【《脉搏波检测方案及原理概述》4600字】

脉搏波检测方案及原理概述目录TOC\o"1-3"\h\u14262脉搏波检测方案及原理概述 -1-138251.1脉搏波及其传感器原理介绍 -1-92321.2方案选择 -4-203511.1.1方案一 -4-69261.1.2方案二 -8-1.1脉搏波及其传感器原理介绍脉搏波信号与人体的生理病理的变化以及心血管机能的状态密切相关，其产生的原理是由心脏的振动沿着血管以及血流向外传播而产生的一种机械波，脉搏波的传播速度与传播的介质物理性质和动脉的弹性以及血液有关，脉搏波由近心端动脉向远处传播，直到动脉毛细管，所传递经过的部位会引起相应的变化，例如：侧压，血管容积。所以脉搏波信号的好坏也是人体生理状况的一种可信的信息来源之一。脉搏为体表可触摸到的动脉搏动，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，可作为医疗诊断的依据。目前心率测量有以下几种传感器技术：一是从心电信号ECG中提取；二是从压力传感器测量到的波动来计算脉搏率；第三种就是光电容积法，也称PPG。最被人们所熟悉的应该是心电图，在医疗领域上，通常使用心电图（ECG）来测量生理电信号，以此来实现心率和心脏活动的检测。前两种需要限制病人的活动，常常要在身体多个部位连接传感器电极，虽然精准并且信息丰富，但如果长时间使用的话而且会让病人产生不适感，不够便携。目前情况下，ECG还是在一些专业领域里面使用，例如医院、体育等方面的研究，别的地方比较少见。但光电容积脉搏波检测法则相反，它是检测测量中最普遍的测量方法之一，因为其具有方法简单、佩戴方便以及可靠性高等特点。目前这种技术被广泛应用，本文也是主要介绍这种技术。光电容积法是基于郎伯-比尔（lamber-beer）定律，大意为物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比，当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强，能在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。而脉搏波就是如此。脉搏波根据不同的采集部位可以分为桡动脉、颈动脉以及肱动脉等脉搏波，根据血管来又区分可以分为动脉和静脉脉搏波。但由于人体皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织的光吸收量是恒定的，同时静脉血的搏动相对于动脉血十分微弱，也可认为光吸收量是恒定的，但是动脉血液（如由氧合血红蛋白和还原血红蛋白组成的动脉血液）不同，由于动脉里有血液的流动，那么对光的吸收自然也有所变化。当我们把光信号转换成电信号时，由于动脉对光的吸收量有变化，但其他组织对光的吸收量基本不变，因此得到的信号就可以分为直流电信号DC和交流电信号AC。根据原理可知，提取其中的交流电信号，就能反应出血液流动的特点，我们把这种技术叫做光电容积脉搏波描记法PPG。因此在确定的波长下光源照射在体表的光强变化就反映着血容积搏动。下图1.1为手指各组织对光的吸收情况。图1.1手指各组织对光的吸收情况一般根据采集的原理不同把脉搏波分为两种，一种是通过压力来采集脉搏波，这种脉搏波可以称为压力脉搏波；另外一种是通过感受血管的容积变化来采集，这种脉搏波成为容积脉搏波，图1.2就是一种较为典型的容积脉搏波波形图。容积脉搏波可以由光电信号进行采集。本文所设计的就是基于光电采集的容积脉搏波。图1.2典型的脉搏波形通过光电采集的脉搏波，光电信号接收的位置不同，类型也就不一样。按照这种接收的方式就可以分为两种。一是反射式光电容积脉搏波，这种装置光电信号的发射与接收在同一平面，光电信号发射到人体表面后反射到同一平面的接受二极管上并将其转化为纯粹的电信号，这种适合用于皮肤表面，式样如图1.3(b)；另外一种方式是透射式光电容积脉搏波，这种与反射式相反，接收光电的装置在发射装置的对面，光电信号是透过被测物体的，这就要求着被测体不能太厚，因此其使用范围要比反射式的小，一般只能用于一些可夹的部位，例如耳垂、手指等，式样如图1.3(a).