光电脉搏波传感放大器毕业论文.doc

光电脉搏波传感放大器毕业设计摘 要作为反映人体健康状况的重要生理信息，脉搏波在临床诊断和疾病治疗中,受到广泛重视。目前，摸脉方法仍然是医生诊断疾病所采用的一种普遍技术手段。脉搏波所呈现出的综合信息，如形态（波形）、强度（波幅）、速率（波速）和节律（周期）等，在很大程度上反映了人体心血管系统中的生理和病理的血流特性，其医学价值重大。无创血氧浓度和无袖带血压测量技术就是在脉搏波的波形分析基础上实现的。由于人体的生物信号处于强噪声背景下, 脉搏波作为一种低频微弱的非电生理信号，必需经过放大和后级滤波处理，才能满足进行采集和观察的要求。本文在广泛查阅国内外有关光电容积脉搏波扫描法的研究和应用情况的基础上，设计并制作完成了基于光电容积脉搏波扫描法的透射式光电脉搏波传感放大器电路，并对其在使用中的问题及应用前景进行了深入探讨。关键词：脉搏波 光电容积脉搏波扫描法 放大器 滤波器 传感器ABSTRACTExtracted from the pulse wave information as the bodys physiological and pathological basis of clinical diagnosis and treatment, the medical profession has always been the attention of Chinese and foreign. Almost all the worlds peoples have used the pulse touch as a means of diagnosis of the disease. By showing a pulse wave form (wave), intensity (amplitude), rate (velocity) and rhythm (cycle) and other aspects of comprehensive information, in large part reflects the human cardiovascular system, blood flow characteristics of many physiological and pathological Therefore, the pulse wave acquisition and processing of high medical value and application prospect. Such as non-invasive way to measure the oxygen concentration, blood pressure, pulse wave analysis are based on the changes in the. But the bodys biological signal is stronger and more low-frequency background noise of weak signals, low frequency pulse wave signal is weak non-electrophysiological signals, amplified, and after the necessary level filtering to meet the collection requirements. This article focuses on the domestic and foreign for PPG research and use is proposed based on PPG photoelectric pulse wave transmission sensor amplifier circuit design and production. Targeted in the use of several issues presented its final application.Keywords: Pulse wave PPG Amplifier Filter Sensor目 录绪 论1第一章 动脉脉搏波的相关理论21.2 脉搏波的传播速度31.3 脉搏波的研究意义5第二章 血压测量技术的发展历史和现状62.1 发展历史概述62.2 无创血压测量方法综述62.2.1 柯氏音听诊法62.2.2 示波法72.2.3 扁平张力法82.2.4 超声波法82.3 弱信号测量相关知识82.3.1 电气设备干扰82.3.2 常规小信号检测方法9第三章 光电容积脉搏波扫描法原理及其在临床上的应用113.1 