新型脉搏血氧饱和度测量系统的研究

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1、新型脉搏血氧饱和度测量系统的研究ResearchonNovelPulseOxygenSaturationMeasurementSystem专业：生物医学工程研究生：包磊指导老师：李刚教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二〇一四年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明

2、并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日中文摘要血氧饱和度是衡量人体健康的重要生理参数之一，传统的测量方法忽略人体组织及血液的散射影响，测量误差较大，并且在低血

3、氧时误差进一步增大。为了提高血氧饱和度的测量精度，本文提出了新的测量方法，设计了新的血氧饱和度测量系统，并通过仿真和实验，初步证明了新方法的可行性和提高测量精度的能力。主要研究工作如下：本文综述了现有脉搏血氧仪的测量原理及研究现状，解释了基于朗伯-比尔定律推导出的血氧饱和度测量原理的局限性及其在低血氧、低灌注时表现出测量误差较大的原因；指出了传统测量方法是一种降维处理，当散射存在时，这种降维处理方式损失了信息量，引入了系统误差，限制了测量的精度。本文从信息量的角度出发，提出了使用光电容积脉搏波峰值和谷值作为特征量，与血氧饱

4、和度参考值建立线性回归模型预测血氧饱和度的新的测量方法；给出了三种不同波长通道分辨方式（分时分光、分频分光和光栅分光）下合适的特征量提取方法（时域提取和频域提取）及相关matlab程序；从考虑散射影响和多种个体差异影响的前提下，利用蒙特卡罗仿真的方法，模拟了光子通过手指指尖模型后的透射光强分布，并由此计算出光电容积脉搏波的特征量，并使用偏最小二乘法拟合得到血氧饱和度与特征量的线性回归模型，同时对比了使用R值法的预测效果，从仿真的角度，验证了新方法的可行性。本文提出了新型脉搏血氧仪的设计思想，即用高精度AD对光电信号进行采集

5、，从而取代模拟型脉搏血氧仪需要的较多硬件元件，并简化了数字型脉搏血氧仪的控制方法及反馈算法，阐述了新型脉搏血氧仪的系统方案、硬件电路图及相应的软件流程图，并最终研制出了指夹式脉搏血氧仪实物，并开发了上位机可视化界面，为新的测量方法的有效实施提供了平台。本文设计了基于新型脉搏血氧仪测量平台的初步验证实验，同步采集了实验对象在憋气过程中血氧饱和度的变化，然后提取了光电脉搏波特征量，通过偏最小二乘法拟合出了传统R值法和新方法的血氧饱和度计算公式，验证了新方法的可行性以及新方法提高血氧饱和度测量精度的能力。关键字：血氧饱和度测量；

6、光电脉搏波特征量；散射；线性回归模型；建模分析ABSTRACTOxygensaturationisoneofthemostimportantbiologicalparametertoevaluatehumanhealth.Thescatteringeffectofhumantissueandbloodisignoredintraditionalmethodtomeasureoxygensaturation.Themeasuringerrorisinevitablylargeandwillbecomelargerwhenox

7、ygensaturationreduces.Toimprovethemeasuringaccuracy,thispaperpresentsanovelmethod.Anewmeasuringsystemhasbeendesigned.AndthefeasibilityofnewmethodandtheabilitytoimprovethemeasuringaccuracyarepreliminarilyprovedbyMonteCarlosimulationandexperiment.Themainresearchwork

8、includes:ThispaperreviewstraditionalmethodtomeasureoxygensaturationanditsresearchsituationandpointsoutthelimitationoftraditionalmethodbasedonLambert-bee