光电式脉搏传感器的原理.docx

1、光电式脉搏传感器的原理光电式脉搏传感器的原理光电式脉搏传感器的原理1引言人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收 缩和舒张，使血流压力以波的形式从主动脉根部 开始沿着整个动脉系统传播，这种波称为脉搏 波。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律 等方面的综合信息，很大程度上反映出人体心血 管系统中许多生理病理的血流特征。传统的脉搏测量采用脉诊方式，中医脉象诊断 技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用， 但是受人为的影响因素较大，测量精度不高。无创 测量 (noninvasive measurements )又称非侵 入式测量或间接测量，其重要特征是测量的探测 部分不侵入机体，不造成机体创伤，通常

2、在体外， 尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数 1。生物医学传感器是获取生物信息并将其转换成 易于测量和处理信号的一个关键器件。光电式脉 搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感 器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出 脉搏信号，光电式脉搏传感器具有结构简单、 无 损伤、可重复好等优点。本文讨论的就是基于光 电式脉搏传感器的设计和具体实现。2光电式脉搏传感器的原理和结构2.1光电式脉搏传感器的原理根据郎伯比尔(lamber beer)定律，物质在 一定波长处的吸光度和他的浓度成正比， 当恒定 波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸 收、反射衰减后测量到的光强在一定程度上反映 了被照射

3、部位组织的结构特征。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的，在人体 指尖，组织中的动脉成分含量高，而且指尖厚度 相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测 到的光强相对较大，因此光电式脉搏传感器的测 量部位通常在人体指尖。 I 乎桶尤噪收量盍代廣意图手 指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液 组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收量是 恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对于动脉 血是十分微弱的，可以忽略，因此可以认为光 透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的， 那么在恒定波长的光源的照射下，通过检测透过 手指的光强可以间接测量到人体的脉搏信号。2.2光电式脉搏传感器的结构从光源发出的光除被手指组

4、织吸收以外，一部分 由血液漫反射返回。其余部分透射出来。光电式 脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射形式 和反射式2种2，其中透射式的发射光源与光 敏接收器件的距离相等并且对称布置，接收的是 透射光，这种方法可 较好地反映出心律的时间 关系，但不能精确测量出血液容积量的变化； 反 射式的发射光源和光敏器件位于同一侧，接收的 是血液漫反射回来的光，此信号可以精确地 测 得血管内容积变化。本文讨论的是透射式脉搏传 感器，侧重于脉搏信号的测量。IS 2 辰艸九死电传感15和逝射式尢电传矗爲3光电式脉搏传感器的制作3.1光敏器件光电式脉搏传感器由于采用不同的光敏元件有 着多种实现方法，其中光敏元件主要

5、有光敏电 阻、光敏二极管、光敏三极管和硅光电池，在传 统的光电式脉搏传感器设计 中，通常采用的是 独立光敏元件，利用半导体和光电效应改变输出 的电流，通常光敏元器件输出的电流极低， 容易 受到外界干扰，而且对后续的放大器的要求比较 严 格，需要放大器空载时的电流输出较小，避 免放大器空载输出电流对脉搏信号测量的干扰， 这样对于普通的放大器就不能直接应用在光敏 元件的后端。图 3 OPTIOI在 本文中，采用一种新型的光敏元件 opt1013，该元件将感光部件和放大器集成在 同一个芯片内部，这种集成化的设计方式有效地 克服了后端运算放大器空载电流输出对光敏部 件输出电流的影响，而且芯片输出的电压

6、信号可 以通过外部的精密电阻进行调节，有利于芯片适 应整体的电路设计，同时芯片的集成化设计也能 够减小系统的功耗。3.2发射光源光电式脉搏传感器主要由光源、 光敏器件，以及 相应的信号调理控制电路构成。为了充分利用器 件的效果，光源和光敏元件的选择是综合考虑 的，光源的波长应该落在光敏元件检测灵敏度较 高的波段内，图4为opt101的光波长响应曲线3。IfiriinlcJ fA =-Inirred 1 n1r LurttniETiurit/riM *1/I/f/7 弋却乂 TkAL W1 即0X5 片 I TV.TO Jftfl 4(KJ 初0 Mlt) TIM SOI OOfl IlMXl

7、1 IWiiAfleiijji! i mian opTini Fji ftrt厂吉*二-丄風匸rt售W諾 Jpcnposnd7 S 5 4 1 2 I0 0 O 6 0 o o ora7 4- lr*!- o fl- o A- ftrff.脉 搏信号主要由动脉血的充盈引起，而血液中 还原血红蛋白（hb）和氧合血红蛋白（hbo2）含 量变化将造成透光率的变化，当氧合血红蛋白和 还原血红蛋白对光的吸收量相等时，透射光的 强度将主要由动脉血管的收缩和舒张引起的， 此时能够比较准确地反映出脉搏信号。图5为血红 蛋白的光吸收曲线，从图中可以看出，血 液中hbo2和hb对于不同波长光的吸收系数的差异明 显

8、，而且2条曲线好几个不同的交点，考虑到在 805nm波长处，血红蛋白的光吸收率比较低，那 么透射过手指的光强较大，有利于光敏器件的 接收，因此发射光源的波长选择为 805nm3.3恒流源控制电路4OT 颁 炯 000開5 &红妥白的光哦戕曲线在脉搏信号测量过程中，为了尽量减少光源供电 波动对测量脉搏信号的影响，需要恒流电路 4 来控制光源的稳定供电，使在脉搏测量过程中， 发射光源发出的光强是恒定的。图6为恒流源电路，在电路中r1两端的电压值 恒等于稳压二极管di的稳压值，因此流经r1的 电流值恒定，控制使三极管q1处于放大状态， 那么流过发光二极管d3的电流值恒定，因此发 光二极管d3能输出稳

