CN110604584B - 用于血氧测量系统的信号检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于血氧测量系统的信号检测方法,包括以下步骤:设置一个固定测量状态,并在第一级光放大输出端直接获取目标光电信号;设置第一组信号阈值,第一组信号阈值包括第一阈值;将目标光电信号量和第一阈值进行对比,若目标光电信号量小于等于第一阈值,则将测量模式设置成反射模式;若目标光电信号量大于第一阈值,则将测量模式设置成透射模式。采用阈值识别区分的方法,快速进行测量介质识别的大类划分,大大缩短了系统进行光信号和待测介质之间的适配过程,从而实现了快速的血氧测量,尤其是初始的血氧测量响应时间上远远优于现有技术,同时在对血氧探头的加载上采用探头存储信息的动态加载模式,提升了血氧测量系统的有效性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域,具体涉及利用红光和红外光进行脉搏血氧测量系统和方法。
背景技术
血氧饱和度(SpO2)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb,hemoglobin)容量的百分比,即血液中血氧的浓度,它是呼吸循环的重要生理参数。监测动脉血氧饱和度(SaO2)可以对肺的氧合和血红蛋白携氧能力进行估计。正常人体动脉血的血氧饱和度为98% ,静脉血为75%。
脉搏血氧仪是测量病人动脉血液中氧气含量的一种医疗设备。脉搏血氧仪提供了以无创方式测量血氧饱和度或动脉血红蛋白饱和度的方法,并测得病人的心率。脉搏氧监测是现代临床手术中、重症监护、常规监护等应用中的关键参数之一,并得到广泛应用,可应用于多参数监护仪,便携式多参数监护仪,呼吸睡眠监测仪中。
目前应用在上述各仪器中的脉搏氧测量技术通常是利用可见红光光谱(660纳米)和红外光谱(940纳米)的两个光源交替照射被测试区(一般为指尖、耳垂或额头等循环末梢部位),在血液脉动期间所两种光所吸收的光量与血液中的氧含量有关,因此检测基于动脉搏动期间光吸收量的变化,并计算所吸收的这两种光谱能量的比率,并将结果与存储器中的饱和度数值表进行比较,从而得出血氧饱和度。光电驱动光源以及光电转换电路,电信号放大并数字化后,进行数字信号处理计算获得脉搏氧饱和度数值、脉率、灌注指数等人体参数指标。
现有技术中的血氧测量系统,包括两种测量方式的测量探头,包括反射式的血氧探头和透射式的血氧探头;反射式的血氧探头通常设置在体表,通过测量体表和组织内的反射光的强度,进行对比计算获得血氧饱和度数值;透射式的血氧探头通常夹在人体某些部位上,如手指、脚趾及耳垂等部位,两个光源输出的光能经过人体部位后,获得透过的光强对比计算获得血氧饱和度数值。
由于人体不同部位(后称测量介质)的透光特征有很大的差异性,比如皮肤的颜色,测量介质的厚度大小,测量介质的透光特征都有很大的个体差异,因此血氧测量系统中的光源输出的能量需要和后续电路的光电检测能力需要非常好的匹配才能获得很好的测量结果。
然而,现有技术中的血氧测量系统通常只能适用于一种形式的探头,不能同时适用于反射式的血氧探头和透射式的血氧探头;并且现有技术中的血氧测量系统对测量介质通常也不做区分,因此系统对测量介质的适应性也较差,限制系统对探头的兼容性和系统的适应性。
在薄测量介质,如细小手指、耳垂、小动物舌头、新生儿手掌、灌注特别弱等情况下,由于系统的调节能力有限,往往测量不出结果。在部分发光的探头部分和信号采集电路分离的系统中,对不同的探头,信号采集电路通常也需要进行调整,使得信号处理系统和探头特性匹配成为很大的问题。若在此基础上再进行针对被测对象的大动态范围的电路调整也会大大增加信号处理系统的复杂性。
