CN109363650A - 一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量系统，包括控制电路模块(1000)、面光源模块(1100)、采集装置模块(1200)和计算机(1300)；应用于电学噪声较大的测量环境下，非接触的血氧饱和度测量和脉搏测量。该方法通过660nm光源(1101)850nm光源(1102)以一定的周期进行交替工作并在此基础上加入载波信号，通过高速成像CCD(1203)获取人手背处的区域灰度值信息。对得到不同波长下的灰度值信息通过图像处理(1301)、结果计算(1302)进一步处理。本发明可以得到手部的血氧饱和度信息和脉搏信息。

Description

一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量系统
技术领域
本发明涉及一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量系统，主要应用于电学噪声较大的测量环境下，非接触的血氧饱和度测量和脉搏测量。相比于传统临床的血氧饱和度测量方法，该方法对电学噪声抗干扰性较强。采集设备常见，采集过程可不接触被测量人员，适用于烧烫伤病人、活体检测、不易接触病人的情况。
背景技术
血氧饱和度(Spo2)是指血红蛋白与氧气结合后形成的载氧血红蛋白(Hbo2)容量与全部血红蛋白(Hb)容量的比值，它的比值可以代表血液中血氧的浓度，是身体健康的重要生理参数。脉搏是指人体表面可以触摸到的动脉搏动，心脏每次跳动将血液泵送到全身，并且在体表较浅处可以感受到扩张。许多临床疾病或者突发状况会造成供氧缺乏，如果人体组织在缺氧下会发生形态结构的变异，严重情况下会造成不可逆的后果。所以在医疗领域测量血氧饱和度与脉搏至关重要，测量血氧饱和度和脉搏也可以用于非接触式的活体检测中，避免接触感染。
目前传统的血氧饱和度的测量计算方法主要分为电化学分析和接触式光学检测法。电化学分析要通过采集人体血液，利用血气分析仪进行电化学分析，测出血液中氧气分压最后确定血氧饱和度。这种方法结果准确，但是需要具有一定专业技能的人员才可以操作，同时无法连续测量血氧饱和度。接触式光学检测法，通过将传感器套在人手指尖处，利用手指作为采集平台。使用红光与近红外光作为检测光源，根据不同波长对载氧血红蛋白与血红蛋白的吸收特性不同求得血氧饱和度。这种方法虽然可以连续采集血氧饱和度信息，但是需要患者长时间佩戴传感器指套，患者往往会有不适感。并且在特殊人群中也不适合佩戴，例如烧烫伤患者、婴幼儿、病毒携带者。
非接触式的血氧饱和度测量方法是根据不同波长在皮肤表面的吸收特性和反射特性实现的。由于非接触的测量方式需要CCD镜头与被测表皮有一定的距离，为防止环境光和CCD的电学噪声的影响，采用密闭环境下和叠加载波比大于10的载频信号SPWM来进行信号调制。这种方法可以有效抑制噪声的影响，提高测量的精准程度。
发明内容
为了更好的服务于医疗事业，改善血氧饱和度和脉搏测量方法的弊端，完善对特殊群体的血氧饱和度和脉搏的测量，本发明提供一种利用高速CCD在无外在光源干扰条件下叠加载波的血氧饱和度和脉搏测量方法。该方法具有操作简单，抗干扰能力强，适用范围广泛的特点。适用于医疗健康检测，活体检测，活体防伪等领域，具有较好的发展前景和应用前景。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量系统，包括控制电路模块(1000)、面光源模块(1200)、采集装置模块(1300)和计算机(1400)；所述控制电路模块(1000)用于生成载波并驱动面光源正常工作；所述面光源模块(1100)用于发射两种波长的平面光；所述采集装置模块(1200)用于采集手背的信息和避免环境光的影响；所述计算机(1300)用于实现对采集到的信息进一步处理，得到最终所需的血氧饱和度信息和脉搏信息。
进一步，所述的控制电路模块(1000)由电源模块(1001)、光源驱动模块(1002)、载波生成模块(1003)组成，由电源模块(1001)为光源驱动模块(1002)和载波生成模块(1003)供电，光源驱动模块(1002)和载波生成模块(1003)正常工作，面光源模块(1100)发生光束经过人体表皮的吸收和反射最终进入采集模块(1200)。
所述的光源驱动模块(1002)用于负责驱动660nm光源(1101)、850nm光源(1102)正常工作，两个光源驱动芯片在电源模块(1001)的供电下分别以横流的方式为660nm光源(1101)、850nm光源(1102)供电使其正常工作。
所述的载波生成模块(1003)用于生成特定频率的正弦波，采用脉冲宽度调制(SPWM)的方式，在FPGA的NEXYS-3开发板上使用分频方法实现，正弦波的频率大于10倍的人体脉搏频率。这样可以有效消除外界干扰噪声。
