紧张，容易影响病人的身体状况。同时也不能十分确保所得到的数据的真实性，给医务人员和病人带来不必要的麻 烦，而且会影响病情的正常诊断。为了使常常需要检测生理信号的人员(比如老 年患者和慢性病人等)能够在家中和户外随意运动状态下进行测量，目前国际上 对远程医疗越来越来重视。本文研制出一种实时性的监护装置系统，以实现实时 采集和处理监护人的脉搏血氧饱和度信号，为远程医疗提供很好的基础，也可以 帮助病人及时了解自己的身体状况。该装置方便携带，使用简单方便。具有较大 的实际价值。脉搏是人体重要的动力学信号。它能反映出人体心脏与血液循环系统的生理变化。因此从脉搏波信号中能够提取多种和有关心脏心血管相关的生理病理信息。在临床身体 健康观察与诊断中非常重要。在古代中国就有“问病以知其外,察脉以知其内”的说法。察 脉即为脉诊，是我国传统医学中最有特色的诊断方法。它内容丰富而且历史悠久。也是 中医理论系统极为重要的组成部分。王淑和在脉经中，将众多的脉象名称总结为：浮、丸(kou)洪、滑、数、促、弦、紧、沉、伏、革、实、微、涩、细、软、弱、虚、反射式脉搏血M饱和度检洌与分析系统散、缓、迟、结、代、动二十四种，并且对每种脉象做出了详细的描述4句。在此理论 上，历代的医学者对脉象计算分析、归类整理、诊脉切脉等等方法都作了深入的研究。目前，脉搏检测被运用在许多的疾病与治疗中（特别是心血管疾病和心脏病等）、社区 健康保障（身体锻炼效果测定、一些特别职业的人次选拔等）、心里状态评估（心理素 质测定和测谎等）以及肌体状况诊断与治疗（无创血氧测定、机动车辆驾驶员疲劳检测 等等）等领域网。氧气是所有生命活动的物质基础，是提供人体新陈代谢的重要物质。血氧饱 和度是反映血液中氧气含量的最重要参数。人体血液是通过心脏的活动而流经肺 部。一定含量的还原血红蛋白和肺泡中的氧气结合就便成了氧和血红蛋白。约98%的氧气和血红蛋白结合成氧和血红蛋白进入血液组织。这些氧气通过动脉系统能 够一直到达毛细血管，然后将其中所携带的氧气释放，以维持细胞的新陈代谢。能否充分吸收氧气使动脉血液中融入足够的氧，对于维持生命是即为关键的。因 此及时地检测动脉中的氧气含量是否，又是判断人体呼吸系统和循环系统是否正 常，或者周围环境中的氧含量是否充足的一个重要指标。表示氧气含量状况的参 数主要有两种。一是血氧饱和度，另外就是动脉氧分压。血氧饱和度是血液中氧 和血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白的百分比。即为血液中氧气的浓度。一般用血液中氧合血红蛋白（Hb02）占总血红蛋白的百分比来表示，即：HbO2 HbO2+Hbx lOO%(1.1)光电容积法（PPG）是检测脉搏与血氧饱和度信号的一种有效方法，为医学临 床诊断提供了强有力的技术支持17-9】。但是传统单片机技术的数据处理速度，已不 能满足采集出来的信号的实时处理需要。因此，采用高处理速度的DSP作为脉搏信 号实时处理手段，势在必行。本文设计了一种基于TI公司TMS32OVC55O9ADSP的脉 搏监护系统，此系统体积小、成本低、实用性强叫山。1.2 内外研究现状脉搏血氧饱和度信号的检测方法有很多，对于传统的脉搏血氧饱和度检测方 法是用手诊脉，但因用手指诊脉难以避免带来个人主观因素，而且难以客观记录 和精确分析，因此极大地限制了它的运用和发展。采用专用的脉搏血氧饱和度传 感器测量脉搏血氧饱和度信号，可以客观地得到脉搏血氧饱和度信号的主要信息,很方便记录、存储和分析，而且对人体无伤害，使用方便不需要专业人员参与便 能得到结果。因而在实际中得到广泛的使用。按脉搏传感器分类，有应变式压力 传感器、光电容积传感器，电阻抗式容积传感器，压电晶体式压力传感器，水银 应变式容积传感器，密封式容积传感器。