指端光电容积脉搏波测量实验
基于EMD的指端光电容积脉搏波中呼吸波提取方法研究
基于E MD的指端光电容积脉搏波中呼吸波提取方法研究 李文彪1,陈真诚1,刘福彬2 (1.中南大学信息物理工程学院生物医学工程研究所,湖南长沙410083;2.武警江苏省总队医院设备科,江苏扬州225003) 摘要:目的通过人体指端的脉搏波,提取人体呼吸波信号。方法使用多参数临床生理监护仪,同步采集人体指端光电容积脉搏波信号和胸阻抗法检测的呼吸波信号,对光电容积脉搏波信号做各层的经验模式分解,选择合适频率的本征模函数,与采集的呼吸波信号做相关性分析。结果经验模式分解由脉搏波中所提取的呼吸波与采集的呼吸波有很好的相关性。结论经验模式分解法可有效提取人体指端光电容积脉搏波中所包含的呼吸波成分,对改进医疗监护设备设计、实现生理信号的多参数提取和精确分析有重要意义。 关键词:光电容积脉搏波;经验模式分解;本征模函数;呼吸波 中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:1002 0837(2010)04 0279 04 Ex traction of Res p iratory Wave fro m F inger T i p Photolet h ys m ography Si g nals Based on EMD M ethod LI W en b i a o,C HEN Zhen cheng,LIU Fu bin.Space M edic i n e&M ed ical Eng ineeri n g,2010,23(4):279~282 Abst ract:Objective To extract resp iratory w ave i n for m ation fr o m photo lethys m ography(PPG)si g na ls.M et h ods U si n g a cli n ica lm ulti para m eter physi o log ica lm on ito r,the fi n ger ti p PPG si g nals w ere acqu ired synchro nousl y and the resp iratory wave w as detected by the tho rac ic i m pedance m ethod.Then e m p irica lm ode deco m position w as conducted for the PPG si g na ls,se lecting the i n tri n sic m ode functi o n(I M F)w ith appr opriate fre quency to carry out corre lation analysis togetherw ith respirato r y w ave signals.R esults The resp iratory w ave di rectly acqu ired had a good co rre l a ti o n w ith t h at deri v ed fr o m photo lethys m og raphy signals by e m p irica lm ode deco m position m ethod.Conclusi o n It is indicated that e m pirical mode deco m positi o n m ethod can effectively ex tract t h e respiratory infor m ati o n conta i n ed i n PPG si g na ls.Th is a ll o w s for i m prov i n g the desi g n o fm ed ica l m on ito ri n g dev ices and is useful i n physi o l o g ica lmu lti para m eter ex tracti o n and accurate ana l y sis. K ey w ords:photo lethys m ography;e mp iricalm ode deco m positi o n;i n trinsic m ode function;resp iratory w ave Address repr i n t requests to:L I W en b iao.I nstit u te of B i o m edical Eng i n eering,Schoo l o f Info physics& Geo m atics Eng i n eering,C entra l South U niversity,Changsha H unan410083,China 近年来,在任意时间、任意地点、对人们日常生活影响最小的情况下提供健康诊断或治疗服务,特别是无创、简易、舒适地获取人体生命体征信号(如心电、血压、心率、呼吸等)的方法,越来越受到科研人员的关注。 