现有技术中,为了实现实现信号放大的最大动态范围,通常是采用对光源驱动的调整,或对信号增益的初略分级调整(1、2、4、8倍增益)等方式来实现,这种联动增益调整不能对不同测量部位实现快速响应输出信号;这种联动增益调整也不能实现更大的动态范围,以适应各种不同人群及不同的测量位置所产生的不同信号特征;在一些危重情况下,往往会由于动态范围调整失败而导致测量不出信号,从而产生测量失败的错误。
发明内容
为了避免上述现有技术的不足,本发明提出了能进行测量介质识别的用于血氧测量系统的信号检测方法,该方法采用阈值识别区分的方法,快速进行测量介质识别的大类划分,大大缩短了系统进行光信号和待测介质之间的适配过程,从而实现了快速的血氧测量,尤其是初始的血氧响应时间上远远优于现有技术。
本发明要解决的技术问题在于避免上述技术方案的不足,提出的技术方案是一种用于血氧测量系统的信号检测方法,包括以下步骤:获取特定设置下的目标光电流信号,即设置固定的光驱动电路的光源驱动大小,设置固定的第一级光电流放大电路的增益即目标光电信号检测电路的增益,从第一级光电流放大电路即目标光电信号检测电路直接获取目标光电信号;;设置第一组信号阈值,第一组信号阈值包括第一阈值;将目标光电信号量和第一阈值进行对比,若目标光电信号量小于等于第一阈值,则将测量模式设置成反射模式;若目标光电信号量大于第一阈值,则将测量模式设置成透射模式。
所述目标光电信号包括透射光电信号和反射光电信号;当系统采用的反射式血氧探头,则目标光电信号为反射光电信号;当系统采用的透射式血氧探头,则目标光电信号为透射光电信号。
用于血氧测量系统的信号检测方法,若目标光电信号量小于等于第一阈值,在测量模式设置成反射模式的同时,血氧测量系统中的模拟前端电路也进行相应的调整;模拟前端电路包括光驱动电路和目标光电信号检测电路;目标驱动电路的驱动大小和目标光电信号检测电路的电路放大倍数将根据反射模式的需求进行调整。
用于血氧测量系统的信号检测方法,若目标光电信号量大于第一阈值,则将测量模式设置成透射模式的同时,血氧测量系统中的模拟前端电路也进行相应的调整;模拟前端电路包括目标光号驱动电路和目标光电信号检测电路;光驱动电路的驱动大小和目标光电信号检测电路的电路放大倍数将根据透射模式的需求进行调整。
用于血氧测量系统的信号检测方法,所述第一组信号阈值,还包括第二阈值;第二阈值大于第一阈值,将目标光电信号量分别和第一阈值、第二阈值进行对比,若目标光电信号量大于第一阈值且小于等于第二阈值,则将测量介质设置成第一透射介质。
用于血氧测量系统的信号检测方法,所述第一组信号阈值,还包括第三阈值;第三阈值大于第二阈值,将目标光电信号量分别和第二阈值、第三阈值进行对比,若目标光电信号量大于第二阈值且小于等于第三阈值,则将测量介质设置成第二透射介质;若目标光电信号量大于第三阈值,则将测量介质设置成第三透射介质。
用于血氧测量系统的信号检测方法,包括设置光驱动电路和目标光电信号检测电路的步骤;光驱动电路调整输出的光强,目标光电信号检测电路调整检测电路的放大倍数,使得目标光电信号检测电路输出的一级模拟信号范围在600至1000毫伏之间。
用于血氧测量系统的信号检测方法,还包括调整所述第一组信号阈值中的第一阈值、第二阈值和第三阈值大小的步骤;当目标光电信号检测电路的放大倍数调整后,所述第一组信号阈值中的第一阈值、第二阈值和第三阈值的大小也随之进行调整,第一组信号阈值调整的倍数为当前目标光电信号检测电路的放大倍数除以目标光电信号检测电路的原始放大倍数。
用于血氧测量系统的信号检测方法,在获取目标光电信号之前还包括识别血氧探头的步骤;在识别血氧探头的步骤中,系统主控模块和探头建立通讯连接,系统主控模块获取表征探头类型的探头特征参数序列,这个参数序列的中的参数个数大于等于50个。
同现有技术相比较,本发明的有益效果是:采用阈值识别区分的方法,快速进行测量介质识别的大类划分,通过第一级光电流放大动态调整及光驱动的设置,大大缩短了系统进行光信号和待测介质之间的适配过程;同时本发明的用于血氧测量系统的信号检测方法还可以进行不同类型的探头兼容,对反射式探头和透射式探头都能进行光信号和待测介质之间的快速适配;从而实现了对不同类型探头都能进行快速的血氧测量,尤其是初始的血氧响应时间上远远优于现有技术。
