《智能心肺功能监测装置的设计》开题报告4700字

题目智能心肺功能监测装置的设计题目来源：R理论研究□生产实践□实验室□创新创业（科技竞赛、大创项目）□教学科研项目□其它（请注明）：是否在实验、实习、工程实践和社会调查等社会实践中完成：R是□否研究的目的和意义伴随着电子测量技术的突飞猛进，现代电子测量设备也向着数字化、自动化等多个方面不断地发展进步。本课题设计的基于GSM的心率和肺活量在线检测系统性能良好，结构简单，有较好的应用和推广价值，本系统可以实时监测用户的肺活量信息以及心率值，还可以显示出心率图以供参考。为了更方便的了解用户的心率以及肺活量信息，在肺活量或心率异常的情况下，可以通过GSM通信模块对家人进行紧急报警功能。为了测量脉搏，我们必须通过收集人体动脉搏动变化而衍生的一系列人体生理信息，通过采集这些人体生理信息，并且经过转化之后，就可以得到物理信号，然后再对物理变化进行分析，就可以得到人体心脏跳动的变化，最后就可以推断出每分钟人体心脏跳动的次数，而采集到的各种信息都需要储存装置进行储存，这时就可以把物理变化和脉冲波数放入这个储存装置进行储存，而这个储存装置就需要相匹配的硬件电路和半导体元件进行处理。在硬件设计中，一般的物理信号都是电位差的变化，系统必须由传感器、单片机电路、信号处理、按键电路、通讯电路、显示电路等电路模块组成。国内外研究现状和发展趋势伴随着现在各种技术的不断创新和进步，脉冲测量技术也在不断创新和进步，脉冲测量的误差率也随之变得越来越低。全球各国也不断地研制出种类繁多的脉冲测量仪器，从而脉冲测量的手段不再局限于以前的搭脉测量方法和听诊器测量方法。为了让脉冲测量技术可以得到更加精确的数据，可以使用各种精密电子仪器进行测量。大量的生理信息从人体脉搏信号中分析得出，渐渐地通过这些信息的作用也引起了医生们的注意，从而达到了快速、精确、便捷的测量脉搏的目的。伴随着电子测量技术的突飞猛进，现代电子测量设备也向着数字化、自动化等多个方面不断地发展进步。所研制的脉冲测量仪具备了内部构造简单、性能优越等优点，拥有良好的推广和使用价值。脉冲测量初期使用在运动测量方面，动脉搏动传感器就是这一研究的重要部分。而接触式传感器的研究作为重点方向，在开始的时候也是使用在体育测量方面动脉搏动测试研究的重点，但是通过传感器研发的电子仪器在测量手指、耳朵这些具有脉搏效应的地方时，通常会伴随着一些问题。测量手指部位时比较容易操作且步骤较少，但是，因为手指部位容易经常出汗，夹手指的器械在不断地使用中容易受到磨损和污染，从而导致感应元件的感应能力下降；因为耳朵部位比较干净，测量仪器在使用时，感应元件在测量的过程中不太容易受到污染，而且日常维护比较方便。但是，因耳朵的耳廓部位比较薄，耳部的温度在一年四季中的各个时段随着气候的变化而变化，从而导致温差变化比较不稳定，从而导致测量出来的温度数值不够准确。以前用于中老年人和医院的监护电子设备，例如便携式电子血压计，可以检测动脉搏动,但由于这种设备是通过其中的气泵加压，然后对胶皮气囊进行充气，每次使用的时候都需要经过一个充气和排气的过程，在气囊会变大、充气、排气这一过程中会出现身体不舒服、动脉搏动测量的数值不准确等不足之处。动脉搏动检测仪的未来发展方向会出现以下几个方面：