所述的面光源模块(1100)由21颗660nm光源(1101)、27颗850nm光源(1102)、雾面玻璃(1103)组成，两种光源内嵌在面光源模块(1100)上工作，发出波长不同的光束透射过雾面玻璃(1103)形成均匀的面光源。
所述的660nm光源(1101)为散射角120度的LED光源，660nm光源(1101)在正常工作下可以发射中心波长在660nm的光束。
所述的850nm光源(1102)为散射角120度的LED光源，850nm光源(1102)在正常工作下可以发射中心波长在850nm的光束。
所述的雾面玻璃(1103)镶嵌在面光源模块表面，在光线透射过后，可以将直线光束变成发散的光束。将直射LED光源变成面光源。
所述采集装置模块(1200)由遮光平台(1201)、采集平台(1202)、高速CCD(1203)组成，采集装置为采集手部信息提供基础条件，为采集结果的准确性和一致性提供保障。
所述的遮光平台(1201)用于避免环境光的干扰，环境光为全光谱，所以环境光既包含600nm有包含850nm，利用遮光平台可以有效防止环境光的影响，防止环境光对实验结果造成误差。
所述的采集平台(1202)是一个可上下移动的装置，该装置保证采集面的水平和稳定性，利用采集平台也可以根据不同被测人手背厚度不同上下调整采集平台表面距高速CCD(1203)镜头表面的距离，防止采集过程发生虚焦距现象的发生。
所述的计算机(1300)包括图像处理单元(1301)、结果计算单元(1302)、结果显示单元(1303)；图像处理单元(1301)对得到的手背处灰度图像进行处理；结果计算单元(1302)对得到灰度值信息进行正反傅里叶变换去噪；结果显示单元(1303)将得到的最终结果显示出来，便于结果呈现。
所述图像处理单元(1301)中共分四步：第一步对获取到的16位手部灰度图进行直方图分解将660nm的光照信息与850nm的光照信息分离；第二步在每组光照信息中选取一组完整的采集记录；第三步对采集记录进行识别区域选取；第四步建立新的灰度值表将识别区域内的灰度值信息重新排列。
所述结果计算单元(1302)共分为四步：第一步对两种波长下的灰度信息图进行傅里叶变换；第二步进行解调处理，在频域下降载波去除，还原手部原始灰度信息；第三步选取频率为1处的信息作为计算血氧饱和度的直流分量IDC；第四步选取频率为脉搏频率下的第一个高峰为计算血氧饱和度的交流分量IAC；第五步对选取结果进行傅里叶反变换；第六步按照血氧饱和度计算公式计算血氧饱和度；第七步计算相邻两波峰的时间间隔；第八步按照脉搏的计算公式计算脉搏。
所述的结果显示单元(1303)用于将计算的血氧饱和度结果和脉搏结果进行显示，给人更直观的感受。
本发明设计的基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量方法，利用多种技术完成了对手部的血氧饱和度和脉搏的同步采集。可以充分利用载波的抗噪优点，弥补非接触测量的不足。
本发明的有益效果主要变现在：抗噪性好、识别率高。
附图说明
图1是一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量系统的原理框图。
图2是一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量方法的流程图。
具体实施方案
下面结合附图进行更进一步的详细说明。
参照图1和图2，一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量系统，包括控制电路模块(1000)、面光源模块(1200)、采集装置模块(1300)和计算机(1400)；所述控制电路模块(1000)用于生成载波并驱动面光源正常工作；所述面光源模块(1100)用于发射两种波长的平面光；所述采集装置模块(1200)用于采集手背的信息和避免环境光的影响；所述计算机(1300)用于实现对采集到的信息进一步处理，得到最终所需的血氧饱和度信息和脉搏信息。
进一步，所述的控制电路模块(1000)由电源模块(1001)、光源驱动模块(1002)、载波生成模块(1003)组成，由电源模块(1001)为光源驱动模块(1002)和载波生成模块(1003)供电，光源驱动模块(1002)和载波生成模块(1003)正常工作，面光源模块(1100)发生光束经过人体表皮的吸收和反射最终进入采集模块(1200)。
所述的光源驱动模块(1002)用于负责驱动660nm光源(1101)、850nm光源(1102)正常工作。两个光源驱动芯片在电源模块(1001)的供电下分别以横流的方式为660nm光源(1101)、850nm光源(1102)供电使其正常工作，采用芯片的型号是MP3202，最大可以驱动300mA的器件。
