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光電式脈搏傳感器的原理

來源：《現(xiàn)代電子技術(shù)》 2021-12-24 10:53:44

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1 引言

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。

傳統(tǒng)的脈搏測(cè)量采用脈診方式，中醫(yī)脈象診斷技術(shù)就是脈搏測(cè)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(cè)量精度不高。無創(chuàng)測(cè)量（noninvasive measurements）又稱非侵入式測(cè)量或間接測(cè)量，其重要特征是測(cè)量的探測(cè)部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，通常在體外，尤其是在體表間接測(cè)量人體的生理和生化參數(shù)[1]。

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(cè)量和處理信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵器件。光電式脈搏傳感器是根據(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(cè)，間接檢測(cè)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)。本文討論的就是基于光電式脈搏傳感器的設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)。

2 光電式脈搏傳感器的原理和結(jié)構(gòu)

2.1 光電式脈搏傳感器的原理

根據(jù)郎伯－比爾（lamber－beer）定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比，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(cè)量到的光強(qiáng)在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。

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(cè)到的光強(qiáng)相對(duì)較大，因此光電式脈搏傳感器的測(cè)量部位通常在人體指尖。

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(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，通過檢測(cè)透過手指的光強(qiáng)可以間接測(cè)量到人體的脈搏信號(hào)。

2.2 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[2]，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(cè)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(hào)可以精確地測(cè)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(cè)量。

3 光電式脈搏傳感器的制作

3.1 光敏器件

光電式脈搏傳感器由于采用不同的光敏元件有著多種實(shí)現(xiàn)方法，其中光敏元件主要有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和硅光電池，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器設(shè)計(jì)中，通常采用的是獨(dú)立光敏元件，利用半導(dǎo)體和光電效應(yīng)改變輸出的電流，通常光敏元器件輸出的電流極低，容易受到外界干擾，而且對(duì)后續(xù)的放大器的要求比較嚴(yán)格，需要放大器空載時(shí)的電流輸出較小，避免放大器空載輸出電流對(duì)脈搏信號(hào)測(cè)量的干擾，這樣對(duì)于普通的放大器就不能直接應(yīng)用在光敏元件的后端。

在本文中，采用一種新型的光敏元件opt101[3]，該元件將感光部件和放大器集成在同一個(gè)芯片內(nèi)部，這種集成化的設(shè)計(jì)方式有效地克服了后端運(yùn)算放大器空載電流輸出對(duì)光敏部件輸出電流的影響，而且芯片輸出的電壓信號(hào)可以通過外部的精密電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于芯片適應(yīng)整體的電路設(shè)計(jì)，同時(shí)芯片的集成化設(shè)計(jì)也能夠減小系統(tǒng)的功耗。

3.2 發(fā)射光源

光電式脈搏傳感器主要由光源、光敏器件，以及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理控制電路構(gòu)成。為了充分利用器件的效果，光源和光敏元件的選擇是綜合考慮的，光源的波長應(yīng)該落在光敏元件檢測(cè)靈敏度較高的波段內(nèi)，圖4為opt101的光波長響應(yīng)曲線[3]。

脈搏信號(hào)主要由動(dòng)脈血的充盈引起，而血液中還原血紅蛋白（hb）和氧合血紅蛋白（hbo2）含量變化將造成透光率的變化，當(dāng)氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對(duì)光的吸收量相等時(shí)，透射光的強(qiáng)度將主要由動(dòng)脈血管的收縮和舒張引起的，此時(shí)能夠比較準(zhǔn)確地反映出脈搏信號(hào)。圖5為血紅蛋白的光吸收曲線，從圖中可以看出，血液中hbo2和hb對(duì)于不同波長光的吸收系數(shù)的差異明顯，而且2條曲線好幾個(gè)不同的交點(diǎn)，考慮到在805nm波長處，血紅蛋白的光吸收率比較低，那么透射過手指的光強(qiáng)較大，有利于光敏器件的接收，因此發(fā)射光源的波長選擇為805nm。

3.3 恒流源控制電路

在脈搏信號(hào)測(cè)量過程中，為了盡量減少光源供電波動(dòng)對(duì)測(cè)量脈搏信號(hào)的影響，需要恒流電路[4]來控制光源的穩(wěn)定供電，使在脈搏測(cè)量過程中，發(fā)射光源發(fā)出的光強(qiáng)是恒定的。

