光電脈搏檢測

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 方案一1.1 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(yù)防的突發(fā)致命疾病。在醫(yī)學(xué)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(jì)很快產(chǎn)生并得到發(fā)展。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展、人們的生活節(jié)奏加快，設(shè)計(jì)一種以使用方便為前提，能夠快速測出人心率的心率計(jì)，不僅是臨床者的需要，也是體育訓(xùn)練者和外出旅游者的需要。1.2 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(yīng)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

2、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(diǎn)，可通過光電傳感器對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行檢測，并通過單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)智能化的脈搏測試技術(shù)。 生物醫(yī)學(xué)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(hào)的一個(gè)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(duì)手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號(hào)。光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、可重復(fù)好等優(yōu)點(diǎn)。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(gè)方面出發(fā)，研究改進(jìn)方法，對(duì)提高使用的靈活性和準(zhǔn)確度有著重大意義。通過光

3、電傳感器對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行檢測，并用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)智能化的脈搏測試技術(shù)。 第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1光電式脈搏傳感器的原理和結(jié)構(gòu) 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(dǎo)致主動(dòng)脈的收縮和舒張,使血流壓力以波的形式從主動(dòng)脈根部開始沿著整個(gè)動(dòng)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(qiáng)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)中許多生理病理的血流特征。 根據(jù)郎伯-比爾（Lambertbeer）定律,物質(zhì)在一定波長處的吸光度和它的濃度成正比，當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時(shí),通過人體組織吸收、反射、衰減后測量到的光強(qiáng)在一定程度上反映了被照

4、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(dāng)光子穿越介質(zhì)時(shí)，因能量被吸收而導(dǎo)致的強(qiáng)度衰減可描述為： 式中是入射光強(qiáng)，是與組織結(jié)構(gòu)相關(guān)的吸收系數(shù)（哺乳動(dòng)物的值在0.1至100之間），是沿光軸方向的坐標(biāo)長度。 脈搏主要由人體動(dòng)脈舒張和收縮產(chǎn)生的,在人體指尖,組織中的動(dòng)脈成分含量高,而且指尖厚度相對(duì)其他人體組織而言比較薄,透過手指后檢測到的光強(qiáng)相對(duì)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

5、,而在血液中,靜脈血的搏動(dòng)相對(duì)于動(dòng)脈血是十分微弱的,可以忽略。因此可以認(rèn)為光透過手指后的變化僅由動(dòng)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(jì)利用透射式的測量方法，通過檢測透過手指的光強(qiáng)可以間接測量到人體的脈搏信號(hào)。 2.1.2 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(duì)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(shí)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

6、液漫反射回來的光，此信號(hào)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(hào)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(hào)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(qiáng)度呈線性變化?？捎糜卺t(yī)療儀器、實(shí)驗(yàn)室儀表、位置與接近探測、圖像分析、條線碼掃描器、溫室的光照度控制等。OPT101型傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。2.2.1傳感器OPT101 OPT101型傳感器的性能、特點(diǎn)：（1）單電源供電 +2.7V+36V（2）光敏二極管的尺寸：0.09*

7、0.09in（3）片內(nèi)放大器反饋電阻：Rf=1M（4）光敏二極管響應(yīng)：0.45A/W(650nm時(shí))（5）響應(yīng)帶寬：14K Hz（Rf=1M）（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：070應(yīng)用片內(nèi)1M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(yīng)用電路；這是電路的輸出幅度與照射光線波長的關(guān)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。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2.2.2低功率運(yùn)算放大器LM324LM324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真

8、差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有顯著的有點(diǎn)：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(duì)每個(gè)放大器而言），共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)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(fù)電源電壓。其特點(diǎn)為：（1）短路保護(hù)輸出 （2）真差動(dòng)輸入級(jí)（3）單電源工作，3.0V32V （4）低輸入偏置電流，最大100nALM324A（5）每一個(gè)封裝四個(gè)放大器 （6）內(nèi)部補(bǔ)償（7）共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源 （8）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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 2.2.3通用型集成電壓

9、比較器AD790 雙列直插式AD790單集成電壓比較器，與集成運(yùn)放相同，它有同相和反相兩個(gè)輸入端，分別是引腳2和3；正、負(fù)兩個(gè)外接電源±VS，分別為引腳1和4；當(dāng)單電源供電時(shí)，-VS應(yīng)接地。此外，引腳8接邏輯電源，其取值決定于負(fù)載所需高電平。為了驅(qū)動(dòng)TTL電路，應(yīng)接+5V，此時(shí)比較器輸出高電平為4.3V。引腳5為鎖存控制端，當(dāng)它為低電平時(shí)，鎖存輸出信號(hào)2.3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)采集和處理電路、單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路兩大部分。2.3.1信號(hào)采集電路和處理電路 本設(shè)計(jì)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(dāng)指尖的血流量隨心臟跳動(dòng)而改變時(shí)，從LED通過指尖到達(dá)受

