臺灣博碩士論文加值系統

本論文利用MSP430晶片作為核心，搭配戒指型感測探頭與無線藍芽模組，建構一套具有無線傳輸之戒指型血氧濃度檢測系統，不論是在戶外運動量測或室內醫療監測，皆可利用此裝置，在系統架構設計上，利用MSP430高度模組整合優勢，簡化電路佈局。本論文將LED和光源接收器放置於近端指骨，並探討感測器擺放位置與晃動的影響。
結果顯示，儀器經過校正後，指尖感測血氧飽和度數值均方根運算誤差在1%以下，戒指型感測血氧飽和度數值均方根運算誤差在2%以下。訊號經由有線RS-232與無線藍芽傳輸，電腦端透過LabVIEW接收或LCD面板顯示。
本論文加入時鐘、碼表、運動時間計時以及計步等功能，利用三軸加速度計運算得到的計步量，交給MSP430計算求得步行的里程數與消耗的卡洛里。

In this paper, I apply MSP430 chip as the core, with the ring sensor probe and the wireless Bluetooth module to construct a wireless transmission system for Pulse Oximeter using Ring Sensor. The device can be used on indoor medical monitoring and outdoor activities measuring. The design of the system architecture, using the advantages of MSP430 combine many module in one chip to simplify the circuit layout. Therefore, I placed the LED and the light sensor on the phalanx, then discuss impacts of sensor places and shaking.
After the instrument is calibrated, the results show that the oxygen saturation operational error in the rms is below 1% of the finger sensor. And the oxygen saturation operational error in the rms is below 2% of the ring sensor. Data were transmitted through RS-232 signal line and wireless Bluetooth, then the computer terminal receive the data by the display of LabVIEW or LCD panel.
Furthermore, the study adds the clock, stopwatch, timer in exercise time and pedometer and other functions to the devise. And applying pedometers computed by three-axis accelerometer to the MSP430. Then use the MSP430 to calculate mileage and calories consumed.

目錄
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1-1. 研究背景 1
1-2. 研究動機與目的 3
1-3. 文獻回顧 4
1-4. 市場調查 6
1-5. 論文章節架構 8
第二章 研究原理與理論分析 9
2-1. 血氧濃度偵測原理 9
2-1.1. 比爾朗伯定律 10
2-1.2. 血氧濃度定義 13
2-1.3. 血氧濃度計算理論 15
2-2. 心跳計算 19
2-3. 藍芽傳輸系統 20
2-4. 光源感測位置探討 22
2-4.1. 灌流係數(Perfusion Index) 22
2-4.2. 手指生理結構 23
第三章 系統設計與實現 25
3-1. 系統架構 25
3-2. 硬體電路設計 27
3-2.1. 光感測器 27
3-2.2. LED驅動電路 28
3-2.3. 接收回授電路 31
3-2.4. FIR數位濾波器 32
3-2.5. RS-232串列傳輸 33
3-2.6. LCD顯示電路 34
3-2.7. 三軸加速度計 37
3-3. 無線藍芽模組 40
3-4. 韌體設計 41
3-4.1. 系統程式 41
3-4.2. 血氧值計算程式 42
3-4.3. 計步演算程式 44
3-4.4. LabVIEW程式架構 45
第四章 系統實驗及驗證 49
4-1. PS97生理信號模擬儀器介紹 49
4-2. 電路訊號分析 51
4-3. 戒指型感測探頭位置測試 53
4-4. LED發光強度選擇 55
4-4.1. 發光強度與訊號穩定度測試 55
4-4.2. 手指晃動測試 57
4-5. 戒指型感測與指尖感測訊號比較 58
4-6. 無線藍芽傳輸實驗結果 60
4-6.1. 失真情況改善 60
4-6.2. 實驗結果 62
4-7. 實驗結果及驗證 63
4-7.1. 指尖感測驗證 63
4-7.2. 戒指型感測驗證 68
4-8. 校正方法[18] 74
4-9. 系統功耗分析 77
第五章 結論與未來展望 79
5-1. 結論 79
5-2. 未來展望 80
參考文獻 81
附錄一、口試委員建議事項 86
附錄二、系統說明書 88
作者簡介 101

