生命变体中脉搏血氧饱和度的提取

生命变体中脉搏血氧饱和度的提取

1急救时,检测总电气溶胶监测人类疾病和自然损害给人类生存带来了巨大的损害。及时、准确诊断是救治受害者,避免二次伤害的关键。而脉搏和血氧饱和度反映了人体的重要生理状态,标志着基本的生命体征。特别对于昏迷、麻醉的受害者,只有依靠连续的脉搏和血氧饱和度检测来监控受害者的体征状况,进行诊断并给予有效救治。现今应用在临床的脉搏血氧饱和仪都是集中式控制,设备体积大,使用不方便。在野外、危险区域,医生不便携带这些设备,影响受害者得到及时救治,甚至造成二次伤害。另外,随着人类生活质量的提高,健康成为人类生活中最重要的追求,脉搏和血氧饱和度信号可以帮助人们实时察看自身健康状况。特别对于运动员,更希望在运动中突破自己生理极限,取得更好成绩。论文研究的目的开发一种低功耗、便携式装置,完全适合于野外、危险区域和健康人自行监测的应用。本文详细介绍了基于FPGA设计的检测主动脉脉搏血氧饱和度的系统方案,主要描述了应用脉搏血氧饱和度技术于连续监测脉搏和血氧饱和度信号监测的开发方法。结果表明仅仅通过传感器与人的皮肤接触,就能实时检测到脉搏血氧饱和度信号。2血氧饱和度信号检测电路sdc脉搏血氧饱和度检测技术主要依据两个物理理论。第一、关于光吸收的朗伯-比尔定律是基础。红光和红外光源发光经过人体组织,科学研究表明动脉血中的氧和血红蛋白和脱氧血红蛋白在这两个波段上的吸收度有很大差别。第二、生物组织是一种高散射媒介,发射光进入皮肤,被组织反射、散射和吸收后,光电检测产生两组信号(AC信号和DC信号),也称为PPG(Photoplethysmography)信号。(AC)信号随着血液的脉动而变化;直流(DC)信号值比较大,这部分是发光端发射光经过组织没有被吸收、反射或散射而达到接收端的部分。接收端采集到的信号通过带通滤波器,仅留下AC信号,去除DC信号和工频干扰。此修正后的AC信号不再随着发射光强的增大而变化,它只与生物组织的吸收,以及在组织内动脉血中的光程变化相关。脉搏血氧饱和度技术正是应用测量组织对红光和红外光的吸收率来推算动脉血氧饱和度,并通过脉搏的变化来区分动脉血和其它组织(皮肤、骨、静脉血等)的吸收度。动脉血氧饱和度信号可以采用朗伯-比尔定律的连续方程求解,详细推导在很多文献中都得到描述。现今,人们已通过大量自愿者的医学实验结果总结出接收到红光和红外光的交流部分与支流部分的比值与血氧饱和度呈线性关系。如式(1):基于以上检测技术实现脉搏和血氧饱和度信号监测电路必须首先将采集到的光电流分量并进行数字化,再发送到数字处理芯片(本文采用FPGA)中进行数字信号处理和控制设计。DDC112芯片包括了电流-电压转换器,连续积分器并具有可编程的采样范围,20位模数转换器和数字滤波等功能,可以获得精确的结果。由于这些功能集成在单芯片内部,有利于噪声的处理。DDC112可测量电流变化范围从20PA～750MA,最小精度:0.02PA。设计上还可以直接与光电二极管相连,为光电信号的处理提供了方便。而PPG信号电流强度范围正在DDC112可测量范围内。本文通过软、硬件设计与实验,提供了一种基于FPGA设计,应用DDC112在脉搏血氧饱和度信号采集装置的方案。3基于fpga的电流信号采集整个脉搏血氧饱和度装置系统,主要是以FPGA作为硬件核心,再加上前端的模拟信号采集电路和后端的数据通讯电路组成。前端的模拟信号处理电路有三个独立的电路组成,一个是传感器电路,本文采用广泛应用于临床的Nellcor传感器;另一个是采用TLC5620控制红光和红外光的发光强度和频率;最后是基于DDC112的电流信号采集电路,实现对光电流进行电流电压转换和模数转换,再送到FPGA器件。DDC112芯片是一种双端输入,20位电流信号模数转换器,其采样频率最高可达2kHz,分时复用一个ADC结构,这样红光和红外两个模拟信号通道可以在一片DDC112中实现实时数据采集,设计中采样频率设置为1KHz,完成模数转换后分时发送到FPGA,并分别存储到红光信号存储器和红外信号存储器。在FPGA中完成对实时数据进行处理和显示。后端的数据通讯电路主要由UART电路组成,通过计算机串口将采集到的数据发送到PC机,文中通过计算采用波特率为57600bps实现实时接收。3.1led管控制器Nellcor传感器中有两个LED(红光和红外光)。这两个LED采用背靠背设计,H桥电路用于开关LED管。