呼吸频率检测计的设计.doc
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呼吸频率检测计的设计.doc
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河南科技大学毕业设计(论文)
呼吸频率检测计的设计
摘要
呼吸频率,实际上就是每分钟的呼吸次数,它是急性呼吸功能障碍的敏感指标。
不论是医生还是护理人员都把它作为生命指征之一。
因此,测定呼吸频率在临床上有很重要的意义。
呼吸系统功能的监测是临床监护的一个重要方面,而呼吸频率是检测人体呼吸功能的一个基本指标。
正常成年人呼吸频率为每分钟16—20次,小儿呼吸频率为每分钟20—30次,而新生儿可达每分钟44次。
本论文设计的呼吸频率范围为每分钟0—100次。
本论文设计一套用于检测及显示人体呼吸频率这一人体基本生理信号的系统,通过输入一系列二氧化碳幅值信号,可以在最终的显示电路部分及时显示出正确的呼吸频率数。
采集相应的呼吸频率信号,通过本系统的滤波,放大,整形,脉冲计时电路,最终在显示电路部分显示出来呼吸频率的检测结果。
本设计采用了四倍频的方法,使测试呼吸频率的时间由一分钟缩短为15秒,使测试更加快捷。
这一设计提高了测试效率,节省了大量时间。
由于二氧化碳信号属于低频信号,所以只需要采用低通滤波器,就可以得到无杂质的二氧化碳信号。
二氧化碳信号幅值为mV级别,所以要采用放大电路使原始信号放大到V级,这样可以使测试结果更加准确。
关键词:
呼吸频率,放大,滤波,显示,计数
DESIGNOFBREATHINGRATEDETECTOR
ABSTRACT
Actuallybreathingrateisthefrequencyofbreathingperminute.Itisanimportantindicatorofacuterespiratorydysfunction.Bothdoctorsandnursesregardeditasoneoflifeindication.Thus,measurementofbreathingratehasimportantclinicalsignificance.Respiratoryfunctionmonitoringisanimportantaspectofclinicalcare;thebreathingrateisabasicindicatoroftestingbreathingfunctioninthehumanbody.
Normaladult’sbreathingrateis16-20timesperminute.Achild’sbreathingrateis20-30timesperminute.ANew-bornchild’sisupto44timesperminute.Inthisthesis,therespiratoryfrequencyrangeof0-100timesperminute.
Inthisthesis,asystemisdesignedtodetectandtodisplaythebasicphysiologyofhumanrespiratoryfrequency.Inputaseriesofbreathingsignal,thefinalpartofthenumberofbreathingratewillbeshownintime.Collectingthebreathingsignal,throughthissystem,filtering,amplification,shaping,pulsetimingcircuit,partofthefinalcircuitisshowninthedisplaytheresultsoftestsrespiratoryrate.Thisdesignusesafour-wayharmonic,breathingfrequencyofthetestingtimereducefromoneminuteto15seconds,makingtestingmoreefficient.Thisdesignimprovestestingefficiencyandsavealotoftime.Asthecarbondioxidesignalislowfrequencysignal,soonlylow-passfilter,youcangetthecarbondioxidesignalwithoutimpurities.CarbondioxidesignalisatthelevelofmVdegrees.Therefore,amplifiercircuitisusedtomaketheoriginalsignalamplifyingtothelevelofVdegree,thiswillenableamoreaccuratetestresults.
KEYWORDS:
breathingrate,amplifier,filter,display,count
目录
摘要 I
ABSTRACT II
前言 1
第一章绪论 2
§1.1课题研究的意义与现状 2
§1.2课题研究的理论依据 2
§1.3本章小结 3
第二章总体设计方案及流程框图 4
§2.1系统设计原则 4
§2.2总体设计方案及流程框图 5
§2.3本章小结 5
第三章数字电路模块的设计 6
§3.1呼吸检测部分电路设计 6
§3.1.1放大及滤波电路 6
§3.1.2整形电路 9
§3.1.3计时电路 11
§3.1.4倍频电路 12
§3.1.5显示电路 13
§3.2A/D转换器 14
第四章系统仿真及调试 18
