專利名稱：一種提高氣體分析儀測量精度的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體分析儀測量精度的方法和裝置，尤其涉及的是一 種提高醫用氣體分析儀測量精度的方法和裝置。
背景技術：
現有技術的醫用氣體分析儀是專用于病人呼吸監控的一種裝置，尤其在病人病重或手術前后，例如在ICU重癥監護室中，醫用氣體分析儀通過監測病人呼吸中的氣體成份和濃度的變化，可以對病人的生命體征 做出監控。現有醫用氣體分析儀中，呼吸氣體的分析測量信號的頻譜范圍為0 4Hz,在其它噪聲被抑制的情況下，與信號同頻帶的噪聲會成為分析 儀的主要噪聲，這部分噪聲限制了氣體分析儀精度的提高，而且采用硬 件電路濾波方法很難消除。目前在醫療設備領域的氣體濃度分析儀測量原理， 一般都是基于非 色散紅外光譜分析技術(NDIR， Non-Dispersive Infrared),即根據被測氣體 對某一波段紅外光的吸收特性，選擇特定波段紅外光通過氣體樣本，利 用紅外光的衰減量與被測氣體樣本濃度之間的關系近似符合Beer-Lambert定律的原理可以監測其成份狀態。氣體濃度分析儀一般采用熱探 測器檢測信號，探測器會受環境溫度變化、自身熱噪聲等影響，且紅外 光源本身的波動也會引入噪聲，各種噪聲疊加在測量信號上后，就會影 響到測量精度。對于吸收系數較低、測量信號較弱的氣體，如N20和氟烷等，因其 信號弱，噪聲對其測量精度就有極大的影響。現有技術改善測量精度的
方法是選擇低噪聲的探測器，提高紅外光源輸出的穩定性，采用硬件濾波方法等，請見專利US4914720、 US6326620公開的技術內容。但上述這些現有技術的方法都只能抑制部分噪聲，對頻譜與信號頻 譜同頻帶的噪聲不能有很好的抑制作用，而且過于追求采用低噪聲的放 大電路、探測器、低波動的紅外光源，會大大增加電路的復雜度和硬件 成本。對于某些對紅外光吸收特性較弱的氣體，如N20、氟烷等，僅僅通 過硬件方法降低噪聲并不能達到測量精度要求，必須采用軟件濾波。而 傳統的軟件濾波方法對頻譜與信號頻鐠同頻帶的噪聲也無良好的抑制作 用，如平均濾波法、FIR(有限沖擊響應濾波)等方法。現有技術較復雜的 濾波方法，如Donoho-Johnstone提出的小波閾值濾波法，但因其復雜性 及運算量大，根本無法直接應用于單片機系統中，也無法保證儀器的實 時性(運算時間太長)。而醫療設備領域的氣體濃度監測儀從成本及應 用角度考慮，通常采用的是單片機系統，因此限制了該方法的實際應 用。現有技術中的小波分解理論和實踐都較為成熟，可參見《數字信號 處理-時域離散隨機信號處理》(出版社西安電子科技大學，作者丁 玉美等，2002年12月第1版)第240-241頁，但因其運算量大，現有的小 波分解尚沒有被應用于單片機系統的氣體分析儀中。因此，現有技術存在缺陷，而有待于改進和發展。發明內容本發明的目的在于提供一種提高氣體分析儀測量精度的方法和裝 置，針對上述現有技術的問題，通過對算法的優化，能夠采用單片機實 現，以易于實現，降低電路的復雜性，降低測量裝置的成本。本發明的技術方案包括 一種提高氣體分析儀測量精度的裝置，其包括一濾光片輪，其上設置有多個紅外濾光片；以及一電機，用于驅動所述濾光片輪依預定頻率 旋轉； 一紅外穩態光源，通過所述紅外濾光片，用于照射一檢測氣室， 并在所述檢測氣室后設置一紅外傳感器，用于接收所述紅外穩態光源的 光線；其中，還包括一單片4幾系統，用于控制所迷電機的驅動，以及對所述紅外傳感器 接收到的信號進行小波收縮閾值濾波處理，以得到被測量氣體成份的濃 度。