光電型脈搏傳感器的原理及其應用

1、沫春理學Changchun University of Science 神nd Technology醫(yī)學光電檢測技術(shù)論文光電型脈搏傳感器的原理及其應用The principle of type photoelectric pulse sensor and itsapplication學生姓名：張先緒專業(yè)：生物醫(yī)學工學號：7指導教師：龐春穎學院：生命科學技術(shù)學院二0四年十二月摘 要 : 介紹了光電式脈搏傳感器的原理和設(shè)計方案 ,采用集成光敏部件和放 大器的光敏芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分立光敏器件實現(xiàn)對脈搏的測量。 芯片的 集成化能夠有效減小器件間匹配引起的干擾 ,提高脈搏測量精度。在 實驗測試過程中 ,采

2、用該光電式脈搏傳感器對人體的脈搏進行實時測 量,對脈搏信號測量可能引起的噪聲來源做了分析 ,并做相應的抗干擾 處理 ,得到比較理想的脈搏波形 ,為脈搏信息的提取和分析提供了良好 的數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞:脈搏信號 ;光電容積法 ;脈搏傳感器 ;噪聲分析Abstract:The PPG pulse sensor is attached to the finger base for monitoring beat to beat with the traditional design,the pulse sensoruses a new integrated chip,which is integrated

3、 the photosensitive unit and the signal design can efficiently remove the system noise and improve the precision of the experiment,using the newPPG pulse sensor can measure the pulse directly from the pulse in real the same time,making the noise analysis and dealing with the measure noise,and gettin

4、g a good pulse wave.Keywords:pulse signal;photoplethymograph;pulse sensor;noise anylsis 第 1 章 緒論 1.1課題研究背景及意義隨著人們生活水平的提高， 地球環(huán)境遭到破壞， 多種疾病威脅著人們的生命 , 而心臟病的發(fā)作又是人們難以預防的突發(fā)致命疾病。 在醫(yī)學上， 通過測量人的心 率，便可初步判斷人的健康狀況。因此，心率計很快產(chǎn)生并得到發(fā)展。隨著單片 機技術(shù)的發(fā)展、 人們的生活節(jié)奏加快， 設(shè)計一種以使用方便為前提， 能夠快速測 出人心率的心率計，不僅是臨床者的需要， 也是體育訓練者和外出旅游者的需要。 1.

5、2國內(nèi)外現(xiàn)狀傳統(tǒng)的脈搏測量采用診脈方式， 中醫(yī)脈象診斷技術(shù)就是脈搏測量在中醫(yī)上卓 有成效的應用 , 但是受人為的影響因素較大 ,測量精度不高。 為了克服上述測量方 法的不足，國內(nèi)外脈搏測試不再局限于傳統(tǒng)的人工測試法或聽診器測試法。 1.3研究內(nèi)容利用血液是高度不透明的液體， 光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大 幾十倍的特點， 可通過光電傳感器對脈搏信號進行檢測， 并通過單片機技術(shù)進行 數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)智能化的脈搏測試技術(shù)。生物醫(yī)學傳感器是獲取生物信息并將其轉(zhuǎn)換成易于測量和處理信號的一個 關(guān)鍵器件。 光電式脈搏傳感器作為是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器， 通過對 手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測

6、出脈搏信號。 光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、 無損傷、可重復好等優(yōu)點。根據(jù)光電容積法原理，從改善光源、消除景光噪聲、 電磁屏蔽和提高信噪比四個方面出發(fā)， 研究改進方法， 對提高使用的靈活性和準 確度有著重大意義。 通過光電傳感器對脈搏信號進行檢測， 并用單片機技術(shù)進行 數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)智能化的脈搏測試技術(shù)。第 2 章 系統(tǒng)設(shè)計光電式脈搏傳感器的原理和結(jié)構(gòu)光電式脈搏傳感器的原理人體心室周期性的收縮和舒張導致主動脈的收縮和舒張 ,使血流壓力以波的 形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播 ,這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈 現(xiàn)出的形態(tài)、強度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息 ,很大程度上反映出人體心血 管系統(tǒng)

7、中許多生理病理的血流特征。根據(jù)郎伯-比爾(Lambert-beer)定律,物質(zhì)在一定波長處的吸光度和它的濃 度成正比，當恒定波長的光照射到人體組織上時，通過人體組織吸收、反射、衰減后測量到的光強在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。血液是高度不透明的液體，光在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍。一般情況下， 當光子穿越介質(zhì)時，因能量被吸收而導致的強度衰減可描述為：式中一：是入射光強，1是與組織結(jié)構(gòu)相關(guān)的吸收系數(shù)(哺乳動物的 .值在至 100之間)，&是沿光軸方向的坐標長度。脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖,組織中的動脈成分含 量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄

8、，透過手指后檢測到的光強相對 較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。圖2-1人體手指端還原蛋白與氧化蛋白光吸收率示意圖手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定的，而在血液中，靜脈血的搏動相對于動脈血是十分微弱的 可以忽略。因此可以認為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長的光源的照射下，本設(shè)計利用透射式的測量方法，通過檢測透過手指 的光強可以間接測量到人體的脈搏信號。光電式脈搏傳感器的結(jié)構(gòu)從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出來。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射形式和反

