简易光电脉搏提取装置

1、简易光电脉搏提取装置项目编号： 指导教师：冯军 项目组员：杜白 （04004320） 董哲廷 （04004312） 郭晓乔（04004325）1. 述概：在这次非SRTP课外研学中，我们希望能够自己通过所学知识尝试设计一款提取人体内部生理信号的简易装置，经过前期调研，以及考虑到经费问题，最终确定为尝试提取人体脉搏信号。人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，使血流压力以波的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。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。传统的脉搏测量采用脉诊方式，中医脉象诊断技

2、术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用，但是受人为的影响因素较大，测量精度不高。无接触测量（Noninvasive Measurements）又称非侵入式测量或间接测量，其重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。 在医护人员的日常工作中，测量患者的脉搏是一向很令人头痛的工作。现有的侧脉搏方式主要有两种：直接手测和捆绑式仪器测量法。这两种方法都属于接触测量法。虽然很方便，但对于有些患者并不适用。比如说幼童、高度传染病患者、癫痫患者等等。这时候我们设计的仪器的优势就会得到充分的显现。生物医学传感器是获取生物信息并将其转换成易于测量和处

3、理信号的一个关键器件。光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，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。 2 测量原理当恒定波长的光照射到人体组织上时, 通过人体组织吸收衰减后测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的, 在人体指尖, 组织中的动脉成分含量高, 而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄, 透过手指后检测到的光强相对较大,因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的, 那么在恒定波长的光源的照射下, 通过检测透过

4、手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。最初设想:经过查阅相关资料，脉搏信号的频率范围为：0.1Hz60Hz。绝大多数信号属于次声波范围。在实际中30Hz以上的信号就已经失去研究意义。因为5Hz左右的信号是病人和正常人脉搏波波的体现差异的地方。在我的设计中准备以10Hz作为截止频率。整个系统准备用四节1.5v干电池供电，运放采用NE5532，下面是其性能参数：光发射电路：R1R2ViVo本电路的依据是电压电流转化电路，所以为了LED能够稳定的工作，在输入部分放了一个稳压管从而提供稳定电压，使得发光二极管能得到较稳定的电流。以1N4678为稳压器件，在Vi3V的情况下，为得到1.8V的稳压输出

5、，则需要串联R2300。又因为实验室中的发光二极管在20mA左右，所以I1.8/R1，计算出R1900。光电转换此电路是以电流电压转换电路为基础设计出来的。电路特点：光电二极管输出短路电流与输出光强有良好的线性关系。反馈电路为一个一阶低通滤波器，在放大的同时可以进行滤波，这样有效的抑制工频干扰。左图相对右图加了一个RC回路，这是因为光电池的电流非常小，运放偏置电流可能会对其造成影响，故设计成左图。以提高电路可靠性。我使用的光电池是2DU-3。电路中的输入电阻ZinR/A（A为运放的开环增益），本电路中R取10k，故输入电阻为1。可认为关电池处于短路工作状态，能得到近于理想的短路电流。所以有Vo

6、IR。为了使一阶低通滤波器的截止频率为8Hz，f，所以C1.6f高通滤波由于光电转换电路的输出可能含有较大的直流部分，因此在这里采用一个一阶高通滤波器，由于采用电阻与运放并联，所以电阻尽量取大以提高输入电阻，电容尽量取小降低反应时间，R1M，f，令截止频率为0.16Hz，故C1f。同时射极跟随器又可以提高本输入级阻抗，将的输出阻抗，为后级器件更好的匹配，提供有利条件。初级放大为了更好的抑制50Hz的干扰,放大电路采用了,将放大器与滤波器设计为一体。电路放大倍数Av=R1/R2 截止频率f=R210k R11M C0.016fAv=100 f=10Hz五阶低通滤波器以下为最开始的设想，试验的后期

7、发现简单的级联会造成截至频率的改变，这也造成了很长一段时间较差的效果。巴特沃思低通滤波器f10Hz =10*2Z106Cx=R=ZR1=R2100K 后级放大电路与前级放大电路相同的计算方法R21k R110k C0.16fAv=100 f=10HzCR3RwR1 R1总结:实验电路第一级放大10000倍,初级放大100倍,后级放大在10倍到100倍之间总体设计截止频率在10Hz左右。后期改进经过若干次调试，该方案均没有达到理想效果，大概在半个月前，我们决定重新整理之前的思路，吸取经验，改进一套新的方案。反思一：发光电路光强不够反思二：光电感应电路敏感性太低反思三：用低阶滤波器级联实现高阶滤波

8、器时，不可以简单级联在各级间加入跟随器后，滤波电路重新设计为六阶的巴特沃兹滤波器巴特沃斯响应的二阶滤波器的设计原理如下：巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为： ， n=1，2，3，. . . （1）写成： （2） 其中Auo为通带内的电压放大倍数，wC Auo为截止角频率，n称为滤波器的阶。从（2） 式中可知，当w=0时，（2）式有最大值1； 0.707Auow=wC时，（2）式等于0.707，即Au衰减了 n=23dB；n取得越大，随着w的增加，滤波器 n=8的输出电压衰减越快，滤波器的幅频特性 越接近于理想特性。如图1所示。 0 wC w当 wwC时， （3） 图1低通滤波器的幅频特性曲线 两边