其中运用最多的是应变式压力脉搏传感 器和光电式容积脉搏传感器，特别是后面一种运用极为广泛。由于采用光电隔离 技术，减少了后级模拟电路的干扰。对于脉搏血氧传感器中的发光二极管采用红 硕I.学位论文光和红外光交替发光，稳定性好。就其传感器无论做成反射式还是透射式，在设 计上容减少外界光的干扰。遗憾的是目前国内外研发出来的脉搏血氧饱和度传感 器多数采用压力式的，就光电式来说也是透射式而不是反射式传感器。血氧饱和度的检测分为光化学和电化学两类，即无创和有创两种方法。以往 的有创血氧检测有两种方法。一是采集人体血液后用血气分析仪进行电化学分析 测出血氧饱和度值。这种方法需要对脉搏插管穿刺，对人体有伤害，过程复杂，分析周期长，费用高而且不能连续实时检测。虽然此方法测出来的值较为准确，但是除了一些需要准确测量血氧饱和度数据的场合之外（如产程中胎儿监护、深 低温停循环手术等）很少使用。另一种方式就是利用分光光度计检测动脉血液中 血样的光密度，并且在此基础上计算出血氧饱和度值。此方法仍然用于临床的准 确测量。该方法的原理是以双波长的Lambe rt.Be e r定律为依据，利用Hb和Hb02 的吸光系数随波长改变而改变的特征进行计算。因有创测量方法有上述诸多缺点，所以出现了无创方法获得血氧饱和度的努力尝试。利用氧合血红蛋白和还原血红 蛋白各自独特的光频谱吸收特性来测量人体血氧饱和度值的理论基础最早可以追 溯到19世纪，即著名的Lambe rt.Be e r定律的提出者。到目前为止，该理论仍作 为光化学血氧饱和度测量的理论基础【闻。1932年，Nicolai和Krame r两位学者设计出近似于现代使用的脉搏血氧饱和 度测量计。1935年，Matthe s设计了最早的双波长耳部血氧探头，实现了脉搏血 氧饱和度的检测。1942年，MilliKan运用一个加温的带有耳垂部位的脉搏血氧饱 和度测量仪，用于飞机上对飞行员的测量。1949年，Wood研制出脉搏血氧饱和 度仪，试图将耳垂的血液挤走后得到绝对零点来提高测量精度，但是对设备的 光源稳定性要求极高，每次测量极为复杂，因为没能得到推广。1964年。Shaw 设计了一种基于八波长的自身调整的耳部血氧仪，其优点是操作简单，从650nm 到1050nm的八个波长的光波。但是该设备体积过于庞大，结构复杂，易损坏而 且价格昂贵。到1972年，日本人Aoyag i用红光和红外光测量动脉血管可以直接 得出脉搏血氧饱和度的值。采用发光二极管大为减少血氧探头的体积。而且很 快投入到商业运用中。在1974年，日本青柳卓雄等人脉搏血氧饱和度计测试法 原理，因此第一胎脉搏血氧饱和度测量仪OLV5100诞生。到了 1982年，Ne llcor 开发出一种性能更优于OLV5100的脉搏血氧计N-100,并且形成了一套标准模 式。该模式利用发光二极管作为光源，以硅管作为光传感器，运用微型计算机 对信息进行处理，从而使的脉搏血氧饱和度测量仪进入新时代。到了 90年代以 后，各种基于双波长的血氧计不断被研发设计出来。脉搏血氧测量仪器已经在 临床上得了广泛的使用，早已成为一种不可或缺的诊断设备e刘。作为一种能够实现连续、无创、实时采集血氧饱和度数据的医疗仪器，脉搏 血氧测量仪按其所使用的传感器采集方式不同还可以分成透射式与反射式两种类 型。透射式和反射式传感器的结构示意图及其运用如图1.3所示。（上部分为 反射式结构示意图，对应用于脑血氧饱和度的运用图，下部分为透射式结构示意3反射式脉搏血氧饱和度检冽与分析系统图及其运用图）。透射式血弱饱和度仪多用于成人或新生儿的血氧饱和度监护。目 前已成为较成熟的的手段。它在临床与社区保健场合以及部分户外活动都有这广 泛的运用。