作为无创检测典型应用之一的光电容积描记法(photo lethys m og raphy,PPG)是采用光电传感器,在人体指端、耳垂、额部位等,利用红外或近红外光在人体内透射或反射的原理,检测由心脏搏动引起的血管内血容量的脉动性变化而获得相关生理信号。PPG信号中含有多种生理参数信息[1],如心率、血压、血氧、呼吸等。由于其无创、多参数、操作简单、低成本的特点,日益为生物医学工作者所青睐,但受到检测手段和分析方法的局限,目前仅在血氧饱和度检测方面得到了广泛的应用。呼吸波(resp iratory w ave,R W)是睡眠监测的重要内容,目前获取呼吸波的方法主要 修回日期:2010 03 19 通讯作者:李文彪 ti ger830611@163.co m 有热敏传感器和胸阻抗检测法等,操作繁琐,检测不便。如果能提取PPG信号中所蕴含的呼吸波,将大大降低仪器成本,增加检测舒适度。文献[2 3]中提到了在脉搏波信号中呼吸波成分的形成机理,却忽视了其临床应用价值,仅将其作为干扰而去除,文献[4]提出了由PPG信号中提取呼吸参数的3种方法,但其基本原理都是线性平滑滤波,而PPG是典型的生物医学信号,在呼吸运动缓变的调制作用下,表现为非平稳随机性的特征,故其参数提取的效果或有效性非常有限。目前,针对非平稳信号通常的分析方法主要有短时傅里叶变换、小波变换等。短时傅里叶变换的基础是傅里叶变换,无法摆脱傅里叶变换的局限性[5]。小波分析本质上也是一组可调的窗口傅里叶变换,并且在信号分析过程中存在小波基选择、分解层数选取、阈值确定等问题,通过小波分析得到的小波分量和小波谱只相对于所选的小波基有意义,不具自适应性和广泛通用性。经验模式分解(e m pirical m ode deco m positi o n,E MD)是 第23卷 第4期 航天医学与医学工程 V o.l23 N o.4 2010年 8月 Space M edic i ne&M edical Eng i neer i ng A ug.2010
数字脉搏计_实验报告
【设计任务与要求】 1、要求用十进制数显示被测人体脉搏每分钟跳动的次数，测量范围30～160次/min； 2、要求在短时间内（5s、15s）测出脉搏数/每分钟； 3、测量范围要求在±4次/min以内； 4、要求锁定每分钟脉搏数，将测量结果通过数码管出来，共分为显示计数过程，不显示技术过程两种方案； 5、要求采用手动清零、自动清零（自启动）两种方式。 【课程方案原理框图】 【课程方案】 1、信号发生与采集将脉搏跳动信号传感器转换为与此相对应的电脉冲信号； 2、放大电路把传感器的微弱电流放大，微弱电压放大，采用高输入阻抗的非门进行放大； 3、低通滤波滤除空气中的高频，只让低频脉冲信号通过。对脉搏信号进行采集的时候，空气中交流工频干扰最大，根据有源滤波原理将其滤除。 4、整形电路可用两个非门组成的施密特触发器对放大后的信号进行整形； 5、定时电路用555定时器组成多谐振荡器，达到5s、15s的精确计时； 6、通过计数、译码、显示读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管显示出来。数码管采用共阴数码管。 【单元电路设计与参数计算】 1、信号发生与采集： 通过陶瓷压电传感器对脉搏进行采样收集。 2、放大与滤波电路： 将5mV的正弦信号放大为5V的正弦信号，即差模电压增益为1000。
图示为用LM324设计的同相放大器，其输出信号，Vi 为幅值为5mV 的输入信号。则另： 倍。，即正弦信号放大了可得10001000,321,33≈= Ω==Ω=Vi Vo Av K R R M R Vi R R Vo )1 3 1(+=左图为二阶低通滤波器电压增益随频率变化曲线，在f=f o 之后随f 增加，增益急剧下降，从而达到低于f 频率通过的效果
脉搏测量仿真实验