所述的载波生成模块(1003)用于生成特定频率的正弦波，这里采用脉冲宽度调制(SPWM)的方式，在FPGA的NEXYS-3开发板上使用分频方法实现，正弦波的频率大于10倍的人体脉搏频率，这样可以有效消除外界干扰噪声。
所述的面光源模块(1100)由21颗660nm光源(1101)、27颗850nm光源(1102)、雾面玻璃(1103)组成，两种光源内嵌在面光源模块(1100)上工作，发出波长不同的光束透射过雾面玻璃(1103)形成均匀的面光源。
所述的660nm光源(1101)为散射角120度的LED光源，660nm光源(1101)在正常工作下可以发射中心波长在660nm的光束。
所述的850nm光源(1102)为散射角120度的LED光源，850nm光源(1102)在正常工作下可以发射中心波长在850nm的光束。
所述的雾面玻璃(1103)镶嵌在面光源模块表面，在光线透射过后，可以将直线光束变成发散的光束，将直射LED光源变成面光源。
所述采集装置模块(1200)由遮光平台(1201)、采集平台(1202)、高速CCD(1203)组成，采集装置为采集手部信息提供基础条件，为采集结果的准确性和一致性提供保障。
所述的遮光平台(1201)用于避免环境光的干扰。环境光为全光谱，所以环境光既包含600nm有包含850nm，利用遮光平台可以有效防止环境光的影响，防止环境光对实验结果造成误差。
所述的采集平台(1202)是一个可上下移动的装置，该装置可以保证采集面的水平和稳定性。利用采集平台也可以根据不同被测人手背厚度不同上下调整采集平台表面距高速CCD(1203)镜头表面的距离，防止采集过程发生虚焦距现象的发生。
所述的计算机(1300)包括图像处理单元(1301)、结果计算单元(1302)、结果显示单元(1303)；图像处理单元(1301)对得到的手背处灰度图像进行处理；结果计算单元(1302)对得到灰度值信息进行正反傅里叶变换去噪；结果显示单元(1303)将得到的最终结果显示出来，便于结果呈现。
所述图像处理单元(1301)中共分四步：第一步对获取到的16位手部灰度图进行直方图分解将660nm的光照信息与850nm的光照信息分离；第二步在每组光照信息中选取一组完整的采集记录；第三步对采集记录进行识别区域选取；第四步建立新的灰度值表将识别区域内的灰度值信息重新排列。
所述结果计算单元(1302)共分为四步：第一步对两种波长下的灰度信息图进行傅里叶变换；第二步进行解调处理，在频域下降载波去除，还原手部原始灰度信息；第三步选取频率为1处的信息作为计算血氧饱和度的直流分量IDC；第四步选取频率为脉搏频率下的第一个高峰为计算血氧饱和度的交流分量IAC；第五步对选取结果进行傅里叶反变换；第六步按照血氧饱和度计算公式计算血氧饱和度；第七步计算相邻两波峰的时间间隔；第八步按照脉搏的计算公式计算脉搏。
所述的结果显示单元(1303)用于将计算的血氧饱和度结果和脉搏结果进行显示，给人更直观的感受。
本发明设计的基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量方法，利用多种技术完成了对手部的血氧饱和度和脉搏的同步采集。可以充分利用载波的抗噪优点，弥补非接触测量的不足。
如图2所示，基于载波调的血氧饱和度及脉搏测量系统的流程为，
(1)由控制电路模块(1000)打开系统的所有电源，系统开始工作：
(2)载波生成模块(1003)正常工作并将生成的载波加载到面光源上；
(3)双波长面光源(1100)开始工作；
(4)采集装置模块(1200)中的高速CCD(1203)开始拍摄手部区域的灰度照片，并将获得的图像通过UBS3.0传输给计算机(1300)；
(5)计算机(1300)通过图像处理区分不同的波长所采集到的数据，并且对重新分类的灰度值数据进行傅里叶变化；
(6)进行解调制，并且通过计算两种波长的直流分量和交流分量计算血氧饱和度信息，再根据相邻波峰的时间间隔计算脉搏；
(7)将计算得到血氧饱和度信息和脉搏信息进行展示。