附图说明
图1是用于血氧测量系统的信号检测方法的算法流程示意图之一;
图2是用于血氧测量系统的信号检测方法的算法流程示意图之二;
图3是应用本发明信号检测方法的血氧测量系统的架构意图之一;
图4是应用本发明信号检测方法的血氧测量系统的架构意图之二;
图5是用于血氧测量系统的信号检测方法的算法流程示意图之三。
具体实施方式
以下结合各附图对本发明的实施方式做进一步详述。
如图1所示的用于血氧测量系统的信号检测方法的实施例中,包括以下步骤:获取目标光电信号;设置第一组信号阈值,第一组信号阈值包括第一阈值;将目标光电信号量和第一阈值进行对比,若目标光电信号量小于等于第一阈值,则将测量模式设置成反射模式;若目标光电信号量大于第一阈值,则将测量模式设置成透射模式。所述目标光电信号包括透射光电信号和反射光电信号;当系统采用的反射式血氧探头,则目标光电信号为反射光电信号;当系统采用的透射式血氧探头,则目标光电信号为透射光电信号。这样的方法,相当于根据信号特征对待测介质进行的快速分类,类似增加快速搜索引擎,能实现快速信号测量。
反射模式,通常是指发光管与探测器设置在待侧对象同一侧,如用于额头表面的传感器,这时是通过额头表层组织对发射光的反射信号进行探测的系统;透射模式,通常是指将待测对象放置在发射光与探测器之间,如用于手指的指夹式传感器,这时是通过将发光管和探测器分别放置在指夹的上盖和下盖,待测对象则放置中间进行探测的系统。反射模式和透射模式在信号采样进入主控制模块后的差异很小,主要差异在于在第一级光电信号放大和第二级放大增益的调节范围;这两级增益调节范围的差异,使血氧快速测量在某些测量介质特征下难以实现,本发明能快速锁定不同探头和不同模式下的前级增益调整区间,从而实现快速测量。
如图1所示,在反射模式下,进行反射信号采集和分类,并进行待测介质的设置;在透射模式下,进行透射信号采集和分类,并进行待测介质的设置,之后进入常规的脉搏测量过程。后续的过程为经典传统的血氧测量方法再次不再赘述。
如图2所示的用于血氧测量系统的信号检测方法的实施例中,包括以下步骤:系统加载,探头识别,待测介质识别、初始化、自适应调整和正常测量。其中初始化步骤和系统加载步骤,在不同的测量情景下可以整合为一个步骤,在一些情况下,可以更细化成针对不同探头类型和不同测量介质的个性化初始化步骤。其中的待测介质识别也可以进行多级的待测介质识别,如进行两种介质识别,也可以增加为四种甚至是五种类型的介质识别,在快速测量和精准测量上获取一个平衡。
在一些附图中未标识出的实施例中,若目标光电信号量小于等于第一阈值,在测量模式设置成反射模式的同时,血氧测量系统中的模拟前端电路也进行相应的调整;模拟前端电路包括光驱动电路和目标光电信号检测电路;光驱动电路的驱动大小和目标光电信号检测电路的电路放大倍数将根据反射模式的需求进行调整。
在一些附图中未标识出的实施例中,若目标光电信号量大于第一阈值,则将测量模式设置成透射模式的同时,血氧测量系统中的模拟前端电路也进行相应的调整;模拟前端电路包括光驱动电路和目标光电信号检测电路;光驱动电路的驱动大小和目标光电信号检测电路的电路放大倍数将根据透射模式的需求进行调整。
在一些附图中未标识出的实施例中,包括设置光驱动电路和目标光电信号检测电路的步骤;光驱动电路调整输出的光强,目标光电信号检测电路调整检测电路的放大倍数,使得目标光电信号检测电路输出的一级模拟信号范围在600至1000毫伏之间。
如图3所示,血氧测量系统中的光输出控制模块即为光驱动电路,血氧测量系统中的模拟放大模块即为目标光电信号检测电路。如图3所示的血氧测量系统中还包括,设置在模拟放大模块和微处理器模块之间的模数转换模块,用于微处理器模块和外部通讯的串口通信模块,用于传感器类型识别和序列加载的传感器识别和序列加载模块,以及供电的外模电源模块。