PPG的原理113.2 测量方式及光源器件选择123.2.1 测量方式选择123.2.2 光源器件的选择133.3 PPG在临床上的应用14第四章 系统设计及实现154.1 系统总体设计与框图154.2 PPG传感器设计154.2.1 光源的驱动电路154.2.2 光电接收及前置放大164.3 二阶低通滤波电路174.4 二阶高通滤波电路214.5 二级放大及电平提升电路23第五章 系统运行结果测试245.1采集电路测试245.2 初级放大和滤波电路功能测试245.3系统总体测试25结 论26致 谢27参考文献28绪 论血压是血液在血管内流动时对单位面积血管壁产生的侧压力，其值通常用mmHg来表示（1mmHg =0.133kPa ）。它是反映人体循环系统机能的重要生理参数，心脏的泵血功能、心律、周围血管的阻力、大动脉的弹性、全身的血容量以及血液的物理状态等因素都反映在血压指标中。血压分为动脉血压与静脉血压，在临床医学上所说的血压指的是动脉血压。动脉血压包括收缩压(Systolic Blood Pressure,SBP)和舒张压(Diastolic Blood Pressure,DBP)，一个心动周期过程中动脉血压的时域平均值称为平均动脉压(Mean Arterial Blood Pressure,MBP)。中国高血压防治指南2005年修订版中指出当收缩压大于140mmHg且舒张压大于90mmHg时为高血压。在我国高血压患者占总人口的13%以上，而且呈逐年上升趋势，在发达国家这个数字还要高2。临床上还需要对危重病人和手术中的病人实行血压的连续监护，以防止病人出现意外，便于医护人员及时采取措施。因此血压测量在家庭保健和临床诊断中具有重要意义。另外，在临床医学中，对人体血氧饱和度和外围血液循环状况的检测是非常重要的检测项目。人体的外围血液循环状况包括动脉脉搏波和静脉回流容积波，它们都反映了人体状态的重要信息，对它们的检测可以协助诊断某些疾病，如动脉硬化、高血压、肠管炎和末梢循环障碍等，同时也有助于观察血液动力状态的改变。人体的血氧饱和度状况更是与人的心肺功能及呼吸、循环系统有着直接的重要的关系，对它的检测在手术麻醉、监护室急救病房、病人运动和睡眠研究、以及氧疗中都有着非常重要的作用。目前，在临床医学上，对血氧饱和度的测量包括有创测量和无创测量两种方法。其中有创测量方法能提供准确的测量值，但操作麻烦，不能进行连续的测量，并且会对患者造成痛苦甚至感染。无创测量是基于光谱测量原理，利用光源照射被测部位，根据在接收端接收到的光信号来计算人体的血氧饱和度。本系统正是基于上述讨论，从实际出发，以光电容积脉搏波扫描法为参考，设计出了无创透射式脉搏波波形传感放大器。本设计可以实时、准确的采集和放大人体的脉搏波信号，继而可作为无创方式测量血压和血氧浓度的信号采集电路。 第一章 动脉脉搏波的相关理论 1.1 动脉脉搏波的产生及波形特点每个心动周期中，心脏间歇性的收缩和舒张引起主动脉血液压力时高时低的变化以及主动脉管壁时张时缩的振动。这种动脉管壁的振动称为动脉脉搏。动脉脉搏波在主动脉近心端形成的同时，立即将所发生的血压、血流量和血管壁周期性的振动迅速以波动的方式沿着动脉树一直扩散到整个动脉系统，从而形成整个动脉系统中血压时高时低、血流量时快时慢、血管壁时张时缩的波动。这些波动在动脉系统扩散的过程，称为动脉脉搏波的传播。而由血压、血流量、血管壁的脉动形成的扩散波动，则可分别称之为压力脉搏波、流量脉搏波、管壁脉搏波，这三类脉搏波是相互伴随产生的，因而可统称为动脉脉搏波【1】。 脉搏波呈现出的形态、强度、速率和节律等信息在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。脉搏波是一种以低频成分为主的生理信号，可通过人体体表动脉如颈动脉、肱动脉和桡动脉等地方方便的检测出【2】。图 1-1 是一个典型的压力脉搏波波形。一般来说，动脉脉搏的波形由上升支和下降支组成。1、上升支：在心室快速射血期，动脉血压迅速上升，血管壁扩张，构成了脉搏曲线的上升支。其斜率和幅度受射血速度、心输出量以及射血所遇阻力的影响。阻力大、心输出量小、射血速度慢，则斜率小、幅度低；反之则斜率大、幅度高。 2、下降支：心室射血后期，射血速度减慢，进入主动脉的血量少于流向外周的血量，因而大动脉开始回缩，动脉血压逐渐降低，形成了下降支的前段。随着心室舒张，动脉血压继续下降，形成下降支的后段。其中在心室舒张、主动脉瓣关闭的瞬间，主动脉内的血液向心室方向返流，管壁回缩使下降支急促下降，形成一个切迹，称为降中峡。返流的血液使主动脉瓣迅速关闭，同时使主动脉的根部容积增大，并且受到闭合的主动脉瓣的阻挡，形成一个折返波，称为降中波。下降支的形状可大致反映外周阻力的高低。