光电式脉搏传感器的原理

光电式脉搏传感器得原理

1 引言

人体心室周期性得收缩与舒张导致主动脉得收缩与舒张,使血流压力以波得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。脉搏波所呈现出得形态、强度、速率与节律等方面得综合信息,很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理得血流特征、 传 统得脉搏测量采用脉诊方式,中医脉象诊断技术就就是脉搏测量在中医上卓有成效得应用,但就是受人为得影响因素较大,测量精度不高、无创测量 (ｎoniｎvasive mｅ

asurements)又称非侵入式测量或间接测量,其重要特征就是测量得探测部分不侵入机体,不造成机体创伤,通常在体外,尤其就是在体表间接测量人体 得生理与生化参数［1]。 生物医学传感器就是获取生物信息并将其转换成易于测量与处理信号得一个关键器件。光电式脉搏传感器就是根据光电容 积法制成得脉搏传感器,通过对手指末端透光度得监测,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。本文讨论得就就是基于光 电式脉搏传感器得设计与具体实现。 2 光电式脉搏传感器得原理与结构 ２.１ 光电式脉搏传感器得原理

根据郎伯－比尔(laｍber—beer)定律,物质在一定波长处得吸光度与她得浓度成正比,当恒定波长得光照射到人体组织上时,通过人体组织吸收、反射衰减后测量到得光强在一定程度上反映了被照射部位组织得结构特征。

脉搏主要由人体动脉舒张与收缩产生得,在人体指尖,组织中得动脉成分含量高,而且指尖厚度相对其她人体组织而言比较薄,透过手指后检测到得光强相对较大,因此光电式脉搏传感器得测量部位通常在人体指尖、

手 指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织与血液组织,其中非血液组织得光吸收量就是恒定得,而在血液中,静脉血得搏动相对于动脉血就是十分微弱得,可以忽 略,因此可以

认为光透过手指后得变化仅由动脉血得充盈而引起得,那么在恒定波长得光源得照射下,通过检测透过手指得光强可以间接测量到人体得脉搏信号。 ２、２ 光电式脉搏传感器得结构

从光源发出得光除被手指组织吸收以外,一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出来。光电式 脉搏传感器按照光得接收方式可分为透射形式与反射式2种[2］,其中透射式得发射光源与光敏接收器件得距离相等并且对称布置,接收得就是透射光,这种方法可 较好地反映出心律得时间关系,但不能精确测量出血液容积量得变化;反射式得发射光源与光敏器件位于同一侧,接收得就是血液漫反射回来得光,此信号可以精确地 测得血管内容积变化。本文讨论得就是透射式脉搏传感器,侧重于脉搏信号得测量。

3 光电式脉搏传感器得制作 3。1 光敏器件

光 电式脉搏传感器由于采用不同得光敏元件有着多种实现方法,其中光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管与硅光电池,在传统得光电式脉搏传感器设计 中,通常采用得就是独立光敏元件,利用半导体与光电效应改变输出得电流,通常光敏元器件输出得电流极低,容易受到外界干扰,而且对后续得放大器得要求比较严 格,需要放大器空载时得电流输出较小,避免放大器空载输出电流对脉搏信号测量得干扰,这样对于普通得放大器就不能直接应用在光敏元件得后端。

在 本文中,采用一种新型得光敏元件opt101［3］,该元件将感光部件与放大器集成在同一个芯片内部,这种集成化得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

件输出电流得影响,而且芯片输出得电压信号可以通过外部得精密电阻进行调节,有利于芯片适应整体得电路设计,同时芯片得集成化设计也能 够减小系统得功耗。 ３.2 发射光源

光电式脉搏传感器主要由光源、光敏器件,以及相应得信号调理控制电路构成。为了充分利用器件得效果,光源与光敏元件得选择就是综合考虑得,光源得波长应该落在光敏元件检测灵敏度较高得波段内,图4为oｐt101得光波长响应曲线［３］。

脉 搏信号主要由动脉血得充盈引起,而血液中还原血红蛋白(hb)与氧合血红蛋白(hbo2)含量变化将造成透光率得变化,当氧合血红蛋白与还原血红蛋白对光 得吸收量相等时,透射光得强度将主要由动脉血管得收缩与舒张引起得,此时能够比较准确地反映出脉搏信号。图５为血红蛋白得光吸收曲线,从图中可以瞧出,血 液中ｈbo2与ｈb对于不同波长光得吸收系数得差异明显,而且2条曲线好几个不同得交点,考虑到在８0５nm波长处,血红蛋白得光吸收率比较低,那么透射 过手指得光强较大,有利于光敏器件得接收,因此发射光源得波长选择为8０5nm。