图1.3PPG的两种监测方式光电式脉搏传感器主要由光源、光敏元件、信号调理电路和干扰消除电路等构成。因采用不同的光敏元件而有多种实现方法。光源一般采用对动脉血中氧和血红蛋白和血红蛋白有选择性的特定波长的发光二极管，一般选用660nm附近的红光、900nm附近的红外光和550nm附近的绿光。光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和硅光电池。下图1.4为光敏传感器接收信号的过程。图1.4光敏传感器接收信号当LED光源射向皮肤时，透过皮肤组织被动脉血吸收后反射回来的光，被光敏传感器接受并转换成电信号，再经过AD转换将模拟信号转换成数字信号。其简化过程：光一电一数字信号。光敏元器件输出的电流极低易受到外界干扰，而且对后续的放大器的要求较高，故经光敏元件及后继的信号处理、放大、调理电路等构成的分立式脉搏采集电路较复杂，易受众多干扰，检测不稳定。集成脉搏传感器具有结构简单、无损伤、体积小、功耗低、可重复好等优点，符合运动心率仪可穿戴、便携、低功耗、精确可靠的要求。手腕上测量心率，最好的方法是使用绿光测量，因为其受外部环境光影响小，同时在皮肤中入射深度浅收到身体的影响也最小。所以这也是绝大多数带有心率测量功能的手表和手环选择绿光传感器的原因。之所以选择绿光作为光源是考虑到一下几个特点：绿光进入皮肤深度较浅，受到身体的干扰较少；皮肤上的水份会吸收大量的IR部分的光；进入皮肤组织的绿光(500nm)~黄光(600nm)大部分会被红细胞吸收；相比红光、红外，绿光更能被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收。总体来说，绿光能作为测量光源。早起多数采用红光为光源，随着进一步的研究和对比，绿光作为光源得到的信号更好，信噪比也比其他光源好些，所以现在大部分穿戴设备采用绿光为光源。但是考虑到皮肤情况的不用（肤色、汗水），高端产品会根据情况自动使用换绿光、红光和IR多种光源。故本设计选用反射式的心率血氧传感器MAX30101。1.2方案选择目前，采集脉搏波信号的方案大致有两种，一种是自行设计脉搏波采集模块，通过挑选合适的脉搏波传感器，并设计其外围电路，然后设计滤波放大模块与AD转换模块。另一种则是选取目前市场上的公司推出的脉搏波信号采集集成芯片模块。第一种采集而来的脉搏波信号是模拟信号，要经过转换变成数字信号，因此需要考虑数字地与模拟地、数字电源与模拟电源；第二种则直接输出数字信号。同样，前者需要大量的元器件，对设计者有较高的数模电知识，对打板、AD软件的使用也有较高的要求。后者就只需要按照官方给的技术指南进行设计电路即可，大大简化了成本。这两个方案我都试验过，由于第一个方案符合设计要求，但它花了我太多时间，而且没设计出来，所以我采用了第二种方案。接下来讲述两个方案。1.1.1方案一SON7015传感器介绍方案一我采用的是以绿光为光源的超低功耗心率传感器SON7015，它采用高灵敏度光感IC、2个绿色LED以及低噪声前置放大器，适用于手机、穿戴设备、医疗等领域。其特性是：高集成度；双LED提高光源强度；高灵敏度光感IC；可以自行设计前置放大的倍数；超低功耗；尺寸很小（4*2*1.05毫米）；高灵敏度；波长为550nm、接收端波长也为550nm；接收端涂有对应波长的纳米涂层；工作电压：1.3V-6V，供电范围广。下表1.1为其技术参数：表1.1SON7015技术参数参数最小值典型值最大值单位输入电压Vcc-0.77V输出电压VoutVccV输出电流Io5uA工作环境温度-3085℃储存环境温度-40100℃饱和输出电压Vo（SAT）1.21.35——%/oCSON7015内部电路图以及外围电路如下图1.5、1.6所示图1.5SON7015内部电路图图2-6SON7015外围电路图根据电路图可知，输出电压Vout取决于RL和Io的值，如公式（2-1）所示：Vout（MAX）=Io（MAX）*RL<Vo（SAT）（2-1）由于Io（MAX）的值在其官方给的技术参数中以表明，最大值等于5uA，如公式（2-2）所示。计算可得：Vout（MAX）=Io（MAX）*RL=5uA*RL<5V（2-2）假定RL=300K欧姆，则Vout（MAX）=1.5V。