外周阻力高，下降支前段的下降速率慢、切迹的位置则较高，降中波以后的降支后段坡度较陡；反之，则下降支前段的下降速度快、切迹位置较低，切迹以后的降支坡度小，较为平坦。 图1-1 压力脉搏波形1.2 脉搏波的传播速度为了导出脉搏波的传播速度，假定血管内的血液一开始是静止的,当脉搏波以速度向右传播时，在时刻波阵面到达1断面，再经过时间后，波阵面到达2断面。脉搏波波阵面到达之前，血液未受脉搏波的扰动，其压力为，血管横截面积为 、血流速度；波阵面到达之后，血液受到脉搏波的扰动，压力变为，血管横截面积变为，血流速度为 。图1-2 脉搏波速度的计算示意图由于在 时刻，如图1-2a所示，脉搏波只到达1断面，因而处在断面1与2之间的血液末受扰动，其体积为。若血液的密度记为，则这段血管中所包含的血液质量为 。在时刻，如图1-2b所示，脉搏波已到达1a断面，但此时断面1也向右移动了距离，因此体积为 的血液段经时间之后，将变为： (1-2-1)其多对应的血液质量将为 (1-2-2)根据血液流动的质量守恒原理，由断面1与2所包围的血液段，在脉搏波经过之前与之后，血液的质量应相等。对于血液来说，在生理压力范围内，是常量，因而有 (1-2-3)展开上式，考虑到在脉搏波传播过之后，有关力学量的变化仅是小量，可略去有关扰动量的二阶以上的小量，从而得 (1-2-4)在不计血液重力与摩擦力的情况下，作用在这段血液上的力在血管轴向上的分量将为 (1-2-5)这样，在时间内，作用在这个血液段上外力的冲量为 (1-2-6)由动量定理，有 (1-2-7)展开上式，同样略去二阶以上小量后，得 (1-2-8)结合式2-12和2-16，并消去，则得脉搏波波速的一般表达式： (1-2-9)若进一步将动脉管认为是一个薄壁的弹性管，则根据动脉管横截面积与血压之间的关系式（其中，分别表示自然状态下血管的截面积与直径，为血管的杨氏弹性系数，为血管壁的厚度），并考虑到，有： (1-2-10)将此式代入式2-17，可得脉搏波波速的表达式为： (1-2-11)这通常称为Moens-Korteweg波速公式【3】。显然，在推导上面的Moens-Korteweg波速公式时，曾假定动脉管是均匀的直薄壁弹性管，而且是无限长的。又略去了血液粘度的影响，并认为压力的脉动较小，以致可用线性化的方法来处理。用Moens-Korteweg公式计算出的脉搏波波速数值偏离实测的波速数值一般不超过15%，因此在精度要求不太高的场合下，这个波速公式是可以使用的。 当脉搏波沿动脉传播时，将受到血管壁弹性、血液粘度、血管壁的粘弹特性、泊松比以及周围组织对血管壁的约束情况等多种因素的影响，而且这些影响因素之间又是相互关联的，这使得分析脉搏波的传播规律更具复杂性。1.3 脉搏波的研究意义脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象，脉搏波的波形幅度和形态，包含了反映心脏和血管状况的重要生理信息。因此从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到人们的重视，几乎世界上所有的民族都曾用“切脉”作为诊断疾病的手段，尤其是我国传统医学中的脉诊已有几千年的历史。大量的研究发现高血压和动脉粥状硬化的初期，虽然患者还没有自觉症状，但血压、血流、血管阻力、血管弹性和血液粘性等一系列心血管血流参数实际上已发生变化，并首先反映在脉搏波的幅值与波形变化之中。因此根据正常健康情况和不正常的疾病情况的脉搏波特征值比较判别，即可将心血管疾病潜在的危险尽早诊断出来。血压是反映人体循环系统机能的重要生理参数。心脏的泵血功能、心率、周围血管的阻力、主动脉和大动脉的弹性、全身的血容量及血液的物理状态等因素都反映在血压的指标中，所以血压的检测在临床上具有十分重要的意义。而如何用无创、经济的方法获得准确、可靠的血压参数仍是生物医学领域不断在探索的问题。第二章 血压测量技术的发展历史和现状2.1 发展历史概述血压测量的探索有着悠久的历史。在我国最早可以追溯到两千多年前，古代医学“黄帝内经”中便有了“四诊”，通过脉搏波获取疾病信息，包括“虚实浮沉”等28种脉象，包含了远比血压丰富得多的信息，但存在着客观化的问题，至今尚未解决。自1628年生理学家W.Harrey发现血液循环理论之后的几百年，人们一直在寻找一种既方便可行又准确可靠的血压测量方法。1773年英国牧师 Stephen.Hales将黄铜管插入马的动脉中，并和一根垂直的玻璃管相连，根据玻璃管中液柱升高的事实，推断血液中存在压力。而人体动脉血压的直接测量是从1856年I.Farivce开始研究的，但直到1950年才被临床接受，开始在临床上正式使用。