3。3 恒流源控制电路

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得影响,需要恒流电路［4］来控制光源得稳定供电,使在脉搏测量过程中,发射光源发出得光强就是恒定得。 图6为恒流源电路,在电路中ｒ1两端得电压值恒等于稳压二极管d1得稳压值,因此流经r1得电流值恒定,控制使三极管q1处于放大状态,那么流过发光二极管d3得电流值恒定,因此发光二极管d3能输出稳定光强得光、 3、4 脉搏信号调理电路

芯 片opt101输出得脉搏信号为直流与交流叠加得混合电压信号,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得直流信号,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,但就是电容在隔直流得同时可能造成脉搏信号得部分失真。较为理想得方式就是采用一个减法器来实现绝大部分直流电 平得滤除,由于不同受试者得手指得透光率不同,测量到得直流电平不同,因此需要一个来实现相应得直流电平得滤除,本文就就是采用可控直流电平输出与减法器来 实现脉搏信号得提取、在得到包含有脉搏信号得交流信号后,只要通过简单得放大电路与低通滤波电路即可实现脉搏信号得提取。

４ 光电式脉搏传感器得实验测量与噪声分析

在 测量过程中,前端测量到得脉搏信号十分微弱,容易受到外界环境干扰,因此需要对脉搏传感器得干扰噪声进行分析,从光电式脉搏传感器设计得技术角度减少干 扰,使之能够准确测量到脉搏信号,光电式脉搏传感器得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得分 析。 4、1 环境光对脉搏传感器测量得影响

在光电式脉搏传感器中,光敏器件接收到得光信号不仅包含脉搏信息得透射光得信号,而且包含测量环境下得背景光信号,由于动脉波动引起得光强变化比背景光得变化微弱得多,因此在测量过程当中要保持测量背景光得恒定,减少背景光得干扰、

测 量环境下得背景光［５、６］包含环境光与在测量过程中引起得二次反射光[７］、为了减少环境光对脉搏信号测量得影响,同时考虑到传感器使用得方便性,采用 密封得指套式包装方式,整个外壳采用不透光得介质与颜色,尽量减小外界环境光得影响,为了避免测量过程中得二次反射光得影响,在指套式传感器得内层表面涂 上一层吸光材料,这样能有效减少二次反射光得干扰。

由 图7得图形明显可知,加上指套式外壳后得脉搏传感器测量到得脉搏波形比较平滑、这就是因为加指套式得脉搏传感器中环境光在测量过程中基本不受外界环境光得影 响,而且能够有效减少二次反射光,使照射到手指上得光波长单一,所以得到得脉搏信号较为稳定,没有明显得重叠杂波信号,能够很好得体现出脉搏波形得特征。 4、2 电磁干扰对脉搏传感器得影响

通过光电转换得到得包含脉搏信息得电信号一般比较微弱,容易受到外界电磁信号得干扰, 在传统得光电式脉搏传感器电路中,由于光敏器件与一级放大电路就是分离得,那么在信号得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 得方式来消除电磁干扰,本系统采用了新型得光敏器件,在芯片内部集成光敏器与一级放大电路,有效地抑制了外界电磁信号对原始脉搏信号得干扰。

工 频干扰就是电路中最常见得干扰,脉搏信号变化缓慢,特别容易受到工频信号得干扰,因此对工频信号干扰得抑制就是保证脉搏信号测量精度得主要措施之一。通常脉搏 信号得频率范围在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得功耗,而且能够在一定程度上减小外界得电磁干扰,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 频信号得干扰。 ４、3 测量过程中运动噪声

在测量过程当中,通常情况下手指与光电式脉搏传感器可能产生相对得运动,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:一就是改善指套式传感器得机械抗运动性,比如说使指套能够更紧得夹在手指上,不易松动;二就是从脉搏信 号处理得角度,通过算法来减小误差,对于传感器得设计,现在采用得主要就是第一个途径、 5 结语

无创伤监护技术将就是未来医学 工程发展得重要方向,而人体脉搏信号中包含丰富得生理信息,也逐渐引起了临床医生得很大兴趣,光电容积法(pｐｇ)就是当今测量脉搏信号得一种有效途径,也 可以通过这种方法测量血氧饱与度,氧分压、心搏出量等生理信号,为临床诊断提供了强有力得技术支持。最近,日本学者又提出了以脉搏波传导速度与血压得相关 性来间接测量血压,用检测分析脉搏波得方法估计血压得课题,足见脉搏检测得应用有着良好得发展前景。