但是由于使用时受到传感器位置的限制，在一些临床中无法运用。对 于反射式传感去就没有如此的限制，因此在某些部位有更广阔的运用前景，如脑 血氧监护仪，胎儿血氧监护仪等等啰-划。发 图1.1反射式传感器与透射式传感器进入90年代以后，MoCormick利用了反射光谱及其独特的深浅双光路对比技 术检测传感器设计以完成了可实用化的脑血氧测量装置的设计。在后来，有关反 射式血氧计的报告是Me nde lson等人在2002年描述的一种多波长与特别传感器结 构的反射式血氧计。到目前，红外光谱发和近红外光谱法也用于运动医学。相关 技术对于肌肉血氧的检测也有一定的效果。总的来说，目前关于反射式脉搏血氧 计临床监测数据的报告比较少，在国内还没有出现成熟的反射式传感器成品。因 此对于反射式传感器来说，无论对传感器的设计和软硬件结构，以及测量方法等 方面均值得深入探索叫目前，在国内外生产的血氧计主要有：Ne llcor、Masimo、外生BCI、和philips 等。Ne llcor是一家研究与制造血氧饱和度测量仪器以及血氧探头研究的老牌公司 采用的主要是传统血氧技术。Masimo的血氧饱和度测量法技术是血氧饱和度测量 行业的“金标准”，因为它具有别的公司很难超越的精确，即使是在其它技术失效 时仍然能显示出精准的效果I36LBCI公司生产的血氧饱和度测量模块与血氧探头在 国际上一直处于领先，国内许多研究机构都以BCI产品作为参考标准来定标血氧 仪。CSI发明了世界上了第一台便携式电池型血氧监护仪，其后该公司在监护领域 内持续遥遥领先于其他公司。PhiliPs公司是一家大型医疗器械公司，该公司收购 了 HP的血氧饱和度测量模块，其指套式探头技术领先世界各公司和科研单位。国内也有许多厂家和科研单位从事血氧饱和度仪的研究与开发，如深圳迈瑞生物 医疗电子股份有限公司，华中理工大学的血氧饱和度血氧多波长测量方法及其血 4硕七学位论文氧饱和度血氧饱和度监护仪，力新仪器（上海）有限公司，北京惠普生物医学工程 公司的血氧饱和度探测接头等，北京奥博光电技术有限公司的反射式血氧饱和度 监测仪等等卬则。目前在国内市场上多数此类的脉搏血氧仪还是指套式，采用的透射式脉搏血 氧仪，这类的装置在实际的测量中受具体的位置限制而无法方便的起到测量作用，且被测量者在测量时很难同时进行其他的工作，因此使得透射式脉搏血氧仪急需 改进叫1.3 睡意检测睡眠不良导致的综合作业能力下降在近年来已被公认为造成飞行事故的重要 人为因素之一。睡眠是身心状况的重要窗口，良好的睡眠质量也是日常作业能力的 重要保证。疲劳是因人们长时间工作导致工作能力暂时下降的规律性生理现象。在疲劳产生的初期，由于人的意志力量，还能够强迫自己按原有意图进行操作，但是工作状态会受到很大的影响。特别是在一些特殊的工作领域如航空航天、运 输和一些特殊工作场合如电力钢铁行业的操作等，如果飞行员、驾驶员或操作工 人出现了疲劳甚至瞌睡的状态时，那么人们的生命安全及其财产安全都会受到严 重的威胁。然而疲劳现象的产生又是难以避免的，若飞行员、驾驶员和操作人员 一直处在单纯重复的工作状态或者进行长时间的工作都会导致出现疲劳与睡意。为此，对疲劳和睡意进行检测可以提前做好准备，轻度疲劳可以通过外在的一些 刺激来减缓；如果是处于睡意的状态，最好停止作业，进行适当的休息【用。睡意检测是指能够通过某种手段对被检测对象是否处于睡眠状态做出判断，能够在正确判断的基础上进行警告和提醒功能的系统即睡意检测系统。正因以上 原因，睡意检测在许多领域都有着重要的理论和实际意义，特别是在安防领域有 特殊的应用，在人性化管理和人性化工作环境也得到广泛认可和发展。例如医院 环境，住院患者需要更多的人性化关怀。