9、射式2種，其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置，接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時間關(guān)系， 但不能精確測量出血液容積 量的變化；反射式的發(fā)射光源和光敏器件位于同一側(cè)， 接收的是血液漫反射回來 的光，此信號可以精確地測得血管內(nèi)容積變化。本文討論的是透射式脈搏傳感器， 側(cè)重于脈搏信號的測量。S 2 反耐無死電傳惑器和遼射罠尢電轉(zhuǎn)魚苓主要元器件選擇和功能介紹傳感器OPT101OPT101型傳感器是美國B-B公司研制的集光敏器件(光敏二極管)與信號 放大于一體的器件采用單電源供電，壓電輸出。輸出電壓隨照射到光敏器 件的光強度呈線性變化?？捎糜卺t(yī)療儀器、實驗室儀表、位置與

10、接近探測、 圖像分析、條線碼掃描器、溫室的光照度控制等。OPT101型傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。傳感器OPT101OPT101型傳感器的性能、特點：(1) 單電源供電+36V(2) 光敏二極管的尺寸：*(3) 片內(nèi)放大器反饋電阻：Rf=1MQ(4) 光敏二極管響應： W(650nm時)(5) 響應帶寬：14K Hz( Rf=1MQ)(6) 靜態(tài)電流：120 mA(7 )采用8引腳DIP, 5引腳SIP,與8引腳圖4-2內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)表面貼裝封裝(8) 工 作溫度：070C應用片內(nèi)1M Q與3pF組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，即將引腳 4、5連接即構(gòu)成基本應用電 路；這是電路的輸出幅度與照射光線波長的關(guān)

11、系如圖 4-3,照射光線的入射角與 輸出幅度的關(guān)系如圖3-4所示。InBncI3FTPCI.A & u再 XUCZnr)圖4-3輸出幅度與照射光線波長的關(guān)系圖4-4輸出幅度與入射角的關(guān)系低功率運算放大器LM324LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應 用場合的標準運算放大器相比，它們有顯著的有點：該四放大器可以工作在低到 伏或高到32伏的電壓下，靜態(tài)電流大致為 MC1741的五分之一(對每個放大器 而言)，共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性，輸出電壓范圍也包括負電源電壓。其特點為:(1)短路保護輸出(2)真差動輸入級(3)

12、單電源工作，32V(4)低輸入偏置電流，最大100 nALM324A(5)每一個封裝四個放大器(6)內(nèi)部補償(7)共模范圍擴展到負電源(8)行業(yè)標準引腳輸出(9)在輸入端的靜電放電位增加可靠性而不影響器件的工作通用型集成電壓比較器 AD790雙列直插式AD790單集成電壓比較器，與集成運放相同，它有同相和反相 兩個輸入端，分別是引腳2和3;正、負兩個外接電源土 VS,分別為引腳1和4； 當單電源供電時，-VS應接地。此外，引腳8接邏輯電源，其取值決定于負載所 需高電平。為了驅(qū)動TTL電路，應接+5V,此時比較器輸出高電平為。引腳 5為 鎖存控制端，當它為低電平時，鎖存輸出信號系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包

13、括信號采集和處理電路、單片機系統(tǒng)及顯示電路兩大部分。信號采集電路和處理電路本設(shè)計采用紅色發(fā)光二極管發(fā)出的光線通過手指照射在OPT101的受光窗，當指尖的血流量隨心臟跳動而改變時，從LED通過指尖到達受光窗的光線也隨之 改變，這樣光電流也發(fā)生波動性變化，從而采集到心臟脈搏信號。設(shè)計出來的電 路圖見下：圖5-1信號采集和處理電路具體說明：OPT101芯片的5號引腳輸出波動的電壓信號，經(jīng) R2、C2 C3接到LM324放大器的反相輸入端，為避免煩擾信號傳到 U1A的輸入端，用C2、C3組 成的雙極性耦合電容將其隔離。C4和R5構(gòu)成低通濾波器，去除高頻信號，截止頻率為。通過AD790電壓比較器，將信號

14、轉(zhuǎn)換為萬波信號輸入單片機。其中， 左下方的LM324提供參考電壓，R10為電位器，用于調(diào)節(jié)電壓比較器的參考電 壓，以消除不同人手指的差異性。單片機系統(tǒng)及顯示電路在單片機設(shè)計中，我們使用12MHz的晶振，用P0 P1和P2引腳控制三個 數(shù)碼管進行顯示，P3A2引腳用來接收已轉(zhuǎn)化為方波的脈搏信號，并且?guī)в袕臀?開關(guān)。TC OKD KOiT! a |H的PF1-*5叭JU皿出:辟 KT：丄 :jLJlMj :A：仲 * 古時；-圖5-2單片機系統(tǒng)電路圖I4*|124t ,lWlr316-dfvo:jifw-r傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計下圖為傳感器外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。左上為正視剖面圖，左下為俯視剖面圖,右上為左