圖6為恒流源電路，在電路中r1兩端的電壓值恒等于穩(wěn)壓二極管d1的穩(wěn)壓值，因此流經(jīng)r1的電流值恒定，控制使三極管q1處于放大狀態(tài)，那么流過發(fā)光二極管d3的電流值恒定，因此發(fā)光二極管d3能輸出穩(wěn)定光強(qiáng)的光。

3.4 脈搏信號(hào)調(diào)理電路

芯片opt101輸出的脈搏信號(hào)為直流和交流疊加的混合電壓信號(hào)，其中交流信號(hào)中包含了脈搏信息，因此信號(hào)調(diào)理電路先要濾除疊加的直流信號(hào)，在對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行放大。濾除直流信號(hào)可以通過一個(gè)電容來實(shí)現(xiàn)，但是電容在隔直流的同時(shí)可能造成脈搏信號(hào)的部分失真。較為理想的方式是采用一個(gè)減法器來實(shí)現(xiàn)絕大部分直流電平的濾除，由于不同受試者的手指的透光率不同，測(cè)量到的直流電平不同，因此需要一個(gè)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的直流電平的濾除，本文就是采用可控直流電平輸出和減法器來實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的提取。在得到包含有脈搏信號(hào)的交流信號(hào)后，只要通過簡單的放大電路和低通濾波電路即可實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的提取。

4 光電式脈搏傳感器的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和噪聲分析

在測(cè)量過程中，前端測(cè)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(cè)量到脈搏信號(hào)，光電式脈搏傳感器的干擾主要有測(cè)量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測(cè)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(cè)量做進(jìn)一步的分析。

4.1 環(huán)境光對(duì)脈搏傳感器測(cè)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(cè)量環(huán)境下的背景光信號(hào)，由于動(dòng)脈波動(dòng)引起的光強(qiáng)變化比背景光的變化微弱得多，因此在測(cè)量過程當(dāng)中要保持測(cè)量背景光的恒定，減少背景光的干擾。

測(cè)量環(huán)境下的背景光[5.6]包含環(huán)境光和在測(cè)量過程中引起的二次反射光[7]。為了減少環(huán)境光對(duì)脈搏信號(hào)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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。

4.2 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。

工頻干擾是電路中最常見的干擾，脈搏信號(hào)變化緩慢，特別容易受到工頻信號(hào)的干擾，因此對(duì)工頻信號(hào)干擾的抑制是保證脈搏信號(hào)測(cè)量精度的主要措施之一。通常脈搏信號(hào)的頻率范圍在0.3－30hz之間，小于工頻50hz，因此通過低通濾波器可以有效濾除工頻干擾，這在信號(hào)調(diào)理電路中容易實(shí)現(xiàn)；同時(shí)可以在控制電路中對(duì)光源進(jìn)行脈沖調(diào)制，這樣不但能夠降低系統(tǒng)的功耗，而且能夠在一定程度上減小外界的電磁干擾，在脈搏信號(hào)數(shù)據(jù)采集后，可以通過數(shù)據(jù)處理法方法進(jìn)一步濾除工頻信號(hào)的干擾。

4.3 測(cè)量過程中運(yùn)動(dòng)噪聲

在測(cè)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(cè)量產(chǎn)生誤差，可以通過2個(gè)方面減少運(yùn)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。

5 結(jié)語

無創(chuàng)傷監(jiān)護(hù)技術(shù)將是未來醫(yī)學(xué)工程發(fā)展的重要方向，而人體脈搏信號(hào)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(dāng)今測(cè)量脈搏信號(hào)的一種有效途徑，也可以通過這種方法測(cè)量血氧飽和度，氧分壓、心搏出量等生理信號(hào)，為臨床診斷提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。最近，日本學(xué)者又提出了以脈搏波傳導(dǎo)速度與血壓的相關(guān)性來間接測(cè)量血壓，用檢測(cè)分析脈搏波的方法估計(jì)血壓的課題，足見脈搏檢測(cè)的應(yīng)用有著良好的發(fā)展前景。

脈搏檢測(cè)中關(guān)鍵技術(shù)是傳感器的設(shè)計(jì)與傳感器輸出的微弱信號(hào)提取問題，本文對(duì)脈搏傳感器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的探討并取得了可喜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明：采用本文這種方法能夠較好的測(cè)量出脈搏信號(hào)，為脈搏信息的進(jìn)一步提取提供了有利的前提。

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