1876年，法国生理学家Marey将手放进密闭的液压腔内描记动脉的脉动，记录下振荡波形，这就是最早的示波法。1896年，意大利的Riva-Rocci与英格兰的Hill和Barnard，分别独立发明了直到现在还在广泛使用的血压袖带和水银血压计。1905年，俄国医生Korotkof改进了Riva-Rocci的方法，提出用柯氏音的出现和消失来判别收缩压和舒张压，奠定了柯氏音听诊法血压测量技术，使其成为临床上血压测量的“金标准”，无创血压测量从此才在临床上得到广泛的接受和应用【4】。 无创血压测量技术发展的最近100多年里，出现了各种测量技术：1963年Pressman和Newgard提出张力测定法，后来经过很多人的研究，1976年有商品化产品问世；1965年DeDobbeleer提出双袖带法测量技术；1969年Posey等人通过动物实验首先提出振动波幅度最大时对应动脉平均压；1979 年Ramsey,Yelderman及Ream用示波法测量人体血压，指出示波法与直接法测得平均具有高度的相关性，验证了平均压测量标准；1973年捷克生理学家Jan Penaz进一步发展了恒定容积法血压测量技术，给出了该方法中最为重要的随动系统参考值；上世纪70年代末80年代初，微处理器技术应用于示波法血压测量，实现了血压的快速、自动、无创测量。无创血压测量发展到今天，出现了各种技术和商品化的产品，无创测量方式因其测量方便，相对于有创测量病人无创伤痛苦，因而在临床医疗上获得了广泛的应用。2.2 无创血压测量方法综述2.2.1 柯氏音听诊法柯氏音听诊法是临床医护人员广泛使用的血压测量方法。其基本原理是利用充气袖带压迫动脉血管，随着袖带压力的下降，动脉血管经历从完全阻闭到渐开，再到全开的变化过程，通过辨别动脉血流受阻过程中的过流声音及相应的压力点来确定收缩压和舒张压，其中血流声音是血液流动过程中由湍流和血管壁的振动引起的。该方法由血压计袖带和听诊器组成，现今在临床上得到广泛的认可和应用。水银血压计被临床工作人员视为血压测量的“金标准”，并作为判断其他测量准确与否的参考。事实上该方法存在一定的问题：以直接法测得的血压值作为真实值，则该方法测得的血压值收缩压较真实值低913mmHg ，而舒张压高613mmHg；读数完全依赖于人的听觉、视觉的敏感度和协调程度，主观性强；在舒张压对应于第四相还是第五相的问题上存在争议，由此引起的判别误差很大。进一步发展，为了摆脱人的主观性的影响和血压自动测量的需要，出现了电子柯氏音法，使用微控制器、气泵、电子拾音器实现了自动的袖带充放气和血压测量。但是该方法容易受噪声的影响，而且没有解决舒张压的争议问题，可信度低于示波法自动血压测量技术。2.2.2 示波法示波法是临床上各类监护仪、电子血压计广泛采用的血压测量技术。用听诊法测量血压时气袖中的压力除随放气下降外还存在一个振荡，其波形如图2-1。示波法通过检测该振荡的包迹，利用包迹与动脉血压之间的固有关系来测量血压。图2-1最大处对应的袖带压力是平均压，而收缩压和舒张压却不能直接测得，由各种血压算法得到。图2-1 振荡波和袖带压之间的关系示意图测量时先用袖带阻断动脉血流，在放气过程中检测袖带内的气体压力振荡波。示波法测量的关键技术是放气过程中对血压和脉搏波信号的准确采集和收缩压与舒张压的计算方法。信号采集中涉及到滤波和抗干扰技术，而血压算法的优劣是决定血压测量准确与否的关键。收缩压和舒张压经验判别准则分为两类，一类是归一化准则，另一类是突变点准则。归一化准则就是将振动信号的幅值与信号的最大幅值相比进行归一化处理，通过确定收缩压和舒张压的归一化值来识别收缩压和舒张压。突变点准则通过识别振荡波包络的拐点确定收缩压和舒张压。示波法也存在一定的缺点：该方法检测到的是叠加在血压信号上的脉搏波信号，削弱了反映血压变化的高频成分，因而在跟踪、反映血压的突然变化上能力不足；对病人的运动敏感，因此在测量过程中需要经常判断是否有运动等干扰存在来保证测量的准确性。在医用高档的监护仪中，多采用示波法和柯氏音法相结合的方法，以提高测量精度，实现血压的间歇性测量。2.2.3 扁平张力法对位于骨骼附近的体表动脉部分施加外压，使其成扁平状态。此时动脉成刚性表面状态，作用在该表面的力与动脉的压力近似成比例。因此可以通过安置于桡动脉部位的压力传感器来测量该表面的压力，从而得到逐拍的动脉压力波形，并且检出动脉搏动的最大及最小信号以获得血压值。 扁平张力法测量的是体表动脉，不是近心端动脉，所得的波形与主动脉的波形存在差异，还需要通过传递函数将外周动脉压力波形转换成主动脉压力波形，由此得到主动脉压连续、绝对的测量。在实际应用中，需要用传感器阵列精确测量某点的压力，最大程度的减小误差。2.2.4 超声波法压电传感器向动脉发射超声波，超声波在动脉壁上发生反射，反射波由另一个传感器接收。