10、光窗的光線也隨之改變，這樣光電流也發(fā)生波動(dòng)性變化，從而采集到心臟脈搏信號(hào)。設(shè)計(jì)出來的電路圖見下： 圖5-1 信號(hào)采集和處理電路具體說明：OPT101芯片的5號(hào)引腳輸出波動(dòng)的電壓信號(hào)，經(jīng)R2、C2、C3接到LM324放大器的反相輸入端，為避免煩擾信號(hào)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(hào)，截止頻率為3.33Hz。通過AD790電壓比較器，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)輸入單片機(jī)。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。 2.3.2單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路 在單片機(jī)設(shè)計(jì)中，我們使用

11、12MHz的晶振，用P0、P1和P2引腳控制三個(gè)數(shù)碼管進(jìn)行顯示，P32引腳用來接收已轉(zhuǎn)化為方波的脈搏信號(hào)，并且?guī)в袕?fù)位開關(guān)。圖5-2 單片機(jī)系統(tǒng)電路圖 2.4單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 我們?cè)O(shè)計(jì)的單片機(jī)程序中，采用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)檢測周期10s，在10s過程中，P32引腳檢測方波脈搏信號(hào)，每次高電平來臨，系統(tǒng)進(jìn)行判斷：相鄰兩次高電平的時(shí)間差是否大于10ms，因?yàn)槊}搏周期理論最大值為300ms，其中的高電平時(shí)間會(huì)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(bǔ)個(gè)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。開 始定義變量聲明函數(shù)啟動(dòng)10s計(jì)時(shí)啟

12、動(dòng)脈搏計(jì)數(shù)兩次脈沖信號(hào)的時(shí)間差是否大于10ms脈搏計(jì)數(shù)加1否是10s計(jì)時(shí)結(jié)束顯示心率數(shù)圖6 單片機(jī)工作流程圖2.5光電式脈搏傳感器的噪聲分析及改進(jìn) 在測量過程中，前端測量到的脈搏信號(hào)十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾，因此需要對(duì)脈搏傳感器的干擾噪聲進(jìn)行分析，從光電式脈搏傳感器設(shè)計(jì)的技術(shù)角度減少干擾，使之能夠準(zhǔn)確測量到脈搏信號(hào)，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(yùn)動(dòng)噪聲，下面對(duì)上述情況結(jié)合實(shí)驗(yàn)測量做進(jìn)一步的分析。 2.5.1環(huán)境光對(duì)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(hào)不僅包含脈搏信息的透射光的信號(hào)，而且包含測量環(huán)境下的背景光信號(hào)，由于動(dòng)脈波動(dòng)

13、引起的光強(qiáng)變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當(dāng)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(duì)脈搏信號(hào)測量的影響，同時(shí)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(gè)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。 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?yàn)榧又柑资降拿}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(hào)較為穩(wěn)定，沒

14、有明顯的重疊雜波信號(hào)，能夠很好的體現(xiàn)出脈搏波形的特征。 2.5.2 電磁干擾對(duì)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(hào)一般比較微弱，容易受到外界電磁信號(hào)的干擾，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器電路中，由于光敏器件和一級(jí)放大電路是分離的，那么在信號(hào)的傳遞過程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級(jí)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(jí)放大電路，有效地抑制了外界電磁信號(hào)對(duì)原始脈搏信號(hào)的干擾。 2.5.3 測量過程中運(yùn)動(dòng)噪聲 在測量過程當(dāng)中，通常情況下手指和光電式脈搏傳感器可能產(chǎn)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，這樣對(duì)脈搏測量產(chǎn)生誤差，可以通過2個(gè)方面減少運(yùn)

15、動(dòng)噪聲誤差：一是改善指套式傳感器的機(jī)械抗運(yùn)動(dòng)性，比如說使指套能夠更緊的夾在手指上，不易松動(dòng)；二是從脈搏信號(hào)處理的角度，通過算法來減小誤差，對(duì)于傳感器的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在采用的主要是第一個(gè)途徑。 附錄一 protel原理圖附錄三 單片機(jī)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=0xc0,0

16、xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x83,0xf8,0x80,0x98;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(shè)定TF0的優(yōu)先級(jí)高于INT0 TMOD=0x01; /設(shè)定T0為mode1 TH0=TH_M1; TL0=TL_M1; TCON=0x01; /設(shè)定負(fù)邊沿觸發(fā) TR0=1; /開始定時(shí) while(1) temp+;void T0_10s(void) interrupt 1 TH0=TH_M1;TL0=TL_M1;