如图4所示,血氧测量系统中的光驱动模块即为光驱动电路,血氧测量系统中的多路光电放大电路、增益设置模块和可调增益放大模块即用作目标光电信号检测电路。目标光电信号检测电路中除了包括第一级光电放大电路,还可以包括第二级放大电路,第二级放大电路即图中的可调增益放大电路。如图4所示的血氧测量系统中还包括,光驱动模块驱动的传感器模块,传感器模块中包括多路发光部件和多路光接收部件,相应地也设置了多路光电放大电路,同时还设置了多路光电放大电路的通道选择模块,同时还设置了多路光电放大电路的增益控制的通道选择模块。如图4所示的血氧测量系统中,还包括设置在可调增益放大模块和微处理器模块之间的偏置设置模块,还包括设置在模拟放大模块和微处理器模块之间的模数转换模块,用于微处理器模块和外部通讯的串口通信模块,以及供电的外模电源模块。
如图4所示的血氧测量系统中,还可增加增益细化调节层次,可以有多层增益调节,也可以单层进行连续或近似连续的增益调节,如1,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,32,40,50,64,80,96,110,128等倍数的放大器增益设置和调节。如图4所示的血氧测量系统中,设置有双光电放大倍数和偏置选择,增加了前端调整能力,可实现更大动态范围的适应性。增加偏置的自适应设置与调整机制,又保证整体的信号检测范围。
如图1和图5所示的实施例中,若所述第一组信号阈值,还包括第二阈值;第二阈值大于第一阈值,将目标光电信号量分别和第一阈值、第二阈值进行对比,若目标光电信号量大于第一阈值且小于等于第二阈值,则将测量介质设置成第一透射介质。
如图1和图5所示的实施例中,所述第一组信号阈值,还包括第三阈值;第三阈值大于第二阈值,将目标光电信号量分别和第二阈值、第三阈值进行对比,若目标光电信号量大于第二阈值且小于等于第三阈值,则将测量介质设置成第二透射介质;若目标光电信号量大于第三阈值,则将测量介质设置成第三透射介质。
在一些附图中未标识出的实施例中,还包括调整所述第一组信号阈值中的第一阈值、第二阈值和第三阈值大小的步骤;当目标光电信号检测电路的放大倍数调整后,所述第一组信号阈值中的第一阈值、第二阈值和第三阈值的大小也随之进行调整,第一组信号阈值调整的倍数为当前目标光电信号检测电路的放大倍数除以目标光电信号检测电路的原始放大倍数。
如图1和图5所示的实施例中,在获取目标光电信号之前还包括识别血氧探头的步骤;在识别血氧探头的步骤中,系统主控模块和探头建立通讯连接,系统主控模块获取表征探头类型的探头特征参数序列;系统主控模块将获取的探头特征参数序列与已存储在系统中的探头特征参数序列进行对比;若新获取的探头特征参数序列在原来的系统中不存在,则存储最新获取的探头特征参数序列用于后续的计算;若新获取的探头特征参数序列在原来的系统中已存在,则直接进入后续步骤。在线载入首次使用的探头特征参数序列的机制,不仅省去了生产过程中或在线应用中的探头适配选择过程,而且特征参数中还包含了探头个性化参数,更丰富的参数,能实现脉搏氧更准确的测量。
如图5所示的实施例中,首先是加电启动工作,开始系统初始化,之后开始进行探头识别,在探头识别的步骤中,读取系统连接的探头信息,读取探头特征序列;通过探头特征序列,识别该探头类型和探头参数是否是新的,并判定系统之前若没有获取过该探头的特征参数序列,则读取该探头的特征参数序列,并存储在血氧测量系统中,并用于后续的血氧测量计算;若识别出系统之前已经获取过该探头的特征参数序列,并存储过这个探头的特征参数序列,则不再获取上述信息而直接进入血氧测量。在除了红外、红光光源、光电探测器外,血氧测量系统中还设置有一定存储容量的芯片,存储有探头在校准时所产生的特征参数序列和探头识别类特征,这个参数序列不少于50个数据的数列,而且这个数据是经过一个加密函数处理过的加密数据列。探头特征参数序列是一组数据,该组数据代表的是测量系统二级放大后获取的信号量和血氧饱和度数值之间的对应关系,该组数据与探头类型及探头的机械结构和硬件架构相关。上述序列中,数据个数越多,就越能细致表达上述对应关系。
