亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于弱灌注組織的脈搏采集系統(tǒng)研究

        2021-04-21 12:42李春麗朱健銘陳真誠
        現(xiàn)代電子技術(shù) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:基線漂移脈搏血氧

        李春麗,朱健銘,陳真誠

        (1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.桂林電子科技大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,廣西 桂林 541004)

        0 引 言

        氧是細(xì)胞生命活動的基礎(chǔ),血氧飽和度是反映血液含氧量的重要參數(shù)[1]。臨床上常用無創(chuàng)監(jiān)測動脈血氧飽和度儀連續(xù)監(jiān)測血氧飽和度,該儀器稱為血氧計。隨著脈搏血氧計技術(shù)的發(fā)展,人們對這種測量血氧飽和度的儀器性能要求逐步提高,特別是作為限制血氧計發(fā)展之一的低灌注條件。低灌注條件下,脈搏波信號幅值大幅衰減且信噪比極低,如何實現(xiàn)在該條件下準(zhǔn)確進(jìn)行血氧飽和度及其他參數(shù)的計算,是改進(jìn)脈搏血氧計的一個重要方向。有些研究人員通過改進(jìn)傳感器設(shè)計、改進(jìn)電路的抗干擾能力、通過對比各種數(shù)字信號處理等方法優(yōu)化脈搏波信號進(jìn)行弱灌注的研究,嘗試從噪聲干擾極強的信號中提取出有用的脈搏波信號,進(jìn)而實現(xiàn)參數(shù)的計算,如Masimo 公司應(yīng)用的DST 算法;Yang Yong?shen 等提出的MCDST 算法等。

        國內(nèi)關(guān)于弱灌注方面的研究較少,應(yīng)用于實際測量的有邁瑞公司Zhang Xu 等提出的區(qū)域積分法;廣州醫(yī)學(xué)院的周洪建等通過三波長探頭以及構(gòu)造自適應(yīng)濾波器來改進(jìn)信號質(zhì)量;張昕等采用了自適應(yīng)AR 模型,使得微分閾值法對脈搏波的正確檢出率大大提高[2];Fu Xiuquan 等通過LED 光的動態(tài)可變光量檢測方法,更有效地檢測到PPG 的波形[3],并用于麻醉手術(shù)臨床研究。

        國產(chǎn)的血氧飽和度測量儀器基本無法在弱灌注條件下實現(xiàn)精確測量,極大地限制儀器的使用。因此開發(fā)一種能在弱灌注組織部位以及正常灌注水平時,準(zhǔn)確、穩(wěn)定地采集脈搏波信號的系統(tǒng),對于計算血氧飽和度及開發(fā)基于脈搏波的便攜式生理參數(shù)監(jiān)測儀具有很高的應(yīng)用價值。

        1 整體設(shè)計

        1.1 設(shè)計方案

        本文系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示,主要包括微處理器(Microcontroller Unit,MCU)、LED 驅(qū)動器、反射型光電傳感器、信號調(diào)理電路和OLED 顯示。本文系統(tǒng)采用雙波長反射式脈搏傳感器實現(xiàn)信號采集功能,信號調(diào)理部分對脈搏波信號進(jìn)行初步處理,微處理器對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理,最后在顯示屏OLED 上將脈搏波圖顯示出來。

        圖1 系統(tǒng)框圖

        1.2 脈搏波采集原理

        血氧飽和度指的是紅細(xì)胞蛋白的相對氧含量[4]。血液中血紅蛋白的成分主要為氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白[5],氧氣與血液紅細(xì)胞中的血紅蛋白結(jié)合成氧合血紅蛋白[6]。醫(yī)學(xué)臨床實驗表明,氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白在紅光和紅外光區(qū)(600~1 000 nm)有獨特的吸收光譜[7],氧合血紅蛋白對波長940 nm 的紅外光吸收較多,而還原血紅蛋白對波長660 nm 的紅光吸收較多[6]。

        PPG 信號獲取原理圖如圖2 所示,當(dāng)某一特定波長發(fā)射管光束照射到手腕橈動脈皮膚表面時,肌肉、皮膚、骨骼、脂肪、水、靜脈血等對光的吸收量是恒定不變的[8],血液的容積由于心臟的收縮與舒張,呈現(xiàn)周期性的變化,因此在接收端光強的變化能反映脈搏血流的變化[9]。將檢測到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號,即可得到周期性變化的光電容積脈搏波(Photoplethysmography,PPG)。