（1）自动检测动脉搏动并且会对收集到数值进行自动分析。

现在许多的动脉搏动检测仪器都具备一些附加功能，但由于这些信号的判断需要专业的人员进行分析，正常个人是不具备这些能力的，所以需要专业人员分析才可以得到结果，这样就浪费了大量的社会资源，因为人为因素在会导致结果不准确。所以，以后的动脉搏动自动检测仪器将会拥有更多检测分析功能，这样诊断的数据也将会更加全面和详细。（2）数字化等先进技术的应用。随着现在数字科学技术的不断发展，脉搏测量器的集成度将越来越高，更加便于携带使用。数字信号处理技术的运用将会使干扰变小，测量结果更加准确。（3）多功能化更加明显目前的脉搏测量仪，正常都具有心电图，测试血氧等功能，单一的脉搏测量器已经非常少见。伴随着电子技术的快速发展，脉搏测量器必将拥有更多的功能。人体动脉搏动检测仪是用来检测人体心脏每分钟跳动次数的电子仪器，也是心电图的重要组成部分。心脏跳动频率通常采用每分钟心脏跳动的次数来表示。使用带有数字显示屏的动脉搏动检测仪器检测心脏每分钟跳动的次数不仅计算精确，而且操作简单，检测的数值更加通俗易懂。通过查看的资料发现主要的心率采集通常有三种方法：采用红色发光二极管、采用反射式的红外管和采用压电陶瓷芯片这三种方法实现。

=1\*GB3①：采用红色发光二极管。伴随着心脏的跳动，人体组织的半透明度会随着心脏的跳动而一起改变。当血液由心脏输送到四肢时，人体组织的半透明度会随之削弱；当血液从四肢回流到心脏的时候，人体组织的半透明度会随之加强。尤其是在人体组织较薄的地方变化最为显著，比如：手指尖、耳垂等地方。因此，将心率检测仪对准人体的指尖、耳垂等位置时，红外发光二极管会将红外线照射在这些地方，这时通过另一侧的红外光电管对人体组织的透明度进行检测，然后把透明度的强弱转化为电信号。因为电信号的每分钟的次数和心率成正比，所以只需要把电信号转化为脉冲信号就可以整形、计数和显示，就能实现检测过程中全时段检测心率的目的。=2\*GB3②：采用反射式的红外管。现在的心率检测仪主要通过这种传感器收集信号，主要是反射式红外管的信号发射器和信号接收器都位于手指的同一侧，所以就可以不用考虑手指大小、形状不一样等方面的情况了。但由于对这种传感器的知识掌握不是太多，所以也不太可能实现这些功能。=3\*GB3③：采用压电陶瓷片。通过动脉搏动的跳动采集信号。伴随着心脏的跳动，人体手腕处的脉搏和脖子处的搏动比较容易察觉，把这种传感器放在手腕处和脖子这两个位置，把传感器所得到的电信号转化成为脉冲信号并进行整形、计数和显示，就能实现检测过程中全时段检测心率的目的。当心脏跳动时，压电陶瓷片会随着动脉波动的跳动转化出相对应的信号，虽然这种方式已经不是那么先进，但是特别实用而且很容易实现，检测的时候可以很清晰的接收到信号的实际变化。人体主动脉会随着心脏的跳动不断地收缩与舒张，这时血液会随着心脏不断地泵出，沿着主动脉向整个动脉系统不断输送血液，在这个过程中会产生一种波，这种波就叫做脉搏波。而医生的诊断和治病的依据就是由脉搏波中收集到的人体心理病理信息提供，这些信息一直以来都被全世界的医学界的高度关注。脉搏波会表现出形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合数据信息，在很大程度上反映出了人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此收集和分析脉搏波存在着特别高的医学价值和应用前景。但由于人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号,

脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号,因此须经过放大和过滤之后才能达到使用标准。对于体温的测量采用NTC热敏电阻与分压电阻进行连接，然后通过STC单片机的AD接口进行采集其电压AD值，并通过内部的计算进行查表，选择出其AD电压值对应的体温值。1.接触式检测接触式检测是指利用电极或者传感器直接与人体接触的测量方式来检测生理信号，是目前临床中最常见的检测方式。心电信号方面的检测已经发展得极其成熟，在临床中有着广泛的应用，并且远程监护也得到了实现。浙江大学李罗等[2]以MSP430为核心实现了心电信号的采集、存储、QRS波提取以及发送，实现心电信号的远程监护。国内外对于呼吸信号的检测有多种方法，主要有阻抗容积法[3]、口鼻气流传感器法[4]以及基于心电信号提取呼吸信号[5](ECG-DerivedRespiratory,EDR)。上述方法均需要在人体皮肤表面贴电极或者在口腔鼻腔置入探针，会给受监护者带来种种限制，不适合日常监测。为了给受监护者提供舒适的环境，非接触监测引起了国内外研究者的关注。图1传统贴片式心电采集装置2.非接触式检测非接触式检测方法有很多，例如光电容积描记法、生物雷达检测技术、红外检测技术和电磁感应检测技术等。图2使用光电容积描计传感器的小米手环光电容积描记法[6](Photoplethysmography,PPG)：利用光电转换手段检测活体组织中血液容积变化的手段。LED向皮肤发射光，光敏传感器接收皮肤组织反射光，转换成电信号再经过AD转换成数字信号。心脏收缩舒张影响血液容积，从而影响光吸收量，因此光电容积描记法能够获得容积脉搏血流的变化，包含着丰富的血管系统生理信息。图3彩色多普勒超声诊断仪生物雷达检测技术[7]：利用无线电微波进行生命体信息的探测。生物雷达通过对生命体发射电磁波并接收回波信号，进而获得生命体的生理参数、波形、图像以及目标的距离等[7,8]。V.Petrini和L.Scalise等人[9]提出了一种基于扫描传输和反射系数来确定对象的呼吸频率。该方法不仅能计算呼吸频率，还能获得被检测目标的位置以及动作，通过进一步信号处理，甚至能区分不同的运动。这种方法穿透能力较强，能适用于远距离检测。图4热红外相机检测心率实验仪器图红外检测技术[10]：辐射的频率和温度成正相关，辐射频率随着温度的升高而升高，因此可以通过探测红外线的频率变化得到人体热能变化，比如探测鼻腔气体和主要动脉的热量变化得到呼吸信号和脉搏信号。SergeyY.Chekmenev等[10]利用被动红外传感器以非接触非侵入的方式测量动脉脉搏。热红外成像摄影机被用来检测颈区、颈动脉血管区以及鼻子区域的温度变化，并用基于多分辨率小波的信号分析方法提取动脉脉搏波形，并在心率测量方面有100%的准确性。研究采用的方法和手段本论文是使用51单片机作为基础，在检测被测者的心率时应用了PulseSensor心率检测模块进行测量，通过GSM功能模块向用户发送开机检查信息和心率报警信息，同时通过肺活量检测模块对肺活量进行测量。用户采用2个不同功能的按键进行不同模式、参数设置，当确定肺活量上限数值和心率上限数值后，系统开机自动检测，并向手机发送开机检测信息。当温度检测时，如果肺活量数值出现异常，则向手机接收端发送肺活量异常报警信息，若肺活量数值正常，则继续进行下一项心率检测。当手动切换至心率检测时，如果心率数值出现异常，则向手机接收端发送体心率常报警信息，若体心率值正常，则继续循环检测。并且在检测同时，OLED显示屏会显示实时的肺活量数值、心率数值和心率波动图。主要研究内容.主要任务：本课题计划设计一套非侵入式、微型化的人体心肺功能监测装置，可以检测患者静止状态的心脏、肺功能情况。2.具体要求：功能要求：（1）监测人体心脏的跳动是否正常；（2）测量人体的肺活量；（3）显示监测到的人体的肺活量和心跳；（4）进行肺活量和心跳监测结果的声音播放；（5）心肺标准值可进行手动设定；毕业设计（论文）进度安排：2022.12.03-2023.01.14根据任务书，查阅、整理相关资料，完成开题答辩及开题报告2023.01.15-2023.04.10进行毕业设计工作及撰写毕业设计论文2023.04.11-2023.04.13提交毕业设计中期检查报告2023.04.14-2023.05.11完善毕业设计论文内容及排版，论文定稿并进行重复率检测2023.05.12-2023.05.26提交技术资料，准备答辩2023.05.27-2023.06.04毕业设计答辩2023.06.05-2023.06.08提交终稿、重复率检查2023.06.09-2023.06.15材料归档指导教师意见：指导教师:年月日开题评议小组意见：（包括对设计（论文）的选题、难度、进度、工作量、形式意见）：1.设计（论文）选题:□有理论意义；□有实用价值；□有理论意义与实用价值；□意义不大；2.设计（论文）的难度:□偏高；□适当；□偏低；3.设计（论文）