9、取对数，得： （4） 此时阻带衰减速率为： -20ndB/十倍频或-6ndB/倍频，该式称为衰减估算式。 表1列出了归一化的、n为1 8阶的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式。 表1 归一化的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式n归一化的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式12345678 在表1的归一化巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式中，SL = ，wC 是低通滤波器的截止频率。对于一阶低通滤波器，其传递函数： （5） 归一化的传递函数： （6） 对于二阶低通滤波器，其传递函数： （7） 归一化后的传递函数： （8） 由表1可以看出，任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成

10、。对于n为偶数的高阶滤波器，可以由节二阶滤波器级联而成；而n为奇数的高阶滤波器可以由节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。有源滤波器的设计，就是根据所给定的指标要求，确定滤波器的阶数n，选择具体的电路形式，算出电路中各元件的具体数值，安装电路和调试，使设计的滤波器满足指标要求，具体步骤如下：1 根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数n。2 选择具体的电路形式。3 根据电路的传递函数和表1归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系数的方程组。4 解方程组求出电路中元件的具体数值。5 安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。传输函数为：下图为二阶

11、低通巴特沃兹滤波器 R3 R4 ui R1 R2 A uo C1 C2 该电路的传递函数： （9） 其归一化函数： （10） 将上式分母与表1归一化传递函数的分母多项式比较得： 通带内的电压放大倍数： =2 （11） 滤波器的截止角频率：= （12） （13） （14）在上面四个式子中共有六个未知数，三个已知量，因此有许多元件组可满足给定特性的要求，这就需要先确定某些元件的值，元件的取值有几种： 当Af=1时，先取R1=R2=R，然后再计算C1和C2。 当Af1时，取R1=R2=R，C1=C2=C。 先取C1=C2=C，然后再计算R1和R2。此时C必须满足： 先取C1，接着按比例算出C2=KC

12、1，然后再算出R1和R2的值。 其中K必须满足条件：KAf-1+对于本例，由于Af=2，因此先确定电容C1=C2的值反思四：选取信号频率范围不能过窄，采用的两种运放均没有达到预期要求由此，我们设计如下改进放案：发光电路改为“红光笔”光电感应模块改为光电二级管总体放大倍数为100625最终得到理想波形3光电脉搏提取的测量和噪声分析 在测量过程中，前端测量到的脉搏信号十分微弱，容易受到外界环境干扰，因此需要对脉搏提取装置的干扰噪声进行分析，从光电式脉搏传感器设计的技术角度减少干扰，使之能够准确测量到脉搏信号，光电式脉搏传感器的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

13、实验测量做进一步的分析。 环境光对测量的影响 在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏信息的透射光的信号，而且包含测量环境下的背景光信号，由于动脉波动引起的光强变化比背景光的变化微弱得多，因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定，减少环境光的干扰。 测量环境下的背景光包含环境光和在测量过程中引起的二次反射光。为了减少环境光对脉搏信号测量的影响，同时考虑到传感器使用的方便性，采用密封的暗室作为测量环境，整个外壳采用不透光的介质和颜色，尽量减小外界环境光的影响，。 电磁干扰对光电脉搏提取的影响 通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一般比较微弱，容易受到外界电磁信号的干扰，我们认为

14、应该在一级放大电路采用电磁屏蔽的方式来消除电磁干扰。 工频干扰是电路中最常见的干扰，脉搏信号变化缓慢，特别容易受到工频信号的干扰，因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度的主要措施之一。通常脉搏信号的频率范围在0.330Hz之间，小于工频50Hz，在试验中，通过波形，我们经常看到一个频率为100Hz的干扰信号。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的功耗，而且能够在一定程度上减小外界的电磁干扰，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的干扰。测量过程中运动噪声 在测量过程当中，

15、通常情况下手指和光电式脉搏传感器可能产生相对的运动，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：一是改善暗式的机械抗运动性，比如说设计指套夹在手指上，不易松动；二是从脉搏信号处理的角度，通过算法来减小误差，现在采用的主要是第一个途径。4 总结经过长达一个月左右的设计和反复调试，我们已经成功的提取出脉搏信号，现在体会很多。首先，正像我们当初选择这个项目的原因一样，我们组员都相信交叉学科有着广泛的前景和创新点。通过把脉搏波信号转化为电信号进行观察测量，可以更加直观的让人们观测分析脉搏波中蕴含的丰富的人体内部信息，不光简简单单的只是脉搏信号。其次，我们的成果还有一些值得改善提高的地方，滤波器的性能、信号的强度都有待提高，一个小小的遗憾是没能找到数字示波器，观察波形，因为模拟滤波器毕竟对于低频信号的表现度没能达到我们的要求。此外，我们组还提出了两个简单的应用，一个是后级级联施密特触发器，用产