        圖2 PPG 信號獲取原理圖

        2 硬件設(shè)計

        脈搏波信號是一種低頻、微弱的生理信號[10],極易淹沒在各種噪聲中,所以硬件設(shè)計時需要充分考慮電路及器件的抗干擾能力。

        2.1 傳感器模塊

        傳感器模塊包含LED 驅(qū)動器與反射型光電傳感器。本文系統(tǒng)選用芯科科技生產(chǎn)的SI1143 芯片作為LED 驅(qū)動器,如圖3 所示,該芯片有3 個獨立的LED 驅(qū)動器,1 個內(nèi)置LED,2 個外設(shè)LED。可以根據(jù)系統(tǒng)不同的測量需求,設(shè)置不同的光強梯度,最大電流可設(shè)置為360 mA。該芯片還具有低功耗模式,系統(tǒng)進(jìn)入休眠時,待機(jī)電流小于500 nA;使用I2C 通信方式與MCU 進(jìn)行通信,MCU 可以通過預(yù)設(shè)頻率,實現(xiàn)紅外光、紅光的交替測量。

        圖3 LED 驅(qū)動器

        弱灌注情況下,檢測到的有效脈搏波信號幾乎被噪聲信號淹沒,為取得質(zhì)量較好的脈搏波信號,本文系統(tǒng)將傳感器2 個不同波長的LED 分別放置在光電二極管(Photodiode,PD)兩側(cè),將940 nm 的LED 安裝在與PD 距 離2.85 mm 處,660 nm 的LED 安 裝 在 與PD 距 離2.35 mm 處[11],傳感器封裝時盡量避免自然光進(jìn)入。采集信號時,將封裝好的傳感器放置在人體左手手腕,尺骨頭部的中心[12],緊貼皮膚,按照預(yù)設(shè)的200 Hz 采樣頻率,實現(xiàn)2 個LED 的交替點亮。

        2.2 信號處理模塊

        信號處理模塊主要包括光電二極管以及跨組放大部分,跨組放大電路如圖4 所示??缃M放大部分使用TI公司的LMH6629 放大器,該芯片具有高速、超低噪聲特性;其工作電壓可低至2.7 V,滿足低功耗系統(tǒng)要求;低壓工作時信號低失真和超低DC 誤差。LED 發(fā)射的光進(jìn)入手腕皮下組織,一部分被吸收,未吸收部分經(jīng)反射回來,被光電二極管接收。光信號在接收管作用下轉(zhuǎn)換為電流信號,電流信號經(jīng)過跨組放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號并進(jìn)行初步放大。這個電信號就是脈搏波的原始信號,包含交流分量和直流分量[1]。

        圖4 跨組放大電路

        2.3 微處理器模塊

        微處理器采用TI 公司生產(chǎn)的MSP430FR2475 單片機(jī)。該單片機(jī)是TI 公司推出的超低功耗混合信號16 位單片機(jī)的一種,它采用RISE 精簡指令,片內(nèi)含有硬件乘法器,大大節(jié)省了運算時間,高達(dá)12 通道12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,具有3 個內(nèi)部共享基準(zhǔn)電壓。設(shè)計時,單片機(jī)外接16 MHz 的晶振作為外部時鐘,保證I2C 正常、快速通信狀態(tài)下,將I/O 口P3.6、P3.2 模擬為I2C 接口,分別連接LED 驅(qū)動器的SDL、SCL 接口,達(dá)到控制的目的。使用具有12 位A/D 功能接口的P2.6,采集從跨組放大器出來的電壓信號,信號進(jìn)入微處理器后,進(jìn)行數(shù)據(jù)算法濾波、信號還原等處理。

        2.4 供電模塊

        根據(jù)各個芯片電壓使用范圍,結(jié)合系統(tǒng)低功耗要求,本文系統(tǒng)采取3.3 V 的供電電壓,圖5 為電壓轉(zhuǎn)換電路。考慮其便攜性,使用Micro USB 作為5 V 電源接入口。電壓轉(zhuǎn)換部分則采用立锜科技的RT9139 轉(zhuǎn)換芯片,該電源芯片輸出電壓為3.3 V,電流為300 mA。并且該芯片具有超低噪聲、高輸出精度、超快速響應(yīng)、限流保護(hù)、熱關(guān)機(jī)保護(hù)等特性,適用于便攜設(shè)備。轉(zhuǎn)換芯片將5 V 電源轉(zhuǎn)換為3.3 V,電源主要由充電寶提供,也可以使用電腦等設(shè)備提供。

        圖5 電壓轉(zhuǎn)換電路

        2.5 顯示模塊

        OLED 顯示屏幕具有分辨率高、可視角度大、功耗低、反應(yīng)速度快、體積小等特點,比之LCD 更適合小系統(tǒng)。本文系統(tǒng)采用供電范圍為2.2~5.5 V 的0.96 英寸OLED 顯示屏,使用I2C 通信協(xié)議,其構(gòu)造簡單,尺寸如圖6 所示。MCU 將信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆LED,最后顯示脈搏波信號。

