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研究生:鄭程瑋
研究生(外文):Cheng-Wei Zheng
論文名稱:光體積變化描記法及血氧濃度對多病患同步監測之長時間紀錄系統
論文名稱(外文):Long-term Photoplethysmography and Oxygen Saturation Recording System for Monitoring Multiple Patients
指導教授:林康平林康平引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:65
中文關鍵詞:多通道同步監測系統血氧濃度機手套式探頭長時間無線藍芽
外文關鍵詞:Synchronous multi-channelLong-termMonitoring systemWireless buletoothGloves- probeOxygen saturation
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傳統生理監測系統受限於電腦端之連線使得受測者移動性被限制住,並且只能單一個人量測生理資訊,無法建立多人多通道的系統架構。有鑑於此,本研究以無線傳輸生理訊號取代有線傳輸,並設計多個通道同步監測之系統,並達到長時間錄製生理訊號,觀察可能出現的潛伏性之病因,並且提供專業醫師做分析判斷。
一般血氧濃度機是以穿透式探頭進行血氧量測,容易脫落移位、長時間量測的不適感等缺點。因此本研究設計創新的『手套式』血氧濃度機,不但可解決上述之問題,同時也提升穿戴時的舒適度與便利性,以及避免外界光源影響,並且亦可達到居家應用之目的。

多通道同步監測系統由使用者端、中央控制端、監測系統端組合而成的。使用者端為自行開發的手套式血氧濃度機,主要將PPG與SpO2的生理資訊透過藍芽傳輸至中央控制端的子系統內。中央控制端是由多個子系統組合而成從端(Slave)系統,以及負責接收所有子系統資料的主端(Master)系統結合而成之單元。中央控制端能夠提供多個通道之使用者端同時量測記錄,並將所有通道的生理資訊即時儲存到監測系統端,並顯示波形。中央控制端亦可將生理資訊儲存至SD/MMC,讓整個多通道監測系統使用上更加靈活應用。
手套式探頭的量測位置有別於穿透式探頭,光的在生物組織中的路徑也不相同,無法透過血氧模擬器得到標準的校正曲線。因此量測40位受測者並以Nellcor血氧濃度機作為量測之標準,求得校正曲線。同時實驗不同位置是否影響血氧值之探討,並實際量測36位受測者血氧。

在多通道監測系統實測部分,五台使用者端同時透過藍芽傳輸至中央控制端,在10公尺之內的資料傳輸正確率為100%。
在不考慮位置的情況下帶入校正曲線求得血氧值,得到相關度為0.59,平均誤差為1.075±0.83%。實驗結果得知不同位置校正曲線亦不同,因此求得最佳位置1的校正曲線,並得到相關度為0.9163,平均誤差為0.37±0.49%。在36位受測者實測部分,相關度達0.8083,平均誤差為0.485±0.51%。
Traditional physiological monitoring system is subject to the computer side of the connection allows subjects to be restrict mobility, and only a single physiological measurement of personal information, people can not create multi-channel system architecture. In view of this, the present paper to replace the wireless transmission of physiological signal transmission cable, and the design of multiple-channel system for monitoring and recording physiological signals to achieve a long-term to observe the possible cause of the potential, and physicians to provide professional analysis.

Machine is based on the general transmission of oxygen saturation measurement probe can only be applied to a specific location, easy to shift off a long-term measurement and other shortcomings of the discomfort. Therefore, this paper also design innovative style gloves oxygen saturation machines, not only to resolve the above issues, but also to enhance comfort when wearing and convenience and to avoid the impact of external light source, and can also be applied to achieve the purpose of home.

Synchronous multi-channel monitoring system by the user unit, the central control unit, the monitoring system unit combination. The user unit of the gloves oxygen saturation for the self-developed machine-type, mainly PPG physiological and SpO2 information through the Bluetooth transmission to a central control subsystem side. Central control unit is a combination of a number of subsystems from the side (Slave) systems, as well as all sub-system responsible for receiving information on the main client (Master) system, a combination of the unit. Central control unit can provide multiple channels of user units measurements recorded at the same time, all channels physiological information storage and display waveforms to monitoring system unit . The central control unit can be stored to SD / MMC for physiological information , so that the entire multi-channel monitoring system for the application of more flexible use.

Gloves measurement probe position is different from the transmission probe, the light in tissue is not the same path, is unable to get oxygen saturation simulator calibration curve standards. Therefore measured 40 subjects and Nellcor oxygen saturation measuring machine as the standard calibration curve obtained. At the same time at different positions of the experimental value is to explore the impact of oxygen.

In multi-channel monitoring system for measurement of the five user units through Bluetooth transmission to a central control unit, within 10 meters of the data transmission rate is 100% correct.

