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主流式ETCO_2检测系统设计及信号处理方法研究

作　者: 李昌锋
导　师: 沙洪
学　校: 北京协和医学院
专　业: 生物医学工程
关键词: ETCO2检测 NDIR ADμC7026 气室设计温度补偿基线跟踪
分类号: TN911.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

人体呼气末二氧化碳浓度(ETCO2)检测具有重要的生理学意义和临床应用价值。ETCO2可以反映病人的代谢、通气和循环状态,是重要的生命指标之一。因此研究一种简便、经济实用的ETCO2检测系统具有重要意义。本文研究的ETCO2检测系统采用的是非分光红外吸收气体检测方法(NDIR, Non-Dispersive Infrared)。该方法的原理基础是朗伯比尔定律,即通过找气体浓度与红外光衰减量之间的对应关系来计算气体浓度。基于此原理,本文深入研究了气室结构设计理论,并提出了本系统的气室设计方案：选用PerkinElmer公司的红外光源IRL715和双通道探测器TP2534,通过单光源双光路法来完成主流式气室的一体化设计。这种双光路测量参比设计,可以有效减小由光源波动和探测器温漂以及杂质气体吸收所造成的干扰。本系统选用以ARM7为内核的ADμC7026作为硬件电路主控芯片,实现对电源,光源驱动,探测器,信号调理及A/D采样,温度信号采集等模块的控制,并利用该芯片的数据处理性能和存储优势进行信号处理和算法补偿,以提高系统的测量精度和准确度。信号处理设计流程为：采用差动法与对数法相结合的方式完成二氧化碳浓度信号提取,通过建立模型和模型参数求解进行温度补偿,根据人机输入参数可调实现系统自校准,利用自适应阈值法和定时校准进行稳定的基线跟踪。最后通过传感器性能测试验证了本系统运行稳定,响应快,数据准确可靠,基本误差较小,能够用于对呼吸二氧化碳浓度进行连续实时监测和参数计算。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-9
第一章绪论  9-17
  1.1 ETCO_2检测的生理学意义和临床应用  9-10
    1.1.1 ETCO_2检测的生理学意义  9
    1.1.2 ETCO_2监测的临床应用  9-10
  1.2 二氧化碳浓度检测方法  10-12
  1.3 国内外研究进展  12-15
    1.3.1 检测技术上的发展  12-13
    1.3.2 气体采样方式的发展  13-15
  1.4 本文的主要工作  15-17
第二章基于红外吸收原理的气体检测方法  17-23
  2.1 红外吸收法基本原理  17-20
    2.1.1 红外吸收光谱产生的条件  17-18
    2.1.2 CO_2吸收光谱和测量波长的选择  18-19
    2.1.3 红外吸收检测的工作原理  19-20
  2.2 红外吸收法的分类  20-21
  2.3 红外吸收方法的优点  21-23
第三章非分光红外传感器气室设计  23-32
  3.1 光源选择和设计  23-26
    3.1.1 连续发光源与调制  23-25
      3.1.1.1 非调制型光源  24
      3.1.1.2 调制型光源  24-25
    3.1.2 激光发光源  25-26
  3.2 滤光片的选择  26
  3.3 探测器  26-28
    3.3.1 光子探测器  26-27
    3.3.2 光热探测器  27-28
      3.3.2.1 热电堆探测器  27-28
      3.3.2.2 热释电传感器  28
  3.4 气室设计  28-29
    3.4.1 气室材料的选择  29
    3.4.2 气室的光学结构设计  29
  3.5 本系统传感器气室设计  29-32
第四章硬件电路设计  32-42
  4.1 电源模块  32-33
  4.2 光源驱动模块  33-34
  4.3 信号调理模块  34-35
  4.4 温度信号提取模块  35-36
  4.5 数字控制模块  36-42
    4.5.1 主控芯片特点及其典型工作电路介绍  36-39
      4.5.1.1 电源和接地  37-38
      4.5.1.2 线性稳压器  38
      4.5.1.3 时钟振荡器  38-39
      4.5.1.4 程序下载电路  39
    4.5.2 A/D转换  39-40
    4.5.3 温度传感器  40
    4.5.4 UART串行接口  40-41
    4.5.5 看门狗定时器  41-42
第五章信号处理设计  42-54
  5.1 双光路信号提取方法  42-45
    5.1.1 双光路测量工作原理  42-43
    5.1.2 对数处理  43-44
    5.1.3 差动处理  44-45
  5.2 温度补偿  45-49
    5.2.1 探测器端温度补偿  45-48
    5.2.2 环境温度补偿  48-49
  5.3 校准模块  49-50
  5.4 基线跟踪和数据映射  50-54
    5.4.1 基线跟踪  50-51
    5.4.2 波形实时显示  51
    5.4.3 呼吸率的计算  51-52
    5.4.4 ETCO_2计算  52-54
第六章传感器性能测试  54-57
  6.1 参数规格测量  55
  6.2 基本误差分析  55-56
  6.3 响应时间测量  56
  6.4 稳定性测试  56-57
第七章总结和展望  57-59
  7.1 工作总结  57-58
  7.2 后续展望  58-59
参考文献  59-62
致谢  62-63
综述  63-70
  参考文献  69-70

主流式ETCO_2检测系统设计及信号处理方法研究

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