上述实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的修改、替代、组合、裁剪，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量系统，其特征在于：所述系统包括控制电路模块(1000)、面光源模块(1200)、采集装置模块(1300)和计算机(1400)；所述控制电路模块(1000)用于生成载波并驱动面光源正常工作；所述面光源模块(1100)用于发射两种波长的平面光；所述采集装置模块(1200)用于采集手背的信息和避免环境光的影响；所述计算机(1300)用于实现对采集到的信息进一步处理，得到最终所需的血氧饱和度信息和脉搏信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量系统，其特征在于：所述的控制电路模块(1000)由电源模块(1001)、光源驱动模块(1002)、载波生成模块(1003)组成，由电源模块(1001)为光源驱动模块(1002)和载波生成模块(1003)供电，光源驱动模块(1002)和载波生成模块(1003)正常工作；面光源模块(1100)发生光束经过人体表皮的吸收和反射最终进入采集模块(1200)，光源驱动模块(1002)负责驱动660nm光源(1101)、850nm光源(1102)正常工作，两个光源驱动芯片在电源模块(1001)的供电下分别以横流的方式为660nm光源(1101)、850nm光源(1102)供电使其正常工作，载波生成模块(1003)用于生成特定频率的正弦波，采用脉冲宽度调制(SPWM)的方式，在FPGA的NEXYS-3开发板上使用分频方法实现，正弦波的频率大于10倍的人体脉搏频率。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量方法，其特征在于：所述的面光源模块(1100)由21颗660nm光源(1101)、27颗850nm光源(1102)、雾面玻璃(1103)组成；两种光源内嵌在面光源模块(1100)上工作，发出波长不同的光束透射过雾面玻璃(1103)形成均匀的面光源；660nm光源(1101)为散射角120度的LED光源；660nm光源(1101)在正常工作下可以发射中心波长在660nm的光束；850nm光源(1102)为散射角120度的LED光源。850nm光源(1102)在正常工作下可以发射中心波长在850nm的光束；雾面玻璃(1103)镶嵌在面光源模块表面，在光线透射过后，可以将直线光束变成发散的光束。将直射LED光源变成面光源。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量方法，其特征在于：所述采集装置模块(1200)由遮光平台(1201)、采集平台(1202)、高速CCD(1203)组成，采集装置为采集手部信息提供基础条件，为采集结果的准确性和一致性提供保障，遮光平台(1201)用于避免环境光的干扰。环境光为全光谱，所以环境光既包含600nm有包含850nm，利用遮光平台可以有效防止环境光的影响，防止环境光对实验结果造成误差；采集平台(1202)是一个可上下移动的装置，利用采集平台也可以根据不同被测人手背厚度不同上下调整采集平台表面距高速CCD(1203)镜头表面的距离。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量方法，其特征在于：所述的计算机(1300)包括图像处理单元(1301)、结果计算单元(1302)、结果显示单元(1303)；图像处理单元(1301)对得到的手背处灰度图像进行处理；结果计算单元(1302)对得到灰度值信息进行正反傅里叶变换去噪；结果显示单元(1303)将得到的最终结果显示出来，便于结果呈现。
6.根据权利要求5所述的一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量方法，其特征在于：所述图像处理单元(1301)中共分四步：第一步对获取到的16位手部灰度图进行直方图分解将660nm的光照信息与850nm的光照信息分离；第二步在每组光照信息中选取一组完整的采集记录；第三步对采集记录进行识别区域选取；第四步建立新的灰度值表将识别区域内的灰度值信息重新排列。
7.根据权利要求5所述的一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量方法，其特征在于：所述结果计算单元(1302)共分为四步：第一步对两种波长下的灰度信息图进行傅里叶变换；第二步进行解调处理，在频域下降载波去除，还原手部原始灰度信息；第三步选取频率为1处的信息作为计算血氧饱和度的直流分量I_DC；第四步选取频率为脉搏频率下的第一个高峰为计算血氧饱和度的交流分量I_AC；第五步对选取结果进行傅里叶反变换；第六步按照血氧饱和度计算公式计算血氧饱和度；第七步计算相邻两波峰的时间间隔；第八步按照脉搏的计算公式计算脉搏。
8.根据权利要求5所述的一种基于载波调制方法的血氧饱和度及脉搏测量方法，其特征在于：结果显示单元(1303)用于将计算的血氧饱和度结果和脉搏结果进行显示，给人更直观的感受。
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