圖目錄
圖2-1、比爾朗伯定律(BEER-LAMBERT’S LAW) 11
圖2-2、去氧血紅素與含氧血紅素之光吸收頻譜分布圖[9] 12
圖2-3、血基質構造圖 14
圖2-4、鐵分子即是氧分子與血紅素結合處 15
圖2-5、手指的血管模型 16
圖2-6、光體積描記圖直流及交流成分示意圖[13] 17
圖2-7、越零率說明圖示 19
圖2-8、手指指骨剖面圖[36] 23
圖2-9、右手骨頭掌側面[37] 23
圖2-10、手指動脈與神經[37] 24
圖2-11、手部動脈與神經掌側面[37] 24
圖3-1、系架構圖 26
圖3-2、電路方塊圖 27
圖3-3、光學感測器內部線路 28
圖3-4、LED發光時序圖 29
圖3-5、光檢測器在不同波長的感光度[33] 29
圖3-6、LED驅動電路圖 30
圖3-7、接收迴授電路[12] 31
圖3-8、HIN232線路圖[26] 34
圖3-9、液晶顯示器線路圖 35
圖3-10、TN-LCD腳位接線圖 36
圖3-11、LCD SEGMENT 36
圖3-12、LCD PCB LAYOUT 37
圖3-13、MMA8452Q腳位圖 38
圖3-14、I2C資料讀取時序圖 40
圖3-15、I2C資料寫入時序圖 40
圖3-16、無線藍芽接發收模組 41
圖3-17、系統程式設計流程圖 42
圖3-18、血氧值計算程式設計流程圖 43
圖3-19行走時三軸G值變化圖 44
圖3-20、計步程式設計流程圖 45
圖3-21、LABVIEW串列函式 46
圖3-22、字串判讀函式 47
圖3-23、運算與顯示函式 48
圖3-24、LABVIEW顯示面板 48
圖4-1、無線傳輸戒指型血氧濃度檢測系統 49
圖4-2、生理訊號模擬器探頭 50
圖4-3、PS97 生理信號模擬儀器 50
圖4-4、血氧訊號讀出電路 51
圖4-5、OP0輸入訊號(PIN 75、77) 51
圖4-6、OP0輸出訊號(PIN 76) 52
圖4-7、OP1輸出訊號(PIN 2) 52
圖4-8、訊號頻譜分析 52
圖4-9、FIR數位濾波濾除(60HZ)之訊號 52
圖4-10、去除OFFSET之訊號 52
圖4-11、感測位置指骨正下方訊號強度 53
圖4-12、感測位置指骨右方訊號強度 53
圖4-13、感測位置指骨左方訊號強度 54
圖4-14、感測位置指骨右下方訊號強度 54
圖4-15、感測位置指骨左下方訊號強度 54
圖4-16、最強發光強度輸出波形 56
圖4-17、中等發光強度輸出波形 56
圖4-18、最弱發光強度輸出波形 57
圖4-19、戒指型感測上下晃動訊號波形 57
圖4-20、戒指型感測左右晃動訊號波形 58
圖4-21、戒指型感測前後晃動訊號波形 58
圖4-22、戒指型與指尖感測探頭 59
圖4-23、未被FIR數位濾波器濾除之紅光訊號 59
圖4-24、指尖感測紅光訊號 59
圖4-25、指尖感測紅外光訊號 60
圖4-26、未被FIR數位濾波器濾除之紅光訊號 60
圖4-27、戒指型感測紅光訊號 60
圖4-28、戒指型感測紅外光訊號 60
圖4-29、無線藍芽傳輸失真訊號 61
圖4-30、無線藍芽傳輸紅光訊號 62
圖4-31、無線藍芽傳輸紅外光訊號 62
圖4-32、模擬器設定SpO2=100%、HR=60BPM的指尖探頭量測結果 63
圖4-33、模擬器設定SpO2=95%、HR=60BPM的指尖探頭量測結果 64
圖4-34、模擬器設定SpO2=90%、HR=60BPM的指尖探頭量測結果 64
圖4-35、模擬器設定SpO2=85%、HR=60BPM的指尖探頭量測結果 64
圖4-36、模擬器設定SpO2=80%、HR=60BPM的指尖探頭量測結果 65
圖4-37、模擬器設定SpO2=75%、HR=60BPM的指尖探頭量測結果 65
圖4-38、模擬器設定SpO2=70%、HR=60BPM的指尖探頭量測結果 66
圖4-39、模擬器設定SpO2=65%、HR=60BPM的指尖探頭量測結果 66
圖4-40、模擬器設定SpO2=60%、HR=60BPM的指尖探頭量測結果 66
圖4-41、模擬器設定SpO2=100%、HR=60 BPM的戒指型探頭量測結果 68
圖4-42、模擬器設定SpO2=95%、HR=60 BPM的戒指型探頭量測結果 68
圖4-43、模擬器設定SpO2=90%、HR=60BPM的戒指型探頭量測結果 68
圖4-44、模擬器設定SpO2=85%、HR=60 BPM的戒指型探頭量測結果 69
圖4-45、模擬器設定SpO2=100%、HR=60BPM的戒指型探頭量測結果 69
圖4-46、模擬器設定SpO2=75%、HR=60 BPM的戒指型探頭量測結果 69
圖4-47、模擬器設定SpO2=70%、HR=60 BPM的戒指型探頭量測結果 70
圖4-48、模擬器設定SpO2=65%、HR=60 BPM的戒指型探頭量測結果 70
圖4-49、模擬器設定SpO2=60%、HR=60 BPM的戒指型探頭量測結果 70
圖4-50、模擬器設定SpO2=90%、HR=35 BPM的戒指型探頭量測結果 71
圖4-51、模擬器設定SpO2=90%、HR=60 BPM的戒指型探頭量測結果 72
圖4-52、模擬器設定SpO2=90%、HR=90 BPM的戒指型探頭量測結果 72
圖4-53、模擬器設定SpO2=90%、HR=120 BPM的戒指型探頭量測結果 72
圖4-54、CURVEEXPRET 軟體介面 75
圖4-55、RATIO(X軸)與SPO2(Y軸)的關係圖 76
圖4-56、求得A、B、C、D 四個新參數 76

表目錄
表1-1、台灣販售手持式血氧濃度計[39] 7
表1-2、台灣販售指尖型血氧濃度計[39] 7
表1-3、國外網站手持式血氧濃度計[40] 7
表1-4、國外網站指尖型血氧濃度計[40] 8
表2-1、HB和HBO2對紅光及紅外光的吸收係數[11] 18
表3-1、液晶顯示器LCD腳位定義圖 35
表3-2、MMA8452Q靈敏度選擇 38
表3-3、I2C串列介面腳位說明表[26] 39
表4-1、指尖量測血氧值計算結果 67
表4-2、戒指型量測血氧值計算結果 71
表4-3、戒指型量測心跳值計算結果 73
表4-4、系統功耗量測 77
表4-5、系統模組功耗 77

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