便携式多生理参数监测设备的研制

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随着人口老龄化问题的加剧,心脑血管疾病等慢性病已成为我国人群的主要死因。日常性的健康监护可为慢性病的预防和治疗提供充足的诊断参考数据,一直以来备受关注。然而,传统的复杂、昂贵的大型健康监护设备不能满足日常健康监护的需求。近年来,传感器、集成电路以及网络技术的发展为小型化、低成本、多功能的远程健康监测设备提供了基础,将有助于上述问题的解决。  本文研制的便携式多生理参数监测设备采用高集成度设计方案,可实时监测脉率、呼吸率、血氧饱和度、脉搏传输时间、心电图以及光电容积脉搏波信息,这将有助于满足人们对日常健康监护的需求。本文完成的主要工作如下:  (1)设计了便携式多生理参数监测设备的嵌入式硬件部分。在深入研究各生理参数的检测原理与方法的基础上,考虑到便携性、多参数集成、实时性、低功耗、人机交互以及远程健康监护的设计需求,采用模块化和集成化设计原则,设计了集心电与呼吸信号采集单元、血氧信号采集单元、微处理器单元(STM32F405)、触控屏控制单元(PICASO)、无线通信单元以及电源管理单元于一体的嵌入式硬件设备。通过优化印制线的拓扑结构,避免印制线间相互串扰以及减少印制线的阻抗突变等方式获得了较好的信号完整性。  (2)设计了便携式多生理参数监测设备的嵌入式软件部分,包括基于PICASO的嵌入式软件和基于STM32F405的嵌入式软件。前者为用户提供了简单、友好的人机交互界面,能够将设备提供的重要信息实时通过触控屏显示,并能将用户对设备的控制指令转达给STM32F405。后者负责控制设备按照用户指令进行信号采集、处理以及数据发送等工作。  (3)设计了信号处理算法。通过滑动平均滤波器、中值滤波器、IIR低通滤波器、降采样以及微分等方法,实现了对采集的原始心电图、光电容积脉搏波信号和呼吸信号的滤波降噪、特征点提取以及生理参数计算等任务,使设备可以提供准确的脉率、呼吸、血氧饱和度、脉搏传输时间、心电图以及光电容积脉搏波信息。  本文提出的便携式多生理参数监测设备具有集成度高、便携性好、操作简单,界面友好等优点。实验证明,血氧饱和度在60%~99%区间内的误差在±1%内,脉率在45~250(BPM)区间内的误差在±1(BPM)内,呼吸率在10~150(BPM)区间内的误差在±1(BPM)内,均满足生理参数测量的精度要求。
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