光電脈搏檢測

1、精選文檔 方案一1.1 課題爭辯背景及意義 隨著人們生活水平的提高，地球環(huán)境遭到破壞，多種疾病威逼著人們的生命,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，便可初步推斷人的健康狀況。因此，心率計很快產生并得到進展。隨著單片機技術的進展、人們的生活節(jié)奏加快，設計一種以使用便利為前提，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。1.2 國內外現狀 傳統的脈搏測量接受診脈方式，中醫(yī)脈象診斷技術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，國內外脈搏測試不再局限于傳統的人工測

2、試法或聽診器測試法。1.3 爭辯內容 利用血液是高度不透亮的液體，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，并通過單片機技術進行數據處理，實現智能化的脈搏測試技術。 生物醫(yī)學傳感器是獵取生物信息并將其轉換成易于測量和處理信號的一個關鍵器件。光電式脈搏傳感器作為是依據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，間接檢測出脈搏信號。光電式脈搏傳感器具有結構簡潔、無損傷、可重復好等優(yōu)點。依據光電容積法原理，從改善光源、消退景光噪聲、電磁屏蔽和提高信噪比四個方面動身，爭辯改進方法，對提高使用的機敏性和精確度有著重大意義。通過光電傳感器對脈搏信號

3、進行檢測，并用單片機技術進行數據處理，實現智能化的脈搏測試技術。 第2章 系統設計 2.1光電式脈搏傳感器的原理和結構 2.1.1 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頭沿著整個動脈系統傳播,這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈現出的形態(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中很多生理病理的血流特征。 依據郎伯-比爾（Lambertbeer）定律,物質在肯定波特長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,通過人體組織吸取、反射、衰減后測量到的光強在肯定程度上反映了被照射部位組織的結構特

4、征。血液是高度不透亮的液體，光在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍。一般狀況下，當光子穿越介質時，因能量被吸取而導致的強度衰減可描述為： 式中是入射光強，是與組織結構相關的吸取系數（哺乳動物的值在0.1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,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取率示意圖 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取量是恒定的,而在血液中,靜脈

5、血的搏動相對于動脈血是格外微弱的,可以忽視。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。 2.1.2 光電式脈搏傳感器的結構 從光源發(fā)出的光除被手指組織吸取以外，一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出來。光電式脈搏傳感器依據光的接收方式可分為透射形式和反射式2種，其中透射式的放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系，但不能精確測量出血液容積量的變化；反射式的放射光源和光敏器件位于同一側，接收的是血液漫反射回來的光，

6、此信號可以精確地測得血管內容積變化。本文爭辯的是透射式脈搏傳感器，側重于脈搏信號的測量。 2.2 主要元器件選擇和功能介紹2.2.1傳感器OPT101 OPT101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.接受單電源供電，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、試驗室儀表、位置與接近探測、圖像分析、條線碼掃描器、溫室的光照度把握等。OPT101型傳感器內部電路結構如圖4-2所示。2.2.1傳感器OPT101 OPT101型傳感器的性能、特點：（1）單電源供電 +2.7V+36V（2）光敏二極管的尺寸：0.09*0.09in（3）

7、片內放大器反饋電阻：Rf=1M（4）光敏二極管響應：0.45A/W(650nm時)（5）響應帶寬：14K Hz（Rf=1M）（6）靜態(tài)電流：120 mA (7 ) 接受8引腳DIP，5引腳SIP，與8引腳 圖 4-2 內部電路結構表面貼裝封裝（8）工作溫度：070應用片內1M與3pF組成的反饋網絡，即將引腳4、5連接即構成基本應用電路；這是電路的輸出幅度與照射光線波長的關系如圖4-3，照射光線的入射角與輸出幅度的關系如圖3-4所示。圖 4-3 輸出幅度與照射光線波長的關系 圖4-4 輸出幅度與入射角的關系2.2.2低功率運算放大器LM324LM324系列器件為價格廉價的帶有真差動輸入的四運算放

8、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3.0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，因而消退了在很多應用場合中接受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）短路愛護輸出 （2）真差動輸入級（3）單電源工作，3.0V32V （4）低輸入偏置電流，最大100nALM324A（5）每一個封裝四個放大器 （6）內部補償（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牢靠性而不影響器件的工作 2.2.3通用型集成電壓比較器AD790