所述的裝置，其中，所述紅外濾光片設置為4個，其三個為測量濾 光片， 一個為參考濾光片；所述三個測量濾光片用于測量C02氣體、 N20氣體、麻醉氣體。所述的裝置，其中，所述單片機系統還控制連接有一三通閥控制電 路，連接控制一電磁三通閥，用于控制進入所述檢測氣室的氣體種類。所述的裝置，其中，所述紅外傳感器與所述單片機系統之間還設置 有一信號放大電路。所述的裝置，其中，在所述檢測氣室的出氣通道上還設置有一氣 泵，以及一流速檢測電路，通過所述單片機系統對抽氣速率的控制，用 于實現對進入所述檢測氣室的氣路控制以達到穩定采樣的目的。一種提高氣體分析儀測量精度的方法，用于一單片機系統中，在對 從紅外傳感器中獲得的輸入數據進行處理時，包括以下步驟A、 選擇預定段小波，選定小波階數，并對所述紅外傳感器輸入的 信號進行該階數的小波分解；B、 通過對所述紅外傳感器輸入的信號進行一階離散小波變換而得 出閾值；
C、 對于從l到階數階小波變換，采用所述閾值對小波分解后各階系數進行閾值收縮濾波，即各階小波大于閾值的分量不變，小于闞值的分重置令；D、 采用修正后小波系數進行小波重建，獲得濾除噪聲后的信號。 所述的方法，其中，所迷步驟A中的小波采用Haar小波。 所述的方法，其中，所述單片機系統中設置所述步驟C運算的優先級為最低，以在該單片機系統空閑的時間內進行小波濾波運算。所述的方法，其中，所述步驟C還采用分段小波運算方式，即每采樣滿^個點進行一次4*點小波運算，r為選定的階數。所述的方法，其中，所述步驟A中的小波選擇為去除邊界點的數據信號。所述的方法，其中，所述步驟C還包括Cl、對于一階Haar小波分為低通分解濾波器和高通分解濾波器，采 用信號與低通濾波器及高通濾波器分別巻積，對信號進行小波變換，得到分解后的lt據，用于小波閾值收縮濾波。 所述的方法，其中，所述步驟C還包括 C2、對Haar小波提取系數，將Haar小波變為整數型； C3、將對測量信號與參比信號的比值放大若干倍變為整數，作為小波閾值收縮濾波器的輸入，從而減小其運算量。所述的方法，其中，所述階數在3、 4或5中選擇。 ' 本發明所提供的一種提高氣體分析儀測量精度的方法和裝置，通過對Haar小波分解和小波重建進行優化，將小波變換中的乘法轉換為了加法，降低了運算量，使得本發明方法可應用于單片機或嵌入式系統，從而減少了系統的成本，保證了系統運算實時性。
圖1為本發明的氣體分析儀測量裝置的系統結構示意圖；圖2為本發明的信號處理流程示意圖；圖3為本發明方法的小波閾值收縮濾波流程圖；圖4為本發明裝置的通用單片機結構圖；圖5為本發明方法及裝置的小波分段運算流程圖。其中，圖1中各標號如下l.紅外穩態光源；2.電機；3.濾光片輪；4. 紅外濾光片；5檢測氣室；6.紅外傳感器；7.信號放大處理電路；8.單片 機系統；9.電磁三通閥；IO.氣泵；ll.電機轉速控制電路；12.三通閥控 制電路；13.流速檢測電路；14.氣泵控制電路。
具體實施方式
以下結合附圖，將對本發明的各較佳實施例進行更為詳細的說明。 本發明的 一種提高氣體分析儀測量精度的方法和裝置，如圖1所示， 該裝置采用了 3個測量濾光片和一個參考濾光片，可得到3個測量信號和 一個參考信號；然后采用小波閾值收縮濾波法對測量信號與參考信號的比值進行濾波，并采用并行方法實現小波濾波。