硬件系统介绍该硬件系统由51单片机最小系统（图1.8）、SON7015传感器信号采集模块（图1.9）、10Hz、0.1Hz滤波放大电路模块（图1.10）、50Hz工频干扰消除模块电路（图1.11）、AD转换模块（图1.12）、OLED12864显示模块（图1.13）、电源模块（图1.14）组成。由于脉搏波信号微弱，所以在信号采集模块中需要将电压信号放大至V级电压，又由于信号是低频的，其频率在0.1Hz~10Hz之间，所以本设计设计了10Hz低通滤波模块和0.1Hz高通滤波电路模块，10Hz以下频率的允许其通过，0.1Hz以上的也允许其通过，同时还设计了增益为2的放大电路，致使信号最大值能达到3V，方便于芯片接收、显示屏的观察。由于10Hz、0.1Hz滤波电路不能完全除去人体50Hz工频的干扰，因此还需设计50Hz工频干扰消除模块，以减少其对脉搏波低频信号的干扰。然后将所得的信号传输至AD转换模块进行模数转换，在传输至单片机进行接收，最后通过OLED屏幕显示波形。由于该电路包含数字电路与模拟电路，如果数字地和模拟地没有分隔开，那么数字信号中的谐波很容易会干扰到模拟信号的波形，因此需要将数字地和模拟地之间用0欧姆电阻连接。下图1.7为SON7015传感器的系统设计图：图1.7硬件总体设计图下面为各部分硬件模块介绍：该系统由STC89C52RC芯片为核心构建最小系统（图左1.8），图右1.9为SON7015传感器模块电路图，其输出电压最大幅值为1.5V。图1.851单片机最小系统图1.9SON7015心率传感器图1.1010Hz、0.1Hz滤波放大电路图1.1150Hz工频干扰消除模块电路10Hz低通滤波器设计：电路增益为：AVF=1+(R15)/(R16)=1+680K/680K=2（2-3）至此，脉搏波信号最大电压值就为1.5V*2=3V电路品质因数Q=1/(3-AVF)=1/(3-2)=1（2-4）由于3-AVF>0，即AVF<3，此时滤波电路能稳定工作。0.1Hz高通滤波器则增益为1，即脉搏波信号值保持不变，电路也能稳定工作。图1.12AD转换模块图1.13OLED显示模块图1.143.3V电源模块（左）、5V电源模块（右）下图1.15为设计在protues上的仿真图，当传输一个正弦波进去时，OLED屏幕上也能显示出波形。图1.15电路仿真图此方案仿真可行，说明电路图搭建正确。但做硬件时错误调试不出来，浪费了大把时间。所以此方案被舍弃，选用方案二。1.1.2方案二MAX30101脉搏波传感器介绍在前面章节所介绍几种的脉搏波检测方法中，由于实验要求使用反射式的脉搏波传感器，所以我选择的是以绿光为光源的反射式且输出信为数字信号的MAX30101集成脉搏传感器，内部集成放大滤波电路。它能较好的将手腕端的容积脉搏波信号直接以数字信号的形式表现出来，通过程序控制其光源的强度和频率。图1.16分别为传感器输出波形的样式。图1.16传感器输出的波形MAX30101是一个集成了脉搏血氧和心率监测功能的生物传感器粒子传感模块。此芯片集成了绿光、红光、红外光三个LED及其驱动，同时其还包含了光电检测二极管、光学元件以及环境光抑制的低噪声电子采集电路。根据现有的文献资料显示，绿光更适合进行腕部的脉搏波信号采集。所以目前绝大多数心率手环手表都是使用绿光作为光源。使用绿光的好处主要有两点：1.绿光进入皮肤深度较浅，受到身体的干扰较少；1.外界环境光中绿光成分较少，对器件本身的光干扰较少。因此针对腕部这种信号非常微弱的地方来逸使用绿光进行脉搏检测是一个比较好的选择。MAX30101不仅可以用来采样心率血氧，它还可以应用于火警、用作烟雾探测器等。MAX30101采用了一个1.8V供电电源和一个独立的5.0V内部LED电源，可以应用于可采戴式设备上来实现脉搏心率和血氧采集的检测，一般可以佩戴于手指、耳垂以及手腕部分等。其通过标准的IIC通信接口可以将采集到的脉搏波信号数值传输给STM32单片机进行后续心率血氧计算。此外，该芯片还可以通过软件关掉模块，使待机电流接近为零，实现电源始终维持供电状态。同时MAX30101外部集成有机玻璃盖，能有效的排除外界和内部光干扰，可靠性能增强。其特点和好处