9、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±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接規(guī)律電源，其取值打算于負載所需高電平。為了驅動TTL電路，應接+5V，此時比較器輸出高電平為4.3V。引腳5為鎖存把握端，當它為低電平常，鎖存輸出信號2.3系統硬件設計主要包括信號采集和處理電路、單片機系統及顯示電路兩大部分。2.3.1信號采集電路和處理電路 本設計接受紅色發(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轉變時，從LED通過指尖到達受光窗的光線也隨之轉

10、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R2、C2、C3接到LM324放大器的反相輸入端，為避開煩擾信號傳到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構成低通濾波器，去除高頻信號，截止頻率為3.33Hz。通過AD790電壓比較器，將信號轉換為方波信號輸入單片機。其中，左下方的LM324供應參考電壓，R10為電位器，用于調整電壓比較器的參考電壓，以消退不同人手指的差異性。 2.3.2單片機系統及顯示電路 在單片機設計中，我們使用12MHz的晶振，

11、用P0、P1和P2引腳把握三個數碼管進行顯示，P32引腳用來接收已轉化為方波的脈搏信號，并且?guī)в袕臀婚_關。圖5-2 單片機系統電路圖 2.4單片機系統軟件設計 我們設計的單片機程序中，接受單片機內部定時器定時檢測周期10s，在10s過程中，P32引腳檢測方波脈搏信號，每次高電平來臨，系統進行推斷：相鄰兩次高電平的時間差是否大于10ms，由于脈搏周期理論最大值為300ms，其中的高電平常間會更?。ㄟ@跟人的心跳特征有關），此推斷能消退電壓比較器的誤判和彌補個人心跳的差異性。10s后心率顯示在數碼管上，并且每10s更新一次顯示。工作流程圖見下。開 始定義變量聲明函數啟動10s計時啟動脈搏計數兩次脈沖

12、信號的時間差是否大于10ms脈搏計數加1否是10s計時結束顯示心率數圖6 單片機工作流程圖2.5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格外微弱，簡潔受到外界環(huán)境干擾，因此需要對脈搏傳感器的干擾噪聲進行分析，從光電式脈搏傳感器設計的技術角度削減干擾，使之能夠精確測量到脈搏信號，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，下面對上述狀況結合試驗測量做進一步的分析。 2.5.1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

13、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，削減背景光的干擾。 為了削減環(huán)境光對脈搏信號測量的影響，同時考慮到傳感器使用的便利性，接受密封的指套式包裝方式，整個外殼接受不透光的介質和顏色，盡量減小外界環(huán)境光的影響，為了避開測量過程中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的內層表面涂上一層吸光材料，這樣能有效削減二次反射光的干擾。 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。這是由于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，而且能夠有效削減二次反射光，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

14、號，能夠很好的體現出脈搏波形的特征。 2.5.2 電磁干擾對脈搏傳感器的影響 通過光電轉換得到的包含脈搏信息的電信號一般比較微弱，簡潔受到外界電磁信號的干擾，在傳統的光電式脈搏傳感器電路中，由于光敏器件和一級放大電路是分別的，那么在信號的傳遞過程就很簡潔受到外界電磁干擾，通常在一級放大電路接受電磁屏蔽的方式來消退電磁干擾，本系統接受了新型的光敏器件，在芯片內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。 2.5.3 測量過程中運動噪聲 在測量過程當中，通常狀況下手指和光電式脈搏傳感器可能產生相對的運動，這樣對脈搏測量產生誤差，可以通過2個方面削減運動噪聲誤差：一是改

15、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，對于傳感器的設計，現在接受的主要是第一個途徑。 附錄一 protel原理圖附錄三 單片機程序（C語言）#include<reg51.h>#define count_M1 50000#define TH_M1 (65536-count_M1)/256#define TL_M1 (65536-count_M1)%256#define gewei P0#define shiwei P1#define baiwei P2char TAB10=0xc0,0xf9,0xa4,

16、0xb0,0x99,0x92,0x83,0xf8,0x80,0x98;char maibo=0;int count_T0,temp=0;void show(char,char,char);void delay10ms(void);main() IE=0x83; /允許TF0、INT0中斷 IP=0x02; /設定TF0的優(yōu)先級高于INT0 TMOD=0x01; /設定T0為mode1 TH0=TH_M1; TL0=TL_M1; TCON=0x01; /設定負邊沿觸發(fā) TR0=1; /開頭定時 while(1) temp+;void T0_10s(void) interrupt 1 TH0=TH_M1;TL0