Without taking into account the location of the case of oxygen into the value of calibration curve obtained by correlation to 0.59, with an average error of 1.075 ± 0.83%. Results show that the calibration curve at different positions are different, therefore the best place to seek correction of a curve, and correlation to 0.9163, with an average error of 0.37 ± 0.49%. Measured in 36 normal subjects of the correlation of 0.8083, with an average error of 0.485 ± 0.51%.
摘要…………………………………………………………………………I
英文摘要……………………………………………………………………Ⅱ
謝 誌………………………………………………………………………Ⅳ
目錄…………………………………………………………………………Ⅴ
圖目錄………………………………………………………………………Ⅶ
表目錄………………………………………………………………………Ⅸ
第一章 緒論
1.1 引言… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1
1.2 研究動機… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2
1.3 研究方法… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 3
1.4 論文架構… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 4
第二章 多通道監測系統設計
2.1 多通道監測系統架構………………………………………………5
2.2 使用者端設計……………………………………………………………6
2.3 多通道系統端設計………………………………………………………8
2.4 監測系統設計……………………………………………………………12
2.5 藍芽無線傳輸……………………………………………………………15
第三章 血氧濃度計系統設計
3.1 理論基礎…………………………………………………………………16
3.1.1 光體積變化描記法(PPG ) ………………………………………16
3.1.2 血氧濃度原理…………………………………………………………23
3.2 血氧濃度電路設計………………………………………………………26
3.2.1 手套式血氧探頭設計…………… … … … … … … … … … … … 2 0
3.2.2 微處理器_MSP430F461X 系列……………………………………25
3.2.3 光源驅動電路……………………………………………………29
3.2.4 光感測與解調電路………………………………………………31
3.2.5 類比濾波放大電路………………………………………………33
3.2.6 其他電路(時鐘IC、快閃記憶體、電源電路) …………………34
3.3 即時訊號處理……………………………………………………………36
3.3.1 波峰偵測之訊號流程……………………………………………37
3.3.2 動態閥值…………………………………………………………38
3.3.3 血氧值與心率……………………………………………………40
第四章 研究結果
4.1 主從系統與血氧濃度計實體裝置………………………………………42
4.2 無線傳輸穩定度測試……………………………………………………43
4.3 手套式校正曲線設計與實測結果…………………………………44
4.4 探頭位置不同R-ratio 探討………………………………………46
4.5 實測血氧濃度值………………………………………………………51
4.6 光源亮度與R_Ratio 影響……………………………………………52
第五章 結論與未來展望
5.1 結論………………………………………………………………………53
5.2 未來展望…………………………………………………………………54
參考文獻…………………………………………………………………… 55