本發明的該濾波方法如下首先將信號采用Haar小波分解，得到N階 分解后的小波系數；然后對信號進行一階離散小波變換得到具有自適應 特性的噪聲閾值，釆用噪聲閾值對分解后的各階進行閾值收縮濾波；最 后，采用各階濾波后的系數，運用小波重建重建信號。本發明方法和裝 置通過對Haar小波分解和小波重建進行優化，將小波變換中的乘法轉換 為加法，大大降低了運算量，從而使得本發明方法可應用于單片機或嵌 入式系統。本發明的氣體濃度分析測量裝置基本結構包括 一紅外穩態光源1, 以及一電機2，由電源驅動； 一濾光片輪3，由所述電機2帶動按預定頻 率旋轉；在所述濾光片輪3上設置有多個紅外濾光片4，如圖l所示的本
實施例中為三個測量濾光片和一個參考濾光片，可以依次將從所述紅外 穩態光源l發出的紅外光線進行過濾，過濾后的紅外光線將穿過一檢測氣室5，然后由在所述檢測氣室5后的紅外傳感器6接收，并經過一信號 放大處理電路7進行信號的放大處理，然后經過本發明的單片機系統8， 進行檢測數據的處理。本發明單片機系統還連接控制了 一三通閥控制電 路12， 一氣泵控制電路14， 一流速檢測電路13,以及一電機轉速控制電 路ll，通過所述三通閥控制電路12實現對一電^F茲三通閥9的通斷控制， 所述氣泵控制電路用于控制一氣泵IO,所述電機轉速控制電路ll用于對 所述電機2進行控制，參見圖l所示的氣體濃度分析測量裝置結構圖。本發明裝置中的紅外光源1發出寬光鐠的紅外光照射檢測氣室5中的被 測氣體樣本，四個特別選擇的紅外濾光片4均勻分布地放置在所述濾光 片輪3上，濾光片輪3放置在光源和檢測氣室之間，由所述電機2帶動以 一定頻率旋轉，四個紅外帶通濾光片的中心波長分別為C02氣體、N20 氣體、麻醉氣體所對應的吸收波段，其中心波長分別為4.26nm、 3.90pm 和8.55iim以及對上述三種氣體皆無任何吸收的波段(即參考波段)，其 中心波長為3.7^)Lim。通過四個濾光片得到的四個波段的紅外光中4.26|iim 、 3.90pm和 8.55jam三個做為測量波段，3.75lim做為參考波段。測量波段和參考波段 穿過檢測氣室中的被測氣體后，被紅外傳感器6探測，分別得到測量信 號和參考信號。其中三個測量信號的強度分別隨著被測氣體中C02、 N20、麻醉氣體濃度變化而變化，參考信號不隨C02、 N20和麻醉氣體 濃度變化而變化。將測量信號與參考信號經信號放大處理電路7送入單 片機系統8進行處理，通過軟件對測量信號與參考信號的比值進行小波 閾值收縮濾波，最后進行相應的處理得到C02、 N20和麻醉氣體濃度。本發明所述檢測氣室5中的氣體由氣泵10從病人呼吸氣體中連續抽取 小樣本的采樣氣體，并送入所述檢測氣室5中。在氣體進入采樣氣室的
氣路中通過流速檢測電路13檢測實時的抽氣速率，并由單片機系統8通 過氣泵控制電路14控制氣泵10的抽氣速度，達到穩定采樣氣體抽氣速度 的目的。本發明利用測量裝置得到四個通道的信號，四個信號分別為3.75nm 參考波段信號、4.26lam測量波段信號、3.90pm測量波段信號、8.55pm測 量波段信號。為了消除光源發光效率、光路通光效率以及溫度漂移等因 素對測量結果的影響，取各測量波段信號與參考波段信號相比作為小波 閾值收縮濾波的輸入信號，經過濾波后，得到提高了信噪比的信號，整 個信號處理的流程圖如圖2所述。本發明方法的測量信號經硬件檢波、濾波并與參考信號相比后，得 到待處理信號，其噪聲的簡單模型這里n為表示參比值的時間序列，eW假定為頻傳與信號頻鐠同頻帶 的噪聲，假定其噪聲水平"為l，此處^n)表示測量信號與參考波段信號的比值，/r")為不包含噪聲的有用信號，噪聲與信號為線性疊加。本發明中去噪聲的目的是抑制信號V"卩的噪聲部分，并采用抑制噪 聲后的信號進行重建，本發明的氣體分析儀采用的小波收縮閾值濾波流 程見圖3所示，其步驟如下1、小波分解；首先選擇恰當的小波，對于氣體分析儀，采用Haar小波進行小波分 解，因Haar小波的幅值為0.7071，通過提取公因數，可將Haar小波轉換 為幅度為l的整型。