由于血流和血管壁的舒张引起超声波的多普勒效应，通过检测多普勒效应来获得收缩压和舒张压。 超声法的优点在于适用范围广，可应用于成人、儿童血压的测量，抗噪声能力强，同时超声法可以再现动脉波。缺点在于被测者的活动会引起传感器和血管壁的声波途径的变化。2.3 弱信号测量相关知识人体的生理信号多数属于低频弱信号，往往相互交杂在一起且伴随有多种的噪声，有的甚至背噪声淹没。本文中涉及到的脉搏波信号就属于弱信号的范畴。所以要提取人体的生理信号，就要了解弱信号处理的相关知识【5】【7】。2.3.1 电气设备干扰(1)放电干扰放电现象包括电晕放电（如高压输电线），辉光放电（如荧光灯、霓红灯、闸流管），弧光放电（如电焊），火花放电（如点火系统、电火花加工）。最常见的电晕放电来自高压输电线。当高压输电线因绝缘失效时会产生间歇脉冲电流，形成电晕放电。在输电线垂直方向，电晕放电干扰随频率升高而衰减。当频率低于1MHz时，其衰减是微弱的。当频率高于1MHz时，衰减急剧。因此电晕放电干扰对低频系统较严重，而对高频系统影响不大【8】。辉光放电即气体放电。当两个接点之间的气体被电离时，由于离子碰撞而产生辉光放电。辉光放电所需电压与接点之间的距离、气体类型和气压有关。荧光灯干扰电平为几十到几千微伏，甚至达几十毫伏，频率一般为超高频。弧光放电即金属雾放电。最具典型的弧光放电是金属电焊。在两金属电极之间，加上比辉光放电低得多的电压，电流即可由负极跨过间隙扇射到正极，其局部电流足以使接点材料加热到绝对温度几千度，这样高的温度可使接点气化形成弧光。电气设备触点处的断续电流将引起火花放电。这种放电出现在触点通断的瞬间，是一种过度现象。 (2)工频干扰供电设备和输电线是工频干扰源，这种干扰随处可见。用示波器观察波形时，只要手一接触探针，会看到较强的50Hz交流波。这是由于人体感应了工频信号所致。低频信号线只要有一段与供电线平行，50Hz交流电就会耦合到信号线上。在电子设备内部，直流电源输出端可能出现不同的程度的交流干扰，这是因为整流过程中产生了含有工频基波及各次谐波，尽管有电源滤波器，这些谐波或大或小依然存在。这种干扰给高精度测量带来不少麻烦。(3)射频干扰无线电广播、电视、雷达通过天线发射强烈的电波，高频加热器也会产生射频辐射。电波在电子设备的传输线上以及作为无线电要测系统的接受天线上，会感应大小不等的射频信号。有的电台在要测接收天线上产生的电动势比欲接收的信号电动势大上万倍。不过，这类干扰的频带有限且可知，选择适当滤波器即可消除。2.3.2 常规小信号检测方法与弱信号相比，小信号的信噪比要高得多，其检测技术也要容易的多。但是，就提高信噪比，从而检测出被噪声污染的有用信号这一点来看，小信号检测与微弱信号检测方法具有一定的共同之处。经过多年的研究和实践，人们已经掌握了一些行之有效的小信号检测方法，其中一些方法还被成功应用到了检测仪器仪表产品之中。了解这些小信号检测的手段和方法，对于微弱信号检测具有一定的参考价值。这些常规方法主要有滤波、调制放大与解调、零位法、反馈补偿法等，由于本系统只用到了滤波法，所以下面主要介绍滤波法【9】。在大部分检测仪器中都要对模拟信号进行滤波处理，有的滤波是为了隔离直流分量，有的滤波是为了改善信号波形，有的滤波是为了防止离散化时频率混叠，更多的滤波是为了克服噪声的不利影响，提高信号的信噪比。滤波消噪只适用于信号与噪声频谱不重叠的情况。利用滤波器的频率选择特性，可以把滤波器的通带设置得能够覆盖有用信号的频谱，所以滤波器不会使有用信号衰减或使有用信号衰减很少。而噪声的频带一般较宽，当通过滤波器时，通带之外的噪声功率受到大幅度衰减，从而使信噪比得以提高。根据信号和噪声的不同特性，常用的抑制噪声滤波器为低通滤波器（LPF）和带通滤波器（BPF）。低通滤波器能有效地抑制高频噪声，常用于有用信号缓慢变化的场合，但是对于低频段的噪声（例如噪声和缓慢漂移，包括时间漂移和温度漂移），低通滤波器却是无能为力的。如果信号为固定频率的正弦信号，则利用带通滤波器能有效地抑制通带之外各种频率的噪声。带通滤波器的带宽越小，值越高，滤波效果越好。但是，值太高的带通滤波器对于与同频率的干扰噪声是无能为力的。此外，为了抑制某一特定频率的干扰噪声（例如50Hz工频干扰）的不利影响，有时还要使用带阻滤波器（即限波器）。 第三章 光电容积脉搏波扫描法原理及其在临床上的应用3.1 PPG的原理有多种测量脉搏波信号的方法，常见的有超声多普勒法、张力测量法、光电容积脉搏波法，本设计选用光电容积脉搏波法。 