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研究生:洪佳君
論文名稱:新穎血氧濃度影像技術之研究
論文名稱(外文):A Novel Near-Infrared Image Analysis Technology for Blood Oxygen Saturation Measurement
指導教授:沈志雄沈志雄引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:53
中文關鍵詞:近紅外線光學影像血氧濃度非接觸式
外文關鍵詞:NIR Optical ImageOxygen Saturationnon-contact
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目前量測脈搏血氧飽和濃度之方式為採用光學反射或穿透之架構,其
分析模型是根據比爾-朗伯定律建構,僅提供單點的血氧飽和濃度訊息。本
論文提出一新穎的演算法作血氧飽和濃度影像校正,使其成為一種新測定
血氧飽和濃度的影像技術。
以反射式血氧飽和濃度之影像技術提供非侵入式、非接觸式及區域性
血氧飽和濃度訊息應用,研究中使用CCD 攝影機作為影像接收裝置,選擇
630nm 及940nm 光源,並設計量測裝置應用於組織,觀察其特性變化情形。
根據實驗結果得知,虹膜及手部組織之血氧飽和濃度隨血紅素低含氧量而
有相同之變動趨勢,由此可知系統的可行性。以比對結果來進行更精確之
校正,調整後之平均誤差達0.02%,未來可提供組織訊息之研究及醫學評估
參考。
Based on the Beer-Lambert's analysis model, the commercial Pulse
Oximeter senses the optical reflection or refraction to provide simply point
signal. In this research report, a novel algorithms of optical image correction of
the blood oxygen saturation is proposed.
However, reflection images technique can present arterial oxygen
saturation by pulse oximeter (SpO2) of non-invasive and non-contact and region
information. We use the charge-coupled device (CCD) camera to receive the
images. The system adopts 630nm red and 940nm near-infrared wavelengths to
derive the tissue blood oxygen saturation and investigate their correlation.
According to the experimental results, it proves the feasibility of measuring
blood oxygen saturation by iris and hand tissue low oxygen approach, while
variations trends are the same. Moreover, after adjustment measurement value
average deviation reaches around 0.02% could be developed to provide more
tissue information for research and medical uses in the future.
中文摘要 I
英文摘要 II
論文目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 VIII
第一章 緒論
1-1 前言 1
1-2 研究背景與動機 2
1-3 文獻回顧 3
1-4 2 維皮膚血氧飽和濃度測量 4
1-5 論文架構與研究方法 5
第二章 血氧飽和濃度量測技術簡介
2-1 血氧飽和濃度(SpO2) 7
2-2 光學式脈搏血氧儀(Pulse Oximeter)之量測基本原理 7
2-3 光在生物組織內的傳遞 9
2-4 血氧飽和濃度量測應用 10
第三章 血氧飽和濃度影像分析模型建立
3-1 比爾-朗伯定律(Beer-Lambert's Law) 11
3-2 校正分析模型推導 12
3-3 反射式分析模型建立 15
第四章 血氧飽和濃度影像系統設計
4-1 血氧飽和濃度影像量測架構 18
4-1-1 CCD 攝影機 19
4-1-2 光源 20
4-1-3 軟體之程式設計 20
4-1-4 資料擷取裝置(DAQ) 22
4-2 血氧飽和濃度影像分析之實驗架構 23
4-2-1 虹膜組織 24
4-3 量測架構之控制電路 25
4-3-1 固態繼電器(SSR)之特性與應用 25
4-4 近紅外線(NIR)光學影像擷取流程 27
4-5 區域組織之影像訊號處理 31
第五章 實驗結果與討論
5-1 虹膜組織血氧飽和濃度影像分析 35
5-2 手部組織血氧飽和濃度影像分析 38
第六章 結論與未來展望
6-1 結論 43
6-2 量測與改善 44
6-3 未來展望 44
參考文獻 46
附錄 52
著作 53

圖目錄
圖 1-1 特定光譜下手指組織血液呈現週期性變化 2
圖 1-2 偏振控制獲取多光譜影像 5
圖 2-1 血紅素在紅光及近紅外光波長之吸收特性曲線 8
圖 2-2 光學式脈搏血氧儀之量測原理 8
圖 2-3 光在組織中之強度變化 9
圖 3-1 光吸收示意圖 11
圖 3-2 反射式量測示意圖 12
圖 4-1 血氧飽和濃度影像系統分析系統架構 18
圖 4-2 CCD 攝影機之感光度 19
圖 4-3 資料擷取裝置(USB-6009)之使用架構 22
圖 4-4 血氧飽和濃度影像擷取分析之實驗架構 23
圖 4-5 波長630nm 及940nm 光源照射之虹膜組織影像 24
圖 4-6 眼部組織構造 24
圖 4-7 LED 光源控制之等效電路圖 26
圖 4-8 LED 光源控制電路裝置 26
圖 4-9 量測架構之程式流程圖 28
圖 4-10 630nm 影像擷取程式方塊圖 30
圖 4-11 940nm 影像擷取程式方塊圖 30
圖 4-12 影像擷取之操作視窗 31
圖 4-13 影像訊號處理之程式流程圖 32
圖 4-14 影像訊號處理之程式方塊圖 33
圖 4-15 630nm/940nm 影像訊號處理之操作視窗 34
圖 5-1 閉氣60 秒估算值之血氧飽和濃度曲線 37
圖 5-2 血氧飽和濃度估算曲線 38
圖 5-3 標準血氧儀與研究之血氧飽和濃度量測比較 40
圖 5-4 標準血氧儀與研究之血氧飽和濃度影像線性分佈 40
圖 5-5 標準血氧儀與研究設計之血氧飽和濃度影像量測比較 42

表目錄
表 3-1 血紅素之吸收係數ε(L.mmol-1.cm-1) 17
表 5-1 閉氣60 秒(h60)-R 及SpO2 估算值 36
表 5-2 區域血氧飽和濃度值 39
表 5-3 研究設計之血氧飽和濃度影像調整 41
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