然后選定小波階數N,第N階小波為長度為2"的數 組，第N階小波分解的過程為將N階小波與信號s(n)中的長度為2W的序列 進行巻積，由此可見，隨著階數的增加，運算量是以指數形式遞增的， 因此，實際上常采用3、 4或5階，如此可適應于普通單片機處理。最后 對信號sf"卩進行N階小波分解。 對于一階Haar小波分為低通分解濾波器Lo—D和高通分解濾波器 Hi—D, LO-D和Hi—D為一維數組，見公式(1)和公式(2)。采用信號s(n)與低 通濾波器Lo一D及高通濾波器Hi—D分別巻積，即對信號進行小波變換，得 到分解后的數據，用于小波閾值收縮濾波，其它階數的小波變換與此類似。Lo—D =
(1) Hi—D = [-0.7071 0.7071] (2)2、 闊值的選擇；閾值通過對信號^^進行一階離散小波變換而得出，此閾值是對各階 小波分解后系數噪聲水平的估計，此處閾值f采用Donoho-Johnstone提出 的軟閾值/-CT^logCm)這里m為信號長度，"為噪聲標準偏差，其值由信號^")的一階haar 小波變換通過求中值而得到。3、 閾值收縮濾波；對于l N階小波變換，采用閾值對小波分解后各階系數進行閾值收 縮濾波，即各階小波大于閾值的分量不變，小于閾值的分量置零。4、 信號重建；采用N階閾值收縮濾波后的小波系數進行小波重建，獲得濾除噪聲 后的信號。信號重建采用的一階Haar小波為Lo—R =
(3) Hi_R =
(4) 這里Lo—R為重建低通濾波器，Hi—R為重建高通濾波器。 經'J、波閾值收縮濾波后，將濾波后的信號送入單片機進行數據 處理、轉換，得到各測量信號對應的氣體濃度信號。本發明上述小波分 解以及信號重建的過程為現有技術所公知，因此，不再贅述。
對于小波鬧值收縮濾波，現有技術常規過程運算量太大，根本無法 直接應用于單片機系統，更無法保證用于氣體分析儀的實時性。本發明方法中采用的Haar小波為一組互相正交歸一的小波，為最簡單的正交歸 一小波族，且相對其它小波族，其計算簡單。本發明方法還對Haar小波 變換的過程進行了優化，首先對Haar小波提取系數，將Haar小波變為整 數型，即對公式(1)和公式(2)提取公因數0.7071， Haar小波即變換為公式 (3)和公式(4);再將對測量信號與參比信號的比值放大若干倍變為整數， 如公式(5),作為小波閾值收縮濾波器的輸入，從而將小波閾值收縮濾波 運算中的大多數乘法轉換為加法，同時控制小波分解的階數，這樣就大 大減小了其運算量，從而可以在氣體分析儀等單片機系統中滿足實時性 的要求。Lo—D = 0.707 l[l 1] (5) Hi—D = 0.707 l[-l 1] (6) F(n) = M*Mea(n)/Ref(n) (7) 公式(7)中，Mea(n)為測量信號序列，Ref(n)為參考信號序列，M為放大倍數， 一般選2000, F(n)為經放大后，待處理的小波閾值收縮濾波器的輸入，為整數。一階小波分解中，對于公式(5)或(6)與公式(7)的巻積，提取公因數 0.7071后，可將巻積中的乘法轉換為加法；對于小波重建及其它階小波 變換，有類似的處理。本發明的通用單片機結構原理圖見圖4所示，通過采用通用單片機 的定時及中斷功能，將本發明的處理流程預先設置在該單片機系統中， 從而實現對整個裝置的控制和處理。本發明方法將小波濾波運算的優先 級設置為最低的任務，從而可在單片機空閑的時間內進行小波運算，實 現系統控制與小波濾波并行進行，因此充分利用了單片機的運算能力， 其程序處理流程圖見圖2所示。 