光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmoGraphy PPG)是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时 光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器。在此过程中由于受到指端皮肤肌肉血液的吸收衰减作用，检测器检测到的光强度将减弱。其中皮肤肌肉、组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的，而皮肤内的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化，当心脏收缩时外周血容量最多，光吸收量也最大，检测到的光强度最小；而在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强度最大使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化。将此光强度变化信号转换成电信号，便可获得容积脉搏血流的变化。由此可见，容积脉搏血流中包含有心搏功能血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息。同时，容积脉搏血流主要存在于外周血管中的微动脉、毛细血管等微血管中，所以容积脉搏血流同样包含有丰富的微循环生理病理信息，是我们研究人体循环系统重要的信息来源。由于光电容积脉搏波描记法并不需要复杂而昂贵的仪器设备，且操作简便、性能稳定，具有无创伤和适应性强等诸多优点，因而受到国内外医学界的普遍重视，引起工程科技人员的广泛兴趣。自 1938 年 Hertzman 首次提出光电容积脉搏波描记法原理以来的半个多世纪中，国内外的许多科研人员在此领域中做了大量的基础研究和临床应用研究工作。应用领域亦由人体循环系统发展到呼吸系统，在人体血压、血流、血氧、脑氧、肌氧、血糖、微循环外周血管、脉率、呼吸率和呼吸容量等的无创检测中都有很好的应用前景，并由此开发出许多在临床上有实用价值的医疗仪器新产品。PPG信号中包含以下两个分量：缓慢变化的直流分量(DC)和脉动变化的交流分量(AC)，如图3-1所示。直流分量一般由动脉血的非脉动部分、静脉血和毛细管血部分、以及肌肉组织等的光吸收组成。交流分量主要反映脉动血的吸收情况，其幅值一般为直流分量的12%，且叠加在直流分量上。容积脉搏波中包含有心搏功能、血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息和微循环生理病理信息，是研究人体循环系统重要的信息来源。光电容积脉搏波描记法不需要复杂而昂贵的仪器设备，且操作简便性能稳定，具有无创伤和适应性强的优点。图3-1 输出光强示意图3.2 测量方式及光源器件选择3.2.1 测量方式选择在测量脉搏波形时，根据光电接收管接收位置的不同可以分为透射式和反射式两种。透射测量时，发射光源和光电接收管位于被测量部位的两侧，通过测量透射光强的变化来计算血氧饱和度。而反射测量时，发射光源和光电接收管位于被测部位的同侧，通过测量反射光强的变化来计算血氧饱和度。在本课题的研究中，我们选用了透射式的测量方法，被测部位选择在手指【10】。如3.1节所述:当光透过人体组织和血管时，光电管接收的信号可分为直流和交流两部分，如图3-2所示: 图3-2 血液在组织中的流动示意图中所示光强是入射光经过皮肤和血液组织的衰减后得到的。当心脏收缩时外围血容量最多，光吸收量也最大，测量到的光强度最小;而在心脏舒张时，正好相反，测量到的光强度最大；这样使得光电接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化。3.2.2 光源器件的选择血液中氧合血红蛋白HbO2和还原血红蛋白Hb在红光和红外光区(600一1000nm)有独特的吸收光谱，如图3-3所示。在红光谱区Hb的吸收系数远比HbO2的大，而在红外光谱区Hb的吸收系数比HbO2的小，在805nm左右为等吸收点，Hb与HbO2具有相同的吸收系数。 图3-3 氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收曲线图根据图3-3所示:在红光区，两种物质吸收曲线的吸收系数差别较大，能够较灵敏的反映血气的变化。在65Onm处，两种物质的光吸收系数。差异最大。而在红外光区，两种物质的吸收曲线都比较平缓且相接近，光源波长偏离理想波长或者血氧发生变化时都不会明显的影响红外光的被吸收程度。由于本设计目的是获取脉搏波信号，且综合考虑到光源的功率，购买及价格等因素，所以本课题选择了市场常见的红外发射管SIR3065。其工作电压1.2v，工作电流20mA，发射波长940nm，直径3mm，发射距离20cm【11】。