圖目錄
圖2-1 多通道監測(a)示意圖、(b)系統架構方塊圖…………………………5
圖2-2 使用者端架構方塊圖…………………………………………………7
圖2-3 中央控制端CCU 架構方塊圖…………………………………………8
圖2-4 CCU 內Slave 端流程圖………………………………………………9
圖2-5 (a)封包對應位元組位置圖、(b)封包格式圖………………………9
圖2-6 (a)Mode1:即時儲存於PC 端 (b)Mode2:儲存於SD/MMC……………11
圖2-7 監測系統(MSU)架構方塊圖……………………………………………12
圖2-8 MSU 接收不同USER 封包示意圖………………………………………13
圖2-9 MSU 即時繪圖介面………………………………………………14
圖2-10 離線顯示介面…………………………………………………14
圖2-11 藍芽模組實體圖 (a)正面(b)反面……………………………15
圖3-1 光體積描記圖直流及交流成分示……………………………………17
圖3-2 氧氣交換系統[4]………………………………………………17
圖3-3 不同波長所對應的吸收係數圖………………………………18
圖3-4 血氧濃度計硬體架構…………………………………………19
圖3-5 (a)手套式探頭、(b)血氧濃度機實體圖……………………………19
圖3-6 (a)(b)穿透式探頭與穿戴方式;(c)(d)反射式探頭與穿戴方式…20
圖3-7 (a) Nellcor D-20 穿透式探頭、(b)改良反射式探頭……………21
圖3-8 反射式量測右手指指節示意圖(a)側面圖(b)剖面圖………………22
圖3-9 發光二極體與光偵測器間隔距離研究………………………22
圖3-10 (a)本研究反射式手套、(b)反射式探頭實體圖……………23
圖3-11 本研究自行開發(a)血氧濃度機實體、(b)結合手套………………24
圖3-12 MSP430 內部功能方塊圖[5]…………………………………27
圖3-13 四相時序驅動圖………………………………………………30
圖3-14 (a)傳統led 亮度控制與(b)電壓控制led 亮度…………31
圖3-15 光感測器與訊號解調方塊圖…………………………………31
圖3-16 四相時序對應類比多工器開關解調訊號……………………32
圖3-17 訊號解調與訊號重建………………………………………32
圖3-18 AC 與DC 訊號類比電路方塊圖………………………………33
圖3-19 實測4 階Sallen-key LPF 頻率響應結果……………………34
圖3-20 時鐘IC 與微控制器連接……………………………………35
圖3-21 系統電源轉換電路……………………………………………35
圖3-22 血氧值運算流程………………………………………………36
圖3-23 訊號處理流程…………………………………………………37
圖3-24 動態閥值方法,偵測波峰之位置……………………………39
圖3 - 2 5 ( a ) 原始訊號 ( b ) 濾波後訊號及波峰偵測結果… … … 4 0
圖3-26 心跳週期示意圖………………………………………………41
圖4-1 本研究硬體電路實體圖………………………………………………42
圖4 - 2 藍芽無線傳輸時間v s 距離………………………………43
圖4-3 Nellcor N-595 血氧濃度儀器…………………………………44
圖4-4 實際量測R-ratio 值…………………………………………44
圖4 - 5 反射式血氧濃度校正曲線… … … … … … … … … … … … 4 5
圖 4-6 (a)不考慮探頭擺放位置之相關度、(b)血氧值誤差分佈…………45
圖4 - 7 探頭擺放位置示意圖… … … … … … … … … … … … … … 4 6
圖4-8 不同位置與全部位置的校正曲線……………………………48
圖4 - 9 位置1 ( a ) 血氧值相關度與( b ) 平均誤差分佈… … … … 4 9
圖4 - 1 0 位置2 ( a ) 血氧值相關度與( b ) 平均誤差分佈… … … … 5 0
圖4 - 1 1 位置3 ( a ) 血氧值相關度與( b ) 平均誤差分佈… … … … 5 0
圖4 - 1 2 位置4 ( a ) 血氧值相關度與( b ) 平均誤差分佈… … … … 5 0
圖4-13 所有位置 (a)血氧值相關度與(b)平均誤差分佈…………50
圖4 - 1 4 ( a ) 血氧值相關度與( b ) 平均誤差分佈… … … … … … 5 1
圖 4-15 不同光強度下R-ratio 分佈……………………………………… 5 2
圖4-16 不同光強度血氧值分佈………………………………………52



表目錄
表3-1 穿透式探頭與反射式探頭比較………………………………20
表4 - 1 不同距離下所得藍芽傳輸封包正確率……………………43
表4-2 不同時間,相同位置所量測R-ratio 值………………………47
表4-3 不同位置的訓練族群血氧值之統計結果……………………49
[1] Mehmet R. Yuce ”Wireless Body Sensor Network Using Medical Implant Band”.
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[7] Yitzhak Mendelson, Burt D. Ochs “Noninvasive pulse oximetry utilizing skin reflectance photoplethysmography”.IEEE Transactions on biomedical engineering ,October 1998
[8] http://www.medis-de.com/en/ppg.html
[9] “Mobile Monitoring with Wearable Photoplethysmographic Biosensors”
[10]“生物醫學工程導論-14章 生醫光學與雷射”生物醫學工程學會
[11]涂清源 ”建構無線傳輸與網際網路之居家看護系統”,中原大學電機碩士論文,2000
[12]沈勳燦“看護中心無線電即時生理監測系統”,國立台灣大學電機碩士論文,2000
[13]劉修權 ”利用近紅外光譜做非侵入式之生理訊號量測”,國立交通大學碩士論文,2005
[14]詹皓羽 ”光體積變化描記法之心血管功能診斷應用”中原大學電機碩士論文,2002
[15]張哲銘 ”以微處理機為基礎之即時心率變異性分析儀設計” 中原大學電機碩士論文,1998
[16]張椿宏 ”整合心電圖與即時無線傳輸技術之數位視、聽診儀” 中原大學電機碩士論文 ,2005
[17]于巍、古慶恩”反射式血氧飽和度無創檢測的實驗研究”,2007
[18] “MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例” 南京航空航天大學,2002
[19]段煥春 ”MSP430系列單片機C語言程序設計與開發”2002
[20]紀進鴻“四通道生理訊號儲存與回讀系統”中原大學電機碩士論文,1999
[21]陳秉淮“可攜式脈波量測及分析系統” 中原大學電機碩士論文,2006
[22]羅文煬“廣用型脈診系統設計” 中原大學電機碩士論文,2009
[23]王俊傑 ”以MP3錄音機製作可攜式血氧濃度長時間記錄器” 中原大學醫工碩士論文,2005
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