為進一步降低小波運算量，并避免小波濾波邊界不連續效應，本發明方法還采用分段小波運算方式，即每采樣滿2「個點進行一次4*27、小波 運算，其計算流程如圖5所示，使其運算量僅為逐點小波運算的1/2 r為 選定的階數。如圖5中所示，其上層示意的是輸入的數據，下層示意的 輸出的數據；由于邊界的數據采集點的數據一般都會有畸變，如采集64 點為一段小波數據運算時，第1點和第64點會有畸變，因此，假如采集 64點運算，本發明方法則可分段處理，每采集完32個點，即進行一次64 點小波運算，例如采集從第17點到第49點的中間一段，如此，只需每32 個點進行一次小波濾波運算，這樣就進一步減小了小波濾波算法的運算 量，完全可以適用于單片機運算，并解決了小波邊界效應，處理后的波 形顯示更為平滑，信噪比高。本發明方法將上述處理方法結合起來，就在單片機中實現了此濾波 方法，并提高了信噪比，保證了氣體分析儀的實時性。本發明方法將小 波閾值收縮濾波應用于氣體分析儀，很好的抑制了頻譜與信號頻譜同頻 帶的噪聲，提高了氣體分析儀的測量精度；同時由于采用分段小波濾波 法，降低了運算量，可應用于單片機或嵌入式系統，減低了對硬件電路 濾波和選型的依賴。而且，由于能夠應用于單片機系統，本發明方法和 裝置降低了產品成本。本發明的小波閾值收縮濾波方法及裝置，可有效抑制與信號同頻帶 的噪聲，提高信噪比，從而大大提高氣體分析儀器精度。本發明的氣體 分析測量裝置中，所采用的3個測量濾光片和一個參考濾光片，得到了3 個測量信號和一個參考信號，分別用于C02、 N20和一種麻醉氣體的檢 測，其中麻醉氣體為臨床常用五種麻醉氣體任一種，分別為地氟醚 (Desflurane)、異氟醚(Isoflurane)、氟烷(Halothane)、七氟醚(Sevoflurane) 、氨氟醚(Enflurane)。當然也可以適用于其它氣體成份的監測過程，只 需對應修改設置不同的濾光片和具體的處理參數即可。
因此，本發明方法和裝置，由于采用小波閾值收縮濾波法抑制分析 儀的噪聲，并采用并行方法實現小波濾波，通過算法優化，本發明濾波 方法能夠在單片機中運行，提高了算法適用性，并能快速實時的實現處 理，降低了實現成本。但應當理解的是，上述針對具體實施例的描迷較為詳細，并不能因 此而理解為對本發明裝置保護范圍的限制，本發明的專利保護范圍應以 所附權利要求為準。
權利要求
1、一種提高氣體分析儀測量精度的裝置，其包括一濾光片輪，其上設置有多個紅外濾光片；以及一電機，用于驅動所述濾光片輪依預定頻率旋轉；一紅外穩態光源，通過所述紅外濾光片，用于照射一檢測氣室，并在所述檢測氣室后設置一紅外傳感器，用于接收所述紅外穩態光源的光線；其特征在于，還包括一單片機系統，用于控制所述電機的驅動，以及對所述紅外傳感器接收到的信號進行小波收縮閾值濾波處理，以得到被測量氣體成份的濃度。
2、 根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述紅外濾光片設置 為4個，其三個為測量濾光片， 一個為參考濾光片；所述三個測量濾光 片用于測量C02氣體、N20氣體、麻醉氣體。
3、 根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述單片機系統還控 制連接有一三通閥控制電路，連接控制一電磁三通閥，用于控制進入所 述檢測氣室的氣體種類。
4、 根椐權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述紅外傳感器與所 述單片機系統之間還設置有一信號放大電路。
