本文選題：近紅外光譜 + 無創(chuàng)傷血液成分檢測��； 參考：《中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)》2015年碩士論文

【摘要】：血液成分檢測是診斷疾病的重要手段。常規(guī)的血液成分檢測采用抽血的方法,不但給病人帶來痛苦和交叉感染的風險,而且不能實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測。因此,人體血液成分的“無創(chuàng)、連續(xù)監(jiān)測”無疑為人們所迫切企盼。近紅外光譜在無創(chuàng)傷血液成分檢測方面具有很大的優(yōu)勢,如無試劑、無污染、無創(chuàng)傷、可連續(xù)監(jiān)測。然而,國內(nèi)外學(xué)者在此領(lǐng)域耗費了大量的時間和精力,依然不能使近紅外無創(chuàng)傷血液成分檢測技術(shù)達到臨床應(yīng)用的水平。主要問題在于:血液中葡萄糖、膽固醇、甘油三酯等組分的信號非常微弱,而且血液的近紅外光譜受到人體組織背景的嚴重干擾。為克服背景干擾,陳星旦提出了“血流容積差光譜相減法”,該方法對光譜儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了如下要求:(1)采集系統(tǒng)必須能夠同時采集所有波長點處的信號;(2)采集系統(tǒng)每秒鐘至少需采集50幅光譜圖;(3)采集系統(tǒng)的信噪比要顯著高于10000:1。依據(jù)實驗室前期研究成果,采用16元陣列式探測器同時采集16個獨立像元的方法,既保證所有波長點的光強信號采集自同一時刻,又能使儀器具有較高的采集速度和信噪比。這就要求儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠同時對16個通道的血液脈搏波數(shù)據(jù)進行高速、高信噪比的采集。本文針對無創(chuàng)傷血液成分檢測儀器中的基于FPGA的高速、多通道光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了研究。文章主要包括光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計和FPGA邏輯設(shè)計,具體研究內(nèi)容和主要結(jié)論如下:1)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分進行了詳細設(shè)計,用高精度A/D芯片實現(xiàn)16通道數(shù)據(jù)的并行采集;采用SRAM芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存;采用USB芯片CY7C68013實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,采用FPGA作為系統(tǒng)的控制核心,實現(xiàn)對系統(tǒng)各個部分的控制。2)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的FPGA程序進行了詳細設(shè)計,包括A/D控制模塊、乒乓RAM控制模塊、SRAM控制模塊和USB數(shù)據(jù)通信模塊,并將各模塊綜合成完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制程序,實現(xiàn)了16通道人體血液脈搏波數(shù)據(jù)的高速、高信噪比采集。3)使用該系統(tǒng)對一個電壓為1.357V的穩(wěn)壓源進行了測量,在19531Hz采樣率下,系統(tǒng)信噪比可以達在40000:1。在該采樣率下,對一名男性進行了脈搏波信號的采集,系統(tǒng)每秒采集305幅光譜圖,實驗證明,該系統(tǒng)可以采集到高信噪比的人體血液脈搏波信號。滿足無創(chuàng)傷血液成分檢測儀器對于其光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。4)研究了脈搏波信號濾波處理的方法,采用小波分析的方法進行脈搏波信號去噪可以獲得較好的效果。通過多組對比實驗表明,使用sym8小波進行兩層分解,函數(shù)形式采用rigrsure,門限閾值采用硬閾值可以獲得最好的濾波效果,濾波后的量化信噪比可達151.1331,均方誤差為5.61E-05。
[Abstract]:The detection of blood components is an important method in the diagnosis of diseases. The method of blood sampling not only brings the patient the risk of suffering and cross infection, but also can not realize continuous monitoring. Therefore, the non-invasive, continuous monitoring of human blood composition is unquestionably expected by people. Near-infrared spectroscopy (NIR) has great advantages in the detection of non-invasive blood components, such as no reagent, no pollution, no trauma, and can be continuously monitored. However, scholars at home and abroad have spent a lot of time and energy in this field, and still can not make the near infrared non-invasive blood component detection technology to the level of clinical application. The main problem is that the signals of glucose, cholesterol and triglyceride in blood are very weak, and the near infrared spectrum of blood is seriously disturbed by the background of human body. In order to overcome the background interference, Chen Xingdan put forward the "volume difference spectral phase subtraction of blood flow". This method puts forward the following requirements for the data acquisition system of the spectrometer: 1) the acquisition system must be able to collect signals at all wavelength points at the same time.) the acquisition system needs to collect at least 50 spectral maps per second.) the signal to noise ratio of the acquisition system is significantly higher than that of 10 000: 1. According to the previous research results of the laboratory, the 16 element array detector is used to collect 16 independent pixels simultaneously, which can not only ensure that the light intensity signals of all wavelength points are collected from the same time, but also make the instrument have higher acquisition speed and signal-to-noise ratio (SNR). This requires that the data acquisition system of the instrument can simultaneously collect the blood pulse wave data of 16 channels at high speed and high signal-to-noise ratio (SNR). A high speed multichannel spectral data acquisition system based on FPGA is studied in this paper. This paper mainly includes the hardware design and FPGA logic design of the spectral data acquisition system. The specific research contents and main conclusions are as follows: (1) the hardware part of the data acquisition system is designed in detail. High precision A / D chip is used to realize 16 channel data parallel acquisition, SRAM chip is used to realize data storage, USB chip CY7C68013 is used to realize data communication, and FPGA is used as the control core of the system. The FPGA program of the data acquisition system is designed in detail, including the A / D control module, the ping-pong RAM control module and the USB data communication module. The modules are integrated into a complete control program of the data acquisition system, and the high-speed and high signal-to-noise ratio (SNR) acquisition of 16-channel human blood pulse wave data is realized. The system is used to measure a steady voltage source with a voltage of 1.357 V. under the 19531Hz sampling rate, The SNR of the system can reach 400: 1. At this sampling rate, the pulse wave signal of a male was collected. 305 spectral images per second were collected by the system. The experimental results show that the system can collect the pulse wave signal of human blood with high signal-to-noise ratio (SNR). The method of pulse wave signal filtering and processing is studied in this paper. The method of pulse wave signal de-noising by wavelet analysis method can get better results. The comparison experiments show that the best filtering effect can be obtained by using sym8 wavelet and Rigrsure. the quantization signal-to-noise ratio can reach 151.1331 and the mean square error is 5.61E-05.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R446.1;TP274.2

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本文編號：1821094