发光强度由TLC5620芯片控制,这是一个8位电压输出数模转换器,串行数字信号输入,4路模拟电压输出信号。应用其中两路电压输出控制LED管的开关和发光强度。3.2uart芯片数据采集DDC112电路用于采集弱电流信号,针对PPG信号大致在几十微安条件,文中采用range=1模式设置DDC112,FPGA器件用于选择红光或红外通道作为信号输入通道,并通过与DDC112接口控制模块完成采集通道数据,分类存储。应用VerilogHDL开发UART接口,发送采集到的光电信号数字化后数据到PC机。文中采用500Hz采样频率分别采集红光信号和红外信号,因此DDC112芯片采样频率:1KHz。每个采样点20位,按照UART协议,一位起始位、8位数据、一位停止位的格式,所以完成发送一个采样点至少要发送3个UART协议数据,共30位。由此采用UART接口的波特率:57600,完全满足与DDC112芯片的同步设计和实现实时信号采集系统。3.3在ade信号采集模块的设计中实现动态控制策略这部分电路主要采用FPGA芯片实现。本设计采用Altera公司低功耗Cyclone系列产品EP1C6实现发光控制、实时数据采集、传输数据等功能,在本设计中,采用层次化设计,基于VerilogHDL语言实现。核心模块设计如下:1)TLC5620控制模块,采用只读存储器存储要发送的波形数据,根据TI公司提供芯片资料,得到输出电压,与输入数值之间的关系如式(2):其中,CODE:8位数值;VREF:参考电压3.5V;RNG=0。在只读存储器中存储一个周期的信号,利用计数器控制存储器的读取时间并发送到TLC5620,完成控制信号幅值和频率的设计。最后分别加在Nellcor的7、8脚上实现对红光和红外光的强度、频率的控制。结果如图1所示。2)以EP1C6为核心,实现对DDC112的逻辑和时序控制功能的控制。DDC112设置在连续工作模式,从图2中可以看出,在数据采集过程中,当CONV信号变化时,积分电路开始工作。经过数据准备时间t27(典型值421.2微妙)以后,模数转换完成,DVALID信号输出低电平脉冲,设计中通过监测DVALID信号上升沿来判断是否可以接收转换后的数据,同时产生DXMIT低电平和DCLK数据时钟信号,就可以开始读取数据了,每个DCLK上升沿读取一个DOUT数据。在全部数据读完后,经过时间t28(最小值10微秒),CONV信号又发生跳边,开始下一次的积分,数据转换和发送的循环。3)数据的传输由EP1C6完成,由于模数转换后一个采样点得到20位数值,发送中先将数据高位补4个零,组成24位数据,在分为8位。采用UART接口协议分三次将一个采样点数据发送到PC机,由上面分析,采用波特率:57600bps。另外在整个设计中,模块之间的同步非常重要。如对红光和红外光信号的分离,设计中应用同步时钟信号在多路选择器上,完成一路混合信号到二信号转换。4matlab程序Matlab不仅提供了功能强大的各种信号处理函数,可以实现对信号的频谱分析和各种滤波器设计,而且还支持面向对象技术,对计算机串口操作进行简化。因此,软件上使用MatlabR2006开发平台编程实现PC机串口和EP1C6的通讯控制,达到实时数据采集、传输和显示结果的自动化。Matlab串口编程,采用Serial函数创建串口对象。串口对象有很多属性,通过定义串口对象属性,从而设定串口的传输波特率、传输位数、奇偶校验类型、停止位、缓冲区宽度等等。要通过串口传输数据,还必须先用fopen函数打开串口对象。数据传输结束后要用fclose函数关闭串口。下面是设计中对串口的设置:数据处理中,设计一个低通滤波器,并采用前面介绍的血氧饱和度技术计算出血氧饱和度。实验结果如下图3,上图为红外光信号,下图为红光信号。计算得到脉搏:72次/分。血氧饱和度:96。血氧饱和度表征血液中氧和血红蛋白的含量,使人体重要生理信号,反映了一个人的身体状况。一般96%以上是人体健康,90～94%就需要药物治疗,90%以下就相当危险,可能致命,必须立即接受正确的治疗。4测试结果与分析文中描述了关于脉搏和血氧饱和度信号检测的低功耗、便携式装置的设计。基于单片DDC112采集两路通道(红光和红外光信号),开发了一个兼容Nellcor传感器的脉搏血氧饱和度实时监测系统。实验结果表明系统可以完成PPG信号的实时监测,并能计算出血氧饱和度数值。本装置主要由FPGA完成逻辑控制和数据交换,可移植性好,扩展空间大。装置在便携式处理中还不够,仅仅能存