3.3 PPG在临床上的应用PPG信号中包含有人体循环系统、呼吸系统等许多生理病理信息，在人体血压、血流、血氧、脑氧、肌氧、血糖、脉率、微循环、血管阻力、呼吸率、呼吸量等参数的无创检测中都有很好的应用前景。虽然由于红光、红外光与人体组织相互作用的机理十分复杂，影响它的因素也比较多，我们对容积脉搏血流本身的机理了解和研究得还很不够，加上对血流标定工作的困难，因而在临床上真正应用PPG开发的医疗仪器还十分有限。目前应用得最为广泛和成功的是监护仪中的血氧和脉率检测，成为所有监护仪中PPG所能检测到的两项常规指标。相信随着 PPG基础研究工作的进一步开展和人们对这项技术的更深入了解，它必将开拓出更为广泛的应用领域 PPG方法所具有的无创性，且检测方便，操作简单、性能稳定、重复性好、安全无交叉感染等许多优点，使其不仅可用于医院中的临床检测、监护、急救、体能测试，还可应用于社区和家庭医疗保健，并具备联网扩展功能，可以组建家庭社区和医院的医疗网络，在这些方面将都会有很好的应用前景。第四章 系统设计及实现4.1 系统总体设计与框图通过光电容积脉搏波传感器检测到人体手指端的血液容积变化信号，然后经过放大、滤波等处理过程，最后送到数字信号处理模块的采集端口。图4-1 系统总体框图4.2 PPG传感器设计4.2.1 光源的驱动电路从光源发出的光除被手指组织吸收以外，一部分由手指组织漫反射返回，其余部分从手指透射出来。光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射形式和反射式 2 种，如图 4-2 所示，其中透射式的发射光源与光敏器件的距离相等并且对称布置，接收的是透射光，这种方法可较好地反映出心律与时间的关系，但不能精确测量出血液容积量的变化；反射式的发射光源和光敏器件位于同一侧，接收的是手指组织漫反射回来的光，此信号可以精确地测得血管内容积的变化。本文讨论的脉搏传感器侧重于脉搏波信号在时间上的准确性，所以采用透射式采光方式【12】。 图4-2 透射式和反射式脉搏波传感器示意图红外发射管SIR3065，工作电压为1.2v，工作电流为20mA。发射模块采用5v供电，为使输出信号的灵敏度可调，所以限流电阻选用了10k的滑动变阻器。光源的驱动电路如图4-3所示。图4-3 光源驱动电路4.2.2 光电接收及前置放大 在本系统中，用光敏二极管将光信号变成电信号。但光敏二极管所接受的光信号十分微弱，其输出的信号往往淹没在噪声之中，要有效的利用这种信号，就必须对其进行前置放大【13】。本系统对前置放大电路有两个基本要求：首先是低噪声，光电探测器的输出信号有很大的噪声，所以前置放大电路要最大限度的抑制噪声，以获得最大的信噪比；其次是高增益，系统探测的光信号很微弱，光电探测器的输出信号为微弱的电流信号，为将电流转换为足够高的电压，需要前置放大电路的增益足够高。电路中采用了OP07cp。OP07的功能介绍：OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高(对于OP07A为300V/mV)的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。特点：超低偏移： 150V最大 。低输入偏置电流： 1.8nA 。低失调电压漂移： 0.5V/ 。超稳定，时间： 2V/month最大高电源电压范围： 3V至22V。图4-4光电接收及前置放大电路本系统的前置放大电路如图 4-4 所示，当光束经手指透射后照射在红外接受管上时，其反向电流与照度成正比，设该时刻流过光敏二级管的反相电流为，则运算放大器OP07的正端电压为，其输出电压。4.3 二阶低通滤波电路由于人体脉搏波信号的频率非常低，成分都集中在 0.140Hz之间，周围环境光和暗电流对信号的影响非常大，因此设计了一个二阶压控电压源低通滤波器来消除脉搏波信号中高频噪声的干扰【14】。 二阶低通滤波器电路如图 4-5 所示，它由两节滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。滤波器截止频率为：，等效品质因数。已知同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，即。 图4-5 二阶压控电压源低通滤波电路考虑到集成运放的同相输入端电压为 (4-3-1)而与的关系为 (4-3-2)对于节点A，应用KCL可得 (4-3-3)将式(4-3-1)(4-3-3)联立求解，可得电路的传递函数为 (4-3-4)令 ，则有 (4-3-5)式(4-3-5)为二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式。