§4.1仿真软件简介 18
§4.2呼吸检测仿真结果 18
§4.3本章小结 21
结论 22
参考文献 23
致谢 25
附录 26
26
前言
当今社会,人们的生活水平有了很大的提高,人们对生命质量的要求也越来越高。
但是因为环境污染及其他方面原因导致的人体各方面的疾病越来越多。
人体各种突发性疾病都能从呼吸方面体现出来,所以呼吸检测是一个重要的医学检测手段。
呼吸是人体内外环境之间进行气体交换的必需过程,人体通过呼吸系统吸进氧气、呼出二氧化碳,从而维持正常的生理功能。
每分钟的呼吸次数即呼吸频率。
呼吸频率随年龄、性别和生理状态而异。
成人平静时的呼吸频率约为每分钟16~18次;儿童约为每分钟20次;一般女性比男性快1~2次。
我们可以通过测定人体呼出的二氧化碳量来测定人体的呼吸频率,临床诊断中医生利用呼吸频率可以初步检测人体是否患有疾病。
呼吸频率检测计的设计应满足以下几方面的要求:
能够精确地监测人体呼吸频率参数,并判断其是否处于正常范围之中;能够满足实时、连续、无创、人性化的要求。
现在最常见的呼吸频率检测方法有:
超声多普勒呼吸频率检测,即利用人体呼吸时的胸廓的运动,把超声波打到运动部位产生多普勒现象,通过电路分析,检测出呼吸频率,达到非接触的检测目的;以8098单片机为基础的阻抗式呼吸频率检测系统,具有实时检测呼吸频率参数和自动报警功能;敏法呼吸频率检测,采用PN结温度传感器和热电阻作为传感器,设计了相应的放大,滤波,波形变换电路,得到反映呼吸频率的数字信号。
第一章绪论
§1.1课题研究的意义与现状
在现代社会中,随着人们的健康意识和保健要求的日益增强,医疗模式由对症治疗向预防为主转变,适用于家庭的人体健康状况监测系统的需求越发迫切。
同时,作为各级医院基本设备配置的监护设备,也正被广泛的运用,并且促进了医院业务项目的开展,如社区服务,现场紧急救护等。
在这一背景下,很多的科研工作者依然致力于人体生理参数监护系统的研究,希望使其功能更加完善。
呼吸功能是人体生命功能之一,简单的说,呼吸过程就是给全身的组织输送氧气,排出二氧化碳的过程,受呼吸过程影响最大的人体器官是脑和心。
呼吸功能的检测,对于诊断某些呼吸系统疾病,估计呼吸功能损害程度,起到很大作用。
除了对疾病本身的治疗意义外,更重要的是指导病人的呼吸管理、急救复苏、重症病人的诊断治疗等。
机体在多种因素下发生呼吸生理功能紊乱的同时,常伴有循环、神经、内分泌代谢、肝肾等其他系统功能的变化,且他们之间又互为因果。
因此在对呼吸功能进行检测的同时,应全面对其他人体系统进行检测,才不至于顾此失彼。
目前的监测系统可向医护人员提供病人生命体征的各项重要参数,利用这些信息,临床医生能更好地分析患者的病情,使医生的诊断和治疗建议更快,更准确地反馈到对病人的治疗中,从而采取适当的治疗措施,获得最佳的治疗效果,因此人体生理参数监测系统的作用越来越受到重视。
本设计正是基于这一现状,利用大学期间所学专业知识设计一个能对人体生理参数进行无创监测的简易系统。
§1.2课题研究的理论依据
呼吸信号是一种频率很低的微弱人体生理信号,由于呼吸信号取自人体,信号源阻抗较高,而且存在着较强的背景噪声和干扰,呼吸是人体重要的生理过程,对人体呼吸的监护检测也是现代医学监护技术的一个重要组成部分。
呼吸信号不仅仅局限于呼吸频率、呼吸节律、动脉血气以及普通胸片等常规项目,更受到重视的是,能确切反映患者通气/氧合状况并能指导机械通气治疗参数调节和临床用药的指标。
人体生理信号的监测技术已有五十多年的发展历程了,最初主要是应用于心电信号的监测。
到目前为止,人体监护系统已经能够对大多数生理信号进行检测,其监测方法基本上是相同的。
呼吸信号具有下列特点:
1、微弱性:
呼吸信号通常是mV级别,常见的呼吸信号幅度在5mV左右。
2、低频特性:
常见的呼吸信号一般在0~100Hz之间,能量主要集中在17Hz附近。
3、信号源阻抗高:
信号源内阻可达几兆欧或者几千欧。
4、强噪声背景:
在检测呼吸信号的同时存在着来自于测量系统外部的强大的干扰,这些干扰主要包括电磁干扰、电场干扰和磁场干扰。
本文主要采用测定人体内二氧化碳量的变化信号来确定人体呼吸频率,通过测定15秒内人体二氧化碳信号的变化,采用四倍频的方法即可测定出来一分钟内人体呼吸频率。
该系统采用的具体测量方法:
输入一个收集到的二氧化碳信号,经滤波电路滤波,得到无杂质的二氧化碳信号,然后采用放大电路将微弱信号放大,放大后的信号输入555定时器单稳态触发器进行整形将不规则的波整形成较规则的矩形波,方便计数。
§1.3本章小结
本章主要介绍了课题研究的意义与现状,以及设计的理论依据。
第二章总体设计方案及流程框图
§2.1系统设计原则
本设计为一套无创监测人体生理信号的简易系统。
这是一套能够实时地对人体的呼吸频率进行检测,其基本要求有无创,实时,连续。
由于人体呼吸信号十分微弱,噪声背景强且信号源阻抗较大,因此,在设计过程中通常要求放大器具有高增益,高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能。
(1)高增益
由于人体生理信号幅度非常小,为毫伏级。
只有高增益才能使信号放大到便于分析的程度。
通常选择增益在60db(1000倍)~120db(100万倍)之间。
(2)高输入阻抗
通过传感器提取的生理信号是不稳定的高内阻源的微弱信号,为了减小信号源内阻的影响,必须提高放大器的输入阻抗。
信号源阻抗不仅因人而异,因生理状态而异,与传感器的安放位置,传感器本身的物理状态都有密切关系。
源阻抗的不稳定性将使放大器电压增
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