        圖6 OLED 顯示屏

        3 算法研究

        經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路的信號,含有大量的干擾成分,主要有基線漂移、工頻干擾、環(huán)境噪聲等?;€漂移主要是由運動或者呼吸引起的,工頻干擾是50 Hz 的白噪聲干擾,還有部分的光線干擾[13]。脈搏波預(yù)處理主要是濾除采樣信號的干擾噪聲信號,本文系統(tǒng)主要考慮軟件濾波,用算法將數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。

        脈搏波基線漂移的頻率較低,一般在0.2~0.3 Hz,與脈搏波的低頻信號譜容易發(fā)生混疊[14]。平滑先驗法是一種基于正則化原則的去非線性趨勢的方法[15],在處理脈搏波基線漂移問題上,具有算法簡單、計算量小、處理時間短[16]等優(yōu)點,可以應(yīng)用到可穿戴設(shè)備的實時監(jiān)測中。

        平滑先驗法基本原理如下:

        假設(shè)原始脈搏波序列Z包含兩部分:

        式中:X為有效信號;N為漂移信號。其中,基線漂移信號N可以由式(2)擬合得到:

        式中:H∈RA×B為觀測矩陣,A為數(shù)據(jù)長度;θ∈RB為回歸參數(shù);v是觀測誤差。平滑先驗法常通過正則化最小二乘法準(zhǔn)則確定估計參數(shù)θ,得到最優(yōu)估計為:

        式 中:I∈RA×A;D2∈R(A-2)×A為 二 階 微 分 矩 陣;L=相當(dāng)于一個離散時間序列的高通濾波器。確定參數(shù)后利用式(3)得到趨勢項。

        本文系統(tǒng)中設(shè)置的脈搏波信號采樣頻率為200 Hz,因此取λ=2 500,則對應(yīng)截止頻率為200×0.002 5=0.5 Hz,基本上可以有效去除脈搏波信號中低于0.5 Hz以下的基線漂移信號[16]。

        4 結(jié) 論

        本文提出一種反射式測量法采集弱灌注部位脈搏波信號的系統(tǒng),從硬件設(shè)計、算法兩方面考慮,完成了系統(tǒng)的開發(fā),并且完成了弱灌注部位手腕脈搏波信號的采集。同時,進(jìn)行灌注水平正常條件下指尖部位脈搏波信號的采集,以及一定的實驗測試,驗證了該方案的可行性,為后續(xù)便攜式血氧飽和度檢測儀的開發(fā)等其他基于脈搏波信號的生理參數(shù)檢測提供重要依據(jù)。

        猜你喜歡
        基線漂移脈搏血氧
        提升氣相色譜儀檢定水平的經(jīng)驗研究
        用心感受狗狗的脈搏
        智能血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
        《今日評說》評今日浙江 說時代脈搏
        心電信號中基線漂移的去除方法比較及算法實現(xiàn)
        基于51系列單片機(jī)的穿戴式脈搏儀的設(shè)計
        基于STM32血氧心率檢測儀的研制
        基于空域追蹤算法的基線漂移信號噪聲修正*
        近紅外可穿戴設(shè)備中脈搏波的呼吸率檢測
        基于血氧模擬前端AFE4490的無創(chuàng)血氧測量模塊設(shè)計
        亚洲中出视频| 国产免费又色又爽粗视频| 日日麻批免费40分钟无码| 久久婷婷五月综合97色一本一本 | 李白姓白白又白类似的套路| 久久熟妇少妇亚洲精品| 午夜精品射精入后重之免费观看 | 国产成人精品999在线观看| 欧美激情五月| 亚洲性码不卡视频在线| 国产一区二区三区男人吃奶| 在线播放国产自拍av| 国产免费一区二区三区免费视频| 一本色道久久99一综合| 免费可以在线看A∨网站| 国产三级精品三级在线观看粤语 | 吃奶摸下的激烈视频| 99久久这里只精品国产免费| 丝袜美腿亚洲综合在线播放| 成人女同av在线观看网站| 99久久超碰中文字幕伊人| 久久精品一区二区三区av| 久草国产视频| 色妞一区二区三区免费视频| 日本免费在线一区二区三区| 狠狠躁天天躁中文字幕| 国语对白做受xxxxx在线中国| 欧美日韩性高爱潮视频| 国产高清一区二区三区视频| 亚洲精品在线视频一区二区| 亚洲爆乳精品无码一区二区三区| 草草久久久无码国产专区| 日韩欧美国产亚洲中文| 日本黑人人妻一区二区水多多| 亚洲av综合色一区二区| 日韩av无码一区二区三区不卡| 亚洲av成人无码网站…| 亚洲区偷拍自拍29p| 国产一区二区三区特区| 精品福利一区二区三区免费视频| 好日子在线观看视频大全免费动漫|