其中为特征角频率，而则称为等效品质因数。式(4-3-4)表明，才能稳定工作。当时，将有极点处于右半平面或虚轴上，电路将产生自激振荡。若用代入式(4-3-5)，可得幅频响应和相频响应表达式，分别为 (4-3-6) (4-3-7) 图4-6 低通滤波电路的幅频特性式(4-3-6)表明，当时，；当时，。显然，这是低通滤波电路的特性。由式(4-3-6)可画出不同值下的幅频特性，如图4-6所示。由图可见，当时，幅频响应较平坦，而当时，将出现峰值，当和情况下，；当时，。这表明二阶比一阶低通滤波电路的滤波效果好得多。当进一步增加滤波电路阶数，由图4-7可看出，其幅频响应就更接近理想特性。图4-7 n阶巴特沃斯滤波电路的幅频响应4.4 二阶高通滤波电路 为了将信号中的直流成分滤除，为此设计了如图4-8的高通滤波器。其截止频率为：，等效品质因数【15】。图4-8 二阶高通滤波电路如果将图4-5所示二阶压控电压源低通滤波电路中的和位置互换，则可得到二阶压控电压源高通滤波电路，如图4-8所示。由于二阶高通滤波电路与二阶低通滤波电路在结构上存在对偶关系，他们的传递函数和幅频响应也存在对偶关系。图4-9 二阶高通滤波电路的幅频响应考虑到高通滤波电路在电路结构、传递函数和幅频响应与低通滤波电路的对偶关系，将二阶低通滤波电路的传递函数表达式(4-3-4)中的用代替，则可得二阶高通滤波电路的传递函数为 (4-4-1)令 ，则 (4-4-2)式(4-4-2)为二阶高通滤波电路传递函数的典型表达式。将式中的用代替，则可得二阶高通滤波电路的频率响应特性方程为 即有 (4-4-3) 由式(4-4-3)可画出其幅频响应曲线，如图4-9所示。由图可见，二阶高通滤波电路和低通滤波电路的幅频特性具有对偶关系。如以为对称轴，二阶高通滤波电路的(当时)随升高而增大，而二阶低通低通滤波电路的（当时）则随升高而减小。二阶高通滤波电路在(如)时，其幅频响应以40dB/十倍频程的斜率上升。由式(4-4-1)知，只有当时，电路才能稳定地工作。4.5 二级放大及电平提升电路低通滤波后得到的脉搏波信号比较微弱，为此再设计一级放大电路，将脉搏信号幅度放大到伏级，以便于采集。又由于人体呼吸、移位等原因造成的基线漂移干扰使脉搏波信号中含有负值，而考虑到后续电路中采用的 A/D 采样范围为 03.3V，为此设计了一级电平抬高电路，将电压幅度抬升到 02.5V 之间，如图4-10 所示。图4-10 信号放大及电平提升电路后续采样电路多采用低功耗微处理器，一般电源电压为3.3v。有时由于人体的运动和光强的突然变化，容易引起输出波形的突变。所以在最后接一个3.3v稳压管，用于保护处理器。第五章 系统运行结果测试5.1采集电路测试用示波器直接测量光电接受管的输出电压波形，刚开始输出信号变化不明显，后来考虑是接受管的串联电阻太小，微弱的电流变化反应在电阻的电压变化上不明显。把电阻的阻值调大后输出信号有明显的变化。如图5-1所示。图5-1 PPG 信号采集调理输出波形5.2 初级放大和滤波电路功能测试 将探测头的输出信号作为放大和滤波电路的输入信号，开始时发现放大电路的输出是一个接近于放大部分供电电压的直流信号。经过Multisim电路仿真软件仿真发现原因是放大倍数太大，将放大倍数调小后输出信号就正常了。低通滤波电路截止频率开始时为40Hz，但是输出的脉搏信号，噪声太大了，后来将截止频率降低到30Hz，并在电源部分加上滤波电容，输出信号就比较理想了。测试结果如图5-2所示。图5-2 初级放大和滤波电路输出波形5.3系统总体测试通过调整放大倍数，输出电压幅度有明显增加，且电压提升电路工作正常，输出信号电压范围也达到了后续电路的采集要求。输出信号如图5-3所示。图5-3 PPG系统输出波形通过上电测试发现，各模块工作正常，达到了设计的总体要求。结 论本系统由于采用了测量范围广、精度高、响应速度快的元器件来进行脉搏波形测量，使用二阶滤波电路和放大的方法提高检测精度，因此该检测仪基本上达到了前期预计的测量精度和分辨力的要求。虽然本系统受外界光线和人体运动影响，这也是同类产品中，统一遇到的问题，是由系统本身决定的。但是只要在外界光线变化很小和人体安静的情况下，该传感放大器，结构简单，性能良好。以后在本系统后续接上微处理器将模拟信号转换成数字信号，并利用串口通信技术连接到上位机，进行人机互动，可用于无创方式测量血氧浓度、血压测量等应用于临床。在这次设计中本设计也遇到不少问题，也正是由于对这些问题的逐步解决该传感器才能顺利设计完成。致 谢参考文献1 乔爱科，动脉中的脉搏波理论，生物医学工程杂志，20002 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