系统主控模块将获取的探头特征参数序列与已存储在系统中的探头特征参数序列进行对比;若新获取的探头特征参数序列在原来的系统中不存在,则存储最新获取的探头特征参数序列用于后续的计算;若新获取的探头特征参数序列在原来的系统中已存在,则直接进入后续步骤。这样在血氧探头和血氧测量主控板之间增加了快速匹配的方式,即一个主控板可以更好的兼容不同类型的探头。
如图5所示实施例中的待测介质识别步骤中,先在常规驱动或当前驱动下,实现透射或反射信号的探测,阈值分别设置成redLightCur01、redLightCur02、LightCur03;其中当探测值 < redLightCur01时,待测介质处于反射测量模式下,设置成反射模式下的测量,并进入反射测量模式;当探测值> redLightCur01时,待测介质处于透射测量模式下;其中redLightCur01< 探测值 < redLightCur02时,则设置成透射介质1;当redLightCur02< 探测值 < redLightCur03时,则设置成透射介质2;当redLightCur03< 探测值,则设置成透射介质3。
如图5所示的实施例中, 在测量初始化的步骤中还包括,通过对相应电路参数的调整,使得电路第一级的目标光电流信号的模拟输出信号量不低于600mV,同时也不高于1000mV。此时,相应地redLightCur01、redLightCur02、LightCur03分别设置成200mV,600mV,1200mV。
上述待测介质的识别后,还可以启动不同的模拟前端驱动,使得第一级的光电信号输出的信号电压范围在600mV~1000mV之间,一方面是为了适应该测量介质的应用,二是加速调节过程,获得满足预期的稳定信号输出,实现系统的快速测量。
现有技术中脉搏氧测量系统中,信号测量的动态范围不足,影响脉搏氧测量针对细薄手指、耳垂、小动物舌头等不同测量部位的适应性,信号的快速搜索能力不足,影响信号的快速测量的响应时间。现有技术中,通常基于红光、红外光的脉搏氧测量,常是通过目标光电信号放大,并与血氧探头一一对应来实现,其中为了实现信号放大的最大动态范围通常是采用一是对光源驱动的调整,二是对信号增益的初略分级调整(1、2、4、8倍增益)等方式来实现,这种联动增益不足以实现最大的动态范围,以适应各种不同人群及不同的测量位置所产生的不同信号源,并导致测量不出信号而产生测量失败的错误。
本发明提出了基于多种联合调整机制的信号检测方式以匹配不同的待测介质的范围。本发明的用于血氧测量系统的信号检测方法,可以应用于不同的血氧测量系统及装置,通过方法的改进和优化,可扩展其在手指粗细及耳垂等不同测量部位的适应性,及整个系统的快速响应。
本发明的用于血氧测量系统的信号检测方法不仅适用于一体化脉搏血氧测量系统也适用于分离式的血氧测量系统;分离式的血氧测量系统包含独立血氧探头和主控制模块;集成了本发明中方法的脉搏血氧测量算法及系统,由于进行了待测介质识别,并同时采用可设置的模拟前端电路参数进行协同,同时根据第一级获取光电信号量的大小设置了后续主放大电路的连续增益调节,能使系统快速进入稳定的血氧测量过程,可以实现快速的脉搏氧测量。
相比其他技术,本发明所设计的用于血氧测量系统的信号检测方法尤其适用于一体化脉搏血氧测量系统;有完整的一体化系统设计、探头上的光学部分和软硬件系统之间的可以更好适配,从而显著提升了系统的易用性,使得系统测量的适应性得以很大程度的延展,既能适用于反射式探头也能适用于透射式探头,并且获得初始测量的速度相比传统的调节方式更为快速。在线加载特征参数序列的方法也大大简化了血氧测量系统的生产过程中;预置探头类型的步骤可以在线完成。