15、視剖面圖，右下為示意圖單片機系統(tǒng)軟件設(shè)計我們設(shè)計的單片機程序中，采用單片機內(nèi)部定時器定時檢測周期 10s,在10s 過程中，P3A2弓I腳檢測方波脈搏信號，每次高電平來臨，系統(tǒng)進行判斷：相鄰 兩次高電平的時間差是否大于 10ms，因為脈搏周期理論最大值為 300ms,其中 的高電平時間會更?。ㄟ@跟人的心跳特征有關(guān)），此判斷能消除電壓比較器的誤 判和彌補個人心跳的差異性。10s后心率顯示在數(shù)碼管上，并且每10s更新一次 顯示。工作流程圖見下。圖6單片機工作流程圖光電式脈搏傳感器的噪聲分析及改進在測量過程中，前端測量到的脈搏信號十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾， 因此需要對脈搏傳感器的干擾噪聲進行分

16、析，從光電式脈搏傳感器設(shè)計的技術(shù)角 度減少干擾，使之能夠準確測量到脈搏信號，光電式脈搏傳感器的干擾主要有測 量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測量過程運動噪聲，下面對上述情況結(jié)合實驗測量做 進一步的分析。環(huán)境光對脈搏傳感器測量的影響在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含脈搏信息的透 射光的信號，而且包含測量環(huán)境下的背景光信號，由于動脈波動引起的光強變化 比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當中要保持測量背景光的恒定， 減少 背景光的干擾。為了減少環(huán)境光對脈搏信號測量的影響，同時考慮到傳感器使用的方便性， 采用密封的指套式包裝方式，整個外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色， 盡量減小外界 環(huán)境光的影

17、響，為了避免測量過程中的二次反射光的影響， 在指套式傳感器的內(nèi) 層表面涂上一層吸光材料，這樣能有效減少二次反射光的干擾。s 1不汩捋音和拆抱*宋臬到妁腺持波刑由圖7的圖形明顯可知，加上指套式外殼后的脈搏傳感器測量到的脈搏波形 比較平滑。這是因為加指套式的脈搏傳感器中環(huán)境光在測量過程中基本不受外界 環(huán)境光的影響，而且能夠有效減少二次反射光，使照射到手指上的光波長單一， 所以得到的脈搏信號較為穩(wěn)定，沒有明顯的重疊雜波信號，能夠很好的體現(xiàn)出脈 搏波形的特征。電磁干擾對脈搏傳感器的影響通過光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號一般比較微弱，容易受到外界 電磁信號的干擾，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器電路中，由于

18、光敏器件和一級放大 電路是分離的，那么在信號的傳遞過程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級放大電路采用電磁屏蔽的方式來消除電磁干擾，本系統(tǒng)采用了新型的光敏器件， 在芯片內(nèi)部集成光敏器和一級放大電路，有效地抑制了外界電磁信號對原始脈搏 信號的干擾。測量過程中運動噪聲在測量過程當中，通常情況下手指和光電式脈搏傳感器可能產(chǎn)生相對的運 動，這樣對脈搏測量產(chǎn)生誤差，可以通過2個方面減少運動噪聲誤差：一是改善 指套式傳感器的機械抗運動性，比如說使指套能夠更緊的夾在手指上，不易松動； 二是從脈搏信號處理的角度，通過算法來減小誤差，對于傳感器的設(shè)計，現(xiàn)在采 用的主要是第一個途徑。第3章結(jié)語無創(chuàng)傷監(jiān)護技術(shù)將是未

19、來醫(yī)學工程發(fā)展的重要方向， 而人體脈搏信號中包含 豐富的生理信息，也逐漸引起了臨床醫(yī)生的很大興趣，光電容積法（ppg）是當今測量脈搏信號的一種有效途徑， 也可以通過這種方法測量血氧飽和度， 氧分壓、 心搏出量等生理信號， 為臨床診斷提供了強有力的技術(shù)支持。 最近，日本學者又 提出了以脈搏波傳導速度與血壓的相關(guān)性來間接測量血壓， 用檢測分析脈搏方估 計血壓的課題，足見脈搏檢測的應用有著良好的發(fā)展前景。脈搏檢測中關(guān)鍵技術(shù)是傳感器的設(shè)計與傳感器輸出的微弱信號提取問題， 本 文對脈搏傳感器的設(shè)計進行了初步的探討并取得了可喜的實驗結(jié)果。實驗證明： 采用本文這種方法能夠較好的測量出脈搏信號， 為脈搏信息的進一步提取提供了 有利的前提。參考文獻1 王延林，謝少良.OPT101型光電傳感器的技術(shù)性能與應用J.清華大學學報，20102 張義和，王敏男等.例說51單片機（C語言版）M.北京：人民郵電出版社，2008.3 王慶有.光電傳感器應用技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，2009.4 楊玉星.生物醫(yī)學傳感器與檢測技術(shù)M.北京：化學工業(yè)出版社，2009.5 指夾式光電脈搏傳感器 科技信息 2010年 36期附錄附錄一 protel原理圖附錄二CAD圖附錄三 單片機程序（ C 語言）#include#define count_M1 50000#define TH_M1 (65536-count