5、 根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，在所迷^f企測氣室的出 氣通道上還設置有一氣泵，以及一流速檢測電路，通過所述單片機系統 對抽氣速率的控制，用于實現對進入所述檢測氣室的氣路控制以達到穩 定采樣的目的。
6、 一種提高氣體分析儀測量精度的方法，用于一單片機系統中， 在對從紅外傳感器中獲得的輸入數據進行處理時，包括以下步驟A、選擇預定段小波，選定小波階數，并對所述紅外傳感器輸入的 信號進行該階數的小波分解； B、 通過對所述紅外傳感器輸入的信號進行一階離散小波變換而得 出閾值；C、 對于從l到階數階小波變換，采用所述閾值對小波分解后各階系 數進行閾值收縮濾波，即各階小波大于閾值的分量不變，小于閾值的分 量置零；D、 采用修正后小波系數進行小波重建，獲得濾除噪聲后的信號。
7、 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟A中的小波 采用Haar小波。
8、 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述單片機系統中設 置所述步驟C運算的優先級為最低，以在該單片機系統空閑的時間內進 行小波濾波運算。
9、 根據權利要求8所迷的方法，其特征在于，所述步驟C還采用分 段小波運算方式，即每采樣滿^個點進行一次4*2^、小波運算，r為選定 的階數。
10、 根據權利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述步驟A中的 'J 、波選擇為去除邊界點的數據信號。
11、 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟C還包括 Cl、對于一階Haar小波分為低通分解濾波器和高通分解濾波器，采用信號與低通濾波器及高通濾波器分別巻積，對信號進行小波變換，得 到分解后的數據，用于小波閾值收縮濾波。
12、 根椐權利要求ll所述的方法，其特征在于，所述步驟C還包括C2、對Haar小波提取系數，將Haar小波變為整數型； C3、將對測量信號與參比信號的比值放大若干倍變為整數，作為小 波閾值收縮濾波器的輸入，從而減小其運算量。
13、根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述階數在3、 4或5中選擇。
全文摘要
本發明公開了一種提高氣體分析儀測量精度的裝置，其包括一濾光片輪，其上設置有多個紅外濾光片；以及一電機，用于驅動所述濾光片輪依預定頻率旋轉；一紅外穩態光源，通過所述紅外濾光片，用于照射一檢測氣室，并在所述檢測氣室后設置一紅外傳感器，用于接收所述紅外穩態光源的光線；一單片機系統，用于控制所述電機的驅動，并對所述紅外傳感器接收到的信號進行小波收縮閾值濾波。本發明方法和裝置通過對Haar小波分解和小波重建進行優化，將小波變換中的乘法轉換為了加法，并同時采用分段小波濾波法，降低了運算量，可應用于單片機或嵌入式系統，并有效降低了氣體分析儀裝置的噪聲信號，提高了測量精度，減低了對硬件電路濾波和選型的依賴。
文檔編號G01N21/25GK101153840SQ20061006296
公開日2008年4月2日 申請日期2006年9月29日 優先權日2006年9月29日
發明者周慧玲, 武志剛 申請人:深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司