9、定光强的光。3.4脉搏信号调理电路芯 片opt101输出的脉搏信号为直流和交流叠 加的混合电压信号，其中交流信号中包含了脉搏 信息，因此信号调理电路先要滤除叠加的直流信号，在对交流信号进 行放大。滤除直流信号可 以通过一个电容来实现，但是电容在隔直流的同 时可能造成脉搏信号的部分失真。较为理想的方 式是采用一个减法器来实现绝大部分直流电 平 的滤除，由于不同受试者的手指的透光率不同， 测量到的直流电平不同，因此需要一个来实现相 应的直流电平的滤除，本文就是采用可控直流电 平输出和减法器来实现脉搏信号的提取。在得 到包含有脉搏信号的交流信号后，只要通过简单 的放大电路和低通滤波电路即可实现脉搏信

10、号 的提取。图6 恒流源电路4光电式脉搏传感器的实验测量和噪声分析 在 测量过程中，前端测量到的脉搏信号十分微 弱，容易受到外界环境干扰，因此需要对脉搏传 感器的干扰噪声进行分析，从光电式脉搏传感器 设计的技术角度减少干扰，使之能够准确测量 到脉搏信号，光电式脉搏传感器的干扰主要有测 量环境光干扰、电磁干扰、测量过程运动噪声， 下面对上述情况结合实验测量做进一步的分 析。4.1环境光对脉搏传感器测量的影响在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信 号不仅包含脉搏信息的透射光的信号， 而且包含 测量环境下的背景光信号，由于动脉波动引起的 光强变化比背景光的变化微弱得多，因此在测量 过程当中要保持

11、测量背景光的恒定，减少背景光 的干扰。测量环境下的背景光5.6包含环境光和在测 量过程中引起的二次反射光7。为了减少环境 光对脉搏信号测量的影响，同时考虑到传感器使 用的方便性，采用 密封的指套式包装方式，整 个外壳采用不透光的介质和颜色，尽量减小外界 环境光的影响，为了避免测量过程中的二次反射光的影响，在指套式传感器的内层表面涂 上一层吸光材料，这样能有效减少二次反射光的干 扰。IE 1 不加捋音和加抱亡采算列的昧持敢形由图7的图形明显可知，加上指套式外壳后的 脉搏传感器测量到的脉搏波形比较平滑。 这是因 为加指套式的脉搏传感器中环境光在测量过程 中基本不受外界环境光的影响，而且能够有效 减

12、少二次反射光，使照射到手指上的光波长单 一，所以得到的脉搏信号较为稳定，没有明显的 重叠杂波信号，能够很好的体现出脉搏波形的特 征。4.2电磁干扰对脉搏传感器的影响通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一 般比较微弱，容易受到外界电磁信号的干扰， 在 传统的光电式脉搏传感器电路中，由于光敏器件 和一级放大电路是分离的，那么在信号的传递过 程就很容易受到外界电磁干扰，通常在一级放大 电路采用电磁屏蔽 的方式来消除电磁干扰，本系统米用了新型的光敏器件，在芯片内部集成光 敏器和一级放大电路，有效地抑制了外界电磁信 号对原始脉搏信号的干扰。工 频干扰是电路中最常见的干扰，脉搏信号变 化缓慢，特别容易受

13、到工频信号的干扰，因此对 工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度 的主要措施之一。通常脉搏信号的频率范围在 0.3 30hz之间，小于工频50hz,因此通过低通 滤波器可以有效滤除工频干扰，这在信号调理电 路中容易实现；同时可以在控制电路中 对光源进行脉冲调制，这样不但能够降低系统的功耗， 而且能够在一定程度上减小外界的电磁干扰， 在 脉搏信号数据采集后，可以通过数据处理法方法 进一步滤除工 频信号的干扰。4.3测量过程中运动噪声在测量过程当中，通常情况下手指和光电式脉搏 传感器可能产生相对的运动，这样对 脉搏测量 产生误差，可以通过2个方面减少运动噪声误 差：一是改善指套式传感器的机械抗运

14、动性， 比如说使指套能够更紧的夹在手指上，不易松动； 二是从脉搏信号处理的角度，通过算法来减小误差，对于传感器的设计，现在采用的主要是第 一个途径。5结语无创伤监护技术将是未来医学工程发展的重要 方向，而人体脉搏信号中包含丰富的生理信息， 也逐渐引起了临床医生的很大兴趣， 光电容积法(ppg)是当今测量脉搏信号的一种有效途径， 也可以通过这种方法测量血氧饱和度，氧分压、 心搏出量等生理信号，为临床诊断提供了强有力 的技术支持。最近，日本学者又提出了以脉搏波 传导速度与血压的相关性来间接测量血压，用 检测分析脉搏波的方法估计血压的课题， 足见脉 搏检测的应用有着良好的发展前景。脉搏检测中关键技术是传感器的设计与传感器 输出的微弱信号提取问题，本文对脉搏传感器的 设计进行了初步的探讨并取得了可喜的实验结 果。实验证明：采用本文这种方法能够较好的测 量出脉搏信号，为脉搏信息的进一步提取提供了 有利的前提。