本方法具有极好的临床应用价值,是手术、重症监护和急诊抢救的必备血氧监护技术之一,从测量功能和关键指标上,尤其是快速响应输出血氧数值的响应能力上,完全能够替代进口同类测量技术,可以产生显著的经济效益。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种用于血氧测量系统的信号检测方法,包括以下步骤:
设置固定的光驱动电路的光源驱动大小,设置固定的第一级光电流放大电路的增益即目标光电信号检测电路的增益,从第一级光电流放大电路即目标光电信号检测电路直接获取目标光电信号;
设置第一组信号阈值,第一组信号阈值包括第一阈值;
将目标光电信号量和第一阈值进行对比,
若目标光电信号量小于等于第一阈值,则将测量模式设置成反射模式;
若目标光电信号量大于第一阈值,则将测量模式设置成透射模式;
所述第一组信号阈值,还包括第二阈值;第二阈值大于第一阈值,
将目标光电信号量分别和第一阈值、第二阈值进行对比,
若目标光电信号量大于第一阈值且小于等于第二阈值,则将测量介质设置成第一透射介质;
所述第一组信号阈值,还包括第三阈值;第三阈值大于第二阈值,
将目标光电信号量分别和第二阈值、第三阈值进行对比,
若目标光电信号量大于第二阈值且小于等于第三阈值,则将测量介质设置成第二透射介质;
若目标光电信号量大于第三阈值,则将测量介质设置成第三透射介质。
2.根据权利要求1所述的用于血氧测量系统的信号检测方法,其特征在于:
所述目标光电信号包括透射光电信号和反射光电信号;
当系统采用的反射式血氧探头,则目标光电信号为反射光电信号;
当系统采用的透射式血氧探头,则目标光电信号为透射光电信号。
3.根据权利要求1所述的用于血氧测量系统的信号检测方法,其特征在于:
若目标光电信号量小于等于第一阈值,在测量模式设置成反射模式的同时,血氧测量系统中的模拟前端电路也进行相应的调整;
模拟前端电路包括光驱动电路和目标光电信号检测电路;光驱动电路的驱动大小和目标光电信号检测电路的电路放大增益将根据反射模式的需求进行调整。
4.根据权利要求1所述的用于血氧测量系统的信号检测方法,其特征在于:
若目标光电信号量大于第一阈值,则将测量模式设置成透射模式的同时,血氧测量系统中的模拟前端电路也进行相应的调整;
模拟前端电路包括光驱动电路和目标光电信号检测电路;光驱动电路的驱动大小和目标光电信号检测电路的电路放大倍数将根据透射模式的需求进行调整。
5.根据权利要求1所述的用于血氧测量系统的信号检测方法,其特征在于:
包括设置光驱动电路和目标光电信号检测电路的步骤;
光驱动电路能调整输出的光强,目标光电信号检测电路调整检测电路的放大倍数,使得目标光电信号检测电路输出的一级模拟信号范围在600至1000毫伏之间。
6.根据权利要求5所述的用于血氧测量系统的信号检测方法,其特征在于:
还包括调整所述第一组信号阈值中的第一阈值、第二阈值和第三阈值大小的步骤;
当目标光电信号检测电路的放大倍数调整后,所述第一组信号阈值中的第一阈值、第二阈值和第三阈值的大小也随之进行调整,第一组信号阈值调整的倍数为当前目标光电信号检测电路的放大倍数除以目标光电信号检测电路的原始放大倍数。
7.根据权利要求6所述的用于血氧测量系统的信号检测方法,其特征在于:
在获取目标光电信号之前还包括识别血氧探头的步骤;
在识别血氧探头的步骤中,系统主控模块和探头建立通讯连接,系统主控模块获取表征探头类型的探头特征参数序列,这个参数序列的中的参数个数大于等于50个;
系统主控模块将获取的探头特征参数序列与已存储在系统中的探头特征参数序列进行对比;
若新获取的探头特征参数序列在原来的系统中不存在,则存储最新获取的探头特征参数序列用于后续的计算;
若新获取的探头特征参数序列在原来的系统中已存在,则直接进入后续步骤。
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