虽然有护士医生以及亲属朋友的悉心照 顾，但是对于那些长期卧病在床的患者来说，生活中仍旧不便，如睡觉前的关灯 等生活小事。因此如果能对患者进行睡意检测，那么这些患者的生理需求就可以 周到的顾到，无论是对光线的调度还是温度湿度等等都可以进行控制忖川叱1.4 本课题主要研究内容鉴于传统透射式脉搏血氧计有诸多限制，以TMS320VC5509ADSP为开发平台，研制了一种反射式脉搏血氧饱和度的检测系统，并给出了该系统脉搏血氧饱和度 计算的公式。同时还运用检测出来的脉搏信号进行睡意特征提取。全文共分5章。首先在第一章对课题反射式脉搏血氧饱和度传感器的研究意义、目的、研究现状以及存在的问题进行的介绍。同时也对睡意检测和DSP进行了简介。第二章分别对脉搏信号和血氧饱和度信号性质，检测原理以及公式做了详细介绍。第三章主要是介绍装置的硬件系统设置，对反射式传感器以及其驱动电路，相关 5反射式脉搏血氧饱和度检测与分析系统的调理电路，电源模块都做了细致的说明。第四章是介绍了DSP及其软件部分。首 先对TMS320VC5509A做了简单介绍，其次是对CETEK-F 28335-A评估板外围硬件扩展 说明，对个子流程图逐个说明。第五章针对脉搏信号做了睡意特征提取。这一章 中，首先是对样本病进行了介绍，其次交代了脉搏信号的采集，最后介绍了使用 脉搏信号进行睡意检测的结果。最后部分对全文的工作进行总结并对进一步工作 进行改进和探索。6硕I:学位论文第2章脉搏血氧饱和度信号采集系统2.1 脉搏信号2.1.1 脉搏信号简介脉搏就是有节律的动脉搏动。它是由每一个心脏搏动周期中心室的收缩与舒 张引起动脉扩张和回缩，进而引发了主动脉根部的搏动波，该搏动波又沿着动脉 血管壁依次向全身各动脉血管传播。脉搏一般指动脉脉搏，用手指能够触摸感知 身体浅表部位的脉搏波动。一致认为，脉搏波是由心脏射血而引起的血管壁和血 液的震荡波。此震荡波开始产生是在主动脉根部，然后沿着动脉树进行快速向周 围血管传播，继而成为各个部分动脉脉搏的表现波动。动脉血管脉搏的具体形态 因描述部位的不同而有所不同。一个完整的槎动脉波周期包括四个组成部分（见图 2-2）o脉搏波是一个“天然”的信息库。因此针对人体脉搏信号进行定量检测分 析具有重要的意义120；工图2.1脉搏结构示意图由图2.1可以得出，升支部分是由心脏收缩时，心室向人体动脉血管射血，从而 导致动脉血压上升。引起动脉血管弹性扩张产生血管位移而至。降支部分是由于 心室射血后期，随着射血速率下降，流入动脉根部的血量低于外周流出的血量时。引起了动脉血管压力降低而成。升支部分和降支部分组成了脉搏信号波的幅值和 形态。它和动脉压力和心脏功能有着紧密的联系。因此通过对脉搏图形进行定量 检测和分析，我们可以获得一系列的重要生理状况信息。人体的脉搏信号具有低 频和微弱的特点，而对脉搏信号的记录有来自活体，所以会随着被检测者心里等 许多因素的印象而变化。这就造成我们对其客观检测与分析时的难度。从时域上 分析，脉搏信号是明显的非平稳信号。其频率主要分布在0.5-25HZ之间，电压在 0.5mV左右囚）。7反射式脉搏血氧饱和度粒测。分析系统2.1.2 脉搏信号的测量原理据朗伯比尔(Lambe r Be e r)定律，物质在一定波长的吸光度是与浓度成正比。恒定波长的光照射人体组织时，光通过人体组织吸收后，反射衰减测量的光强度 将在一定程度上反映出被照射部位组织的结构特征。光电传感器具有反应速快、结构简单和可靠性高以及能实现无创测量等优点。该传感器的基本结构如图2.2所 示。光源产生光通量，光通量的参数被测量控制，再由光电器件接收转成电信号，经过信号处理后成为可用信号输出。这一“调制”技术用Lambe rt-be e r定律描述如下：/=/oe x p(-/?x cx z)(2.1)这里，入射光强度；/=反射光强度；C=物质的密度；Z=光路径长度；夕=物质的消光系数，对不同的物质来说，它的值是各不相同的。利用级数展开公式e x p(x)=1+x2/2!+x3/3!+.当xLO时，可有e x p(x)l+x因为夕x cx zyl,所以有I=I0(l-x cx z)(2.2)因为在我们这一特定情况下，夕和C均为常数，只有在随脉搏波变化，是时间t的函数，即I=I0z(t),脉搏波信号调制在了反射光信号上【划。2.2血氧饱和度2.2.1血氧饱和度信号简介氧是生命活动的重要物质基础。血氧饱和度值则是反映血液中氧气含量的重 要参数。人体的血液通过心脏收缩和舒张经过血管流过肺部时，一定量的还原血 红蛋白同肺泡中所摄取的氧气结合而成为氧合血红蛋白(Hb02).人体正常状况下，大约98%的还原血红蛋白会和氧气结合成为氧合血红蛋白(Hb02)进入身体各个组 织。这些氧气通过动脉血液循环系统能够到达毛细血管，然后招氧释放，从而维 持各组织的新陈代谢。因此能否充分地摄入相当量的氧气，使动脉血液中溶入足 够的氧，对生命维持是极为关键的。能够有效地检测动脉血液中氧含量是否充足，又成为判断血液循环系统，人体呼吸系统是否周围环境或是出现障碍否缺氧的重 要指标。8硕士学位论文2.2.2血氧饱和度检测原理无创动脉脉搏血氧饱和度信号的测量早在20世纪40年代初已经发展成为一 门技术，其原理包括血液容积描述和分光光度测量两部分。分光光度测量是根据 氧合血红蛋白(Sp02)和还原血红蛋白(Hb)的吸收特性不同而得出的血氧饱和度值。还原血红蛋白对660nm波长的红光吸收量较少，对940nm波长的红外光吸收量较 多；但是氧合血红蛋白(Sp02)对660nm波长的红光吸收量较少，对940nm波长的 红外光吸收量较多。因此以上两种特性，为血氧饱和度的测量提供了理论依据。另外组织中的其他成分，比如：静脉血、骨骼、皮肤、肌肉、等吸收光比是恒定 的，但是血液中氧和血红蛋白和还原血红蛋白对光的吸收是随着脉搏波周期性变 化而变化。心脏在收缩时，外周血容量最多，血液对光吸收量最大，检测出来的 光能量最小；而在心脏舒张是与之恰恰相反。血液对光吸收量的变化反映出血容 量的变化，因此只有动脉的血容量才能得出变化的光照强度，这就是血液容积原 理。根据以上原理脉搏式的血氧饱和度测量技术作为实时、连续、无创的测量方 法。按照其原理所使用的采集方式的不同，传感器可以分为透射式传感器和反射 式传感器两种。透射式传感器和反射式传感器的结构示意图如图2.2所示。图2.2传感器结构示意图透射式血氧饱和度传感器主要用于成人的血氧监护。该技术目前已成为较成 熟的血氧测量手段，在家庭保健和临床上有着广泛的运用。然而由于传感器的使 用显著，对于像成人脑电血氧信号和胎儿血氧检测中便无法使用。反射式则不受 这些方面的限制，在任何场合中适合使用，而且在某些场合有更为有利的前景。因此本文采用的是反射式脉搏血氧饱和度测量的方法。根据Lambe rt-Be e r定律，利用光通过一段已知路径L后的衰减可以定量描 述吸光物质浓度C及吸收系数。：1,I”a.=In-=cCL 7o(2.3)其中，e为吸光系数；C为吸光物质浓度；1。和1分别为入射光与检测到的光照 强度；u。为吸收系数，即光子在单位路径以内被吸收的概率。根据上述扩散传输 理论得到组织或者浑浊介质位置r处时间t时的通用光子扩散方程为：9反射式脉搏血乳饱和度检测q分析系统一DV2(r,/)+夕亿。=S(r,t)(2.4)其中由(r,t)为(r。t)点的光密度，p为光的吸收系数，S(r,t)为光源量，C为光速(常 数)，D为扩散系数，是在宏观上反映生物组织漫反射特性的一个基本特性参数