实验报告五 一、实验目的 设计相应的信号调理电路，然后利用通过对脉搏信号进行测量，来进行实时显示测量结果。 二、实验内容 设计一个脉搏测量仪可实现对人体脉搏信号的测量和显示功能。 三、实验环境 计算机、MULTISIM仿真软件 四、实验方案 脉搏测量仪系统总框图，如图1所示。系统由五个部分组成：信号采集单元，信号调理单元，信号整形单元，频率计测量单元，显示单元。 信号采集单元主要是选用合适的传感器将脉搏的压力信号转换为电信号，一般传感器输出的电压都在几毫伏左右。 信号调理单元主要包括信号的低通滤波，以及实现信号的放大，经过信号调理单元，几毫伏的脉搏信号的电压被放大为4V-5V左右。 信号整形单元则将模拟信号转化成数字信号，将脉搏信号转换为同频率的脉冲。 频率计测量单元和显示单元由一个数字频率计完成其功能。 信号整形单元信号调理单元脉搏采集单元 频率计测量显示单元
图1 系统总体框图 五、实验步骤 1、数字频率计仿真设计 如图所示，当给予方波信号时，频率计开始计数，计数范围取决于上输入信号的频率及选通信号的频率，这里取输入信号频率f=1000Hz，选通信号F=10Hz，相当于在1秒内可计100个脉冲，计数范围可由选通信号的频率和输入的计数信号的频率来决定 2、采集信号放大电路电路 由于对于脉搏测量仪，其要求在脉搏信号频率范围内，不失真的放大所采集的微弱信号,因此需要对所采集的信号进行放大；由于脉搏信号的频率在1.33HZ 左右，正常情况下不会出现高于2HZ的信号，因此需要设计一个低通滤波器，用来滤去高频信号；而整形的时是为了将输入的信号变为方波。滤波器的载止频率
【CN110025296A】一种光电容积脉搏波的特征参数的采集方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910154992.6 (22)申请日 2019.03.01 (71)申请人 西安理工大学 地址 710048 陕西省西安市金花南路5号 (72)发明人 陈剑虹 雷苏力 何菲 刘泽晨 林志强 朱凌建 (74)专利代理机构 北京国昊天诚知识产权代理 有限公司 11315 代理人 杨洲 (51)Int.Cl. A61B 5/02(2006.01) (54)发明名称 一种光电容积脉搏波的特征参数的采集方 法 (57)摘要 一种光电容积脉搏波的特征参数的采集方 法，包括以下步骤：1)采集手指端的光电容积脉 搏波信号，对光电容积脉搏波信号低通滤波，放 大后传送给上位机；2)使用数字滤波器对采集到 的信号进行滤波处理并获取其中一个心动周期 的脉搏波信号；3)使用3个高斯项叠加进行脉搏 波波形拟合；4)给拟合函数设定系数限定条件； 5)根据最小二乘原则，列出误差平方和函数以求 解该高斯函数的系数；6)对式(3)中的每一项系 数求偏导数；7)使用BFGS的方法迭代求解方程 组；8)根据高斯函数的每一个平移分量和交点信 息确定脉搏波特征值的位置；解决了对于脉搏波 波形生理特征位置不明显的情况下特征值的确 定问题。权利要求书2页 说明书4页 附图3页CN 110025296 A 2019.07.19 C N 110025296 A
1.一种光电容积脉搏波的特征参数的采集方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，基于朗伯比尔定理的原理，使用红外波段的光源照射人体指端，由光电探测器采集透射过指端的光信号，对含有高频噪声的光电容积脉搏波信号采用模拟滤波器进行低通滤波，并使采集到的光电容积脉搏波信号通过放大电路进行放大，再对其进行A/D转换后将数据传送给上位机； 步骤2，使用数字滤波器对光电容积脉搏波信号中由采集卡、人体呼吸、抖动带来的噪声再进行滤波处理，以获得更好的信噪比，获得去噪后的光电容积脉搏波信号并采用差分阈值法获取其中一个心动周期的脉搏波信号； 步骤3， 使用3个高斯函数叠加进行脉搏波波形拟合： 其中，V i 分别对应为其中一个高斯函数的峰值，T i 分别对应了其中一个高斯函数的主峰相对于横坐标零点的偏移量，U i 表征了每一个高斯峰的宽度； 步骤4， 给拟合函数设定系数限定条件： 其中，a i 、b i 、c i 分别为非线性拟合的限定条件； 步骤5，根据最小二乘准则求解，要求拟合的方程与原信号的误差平方和最小，暨式(2)取得最小值时，便获得了V i 、T i 、U i 的最优解， 式中，sig为输入信号，Q为误差平方和函数； 步骤6，对式(2)中的每一项系数求偏导数， 令： 使得偏导数为0的解：V i ，T i ，U i 则构成了误差平方和Q的最优解； 步骤7，求解F(V i ,T i ,U i )，对于多元非线性方程而言，很难得到其解析解，故使用基于牛顿秩_2迭代法的BFGS算法对非线性方程进行迭代求取其最优解， 权 利 要 求 书1/2页2CN 110025296 A
指端容积脉搏波检测
工业大学研究生开题报告 学位级别：□博士■硕士□工程硕士 学号：S200915049 研究生：王东明 指导教师：松、益民 专业名称：生物医学工程 所在学院：生命科学与生物工程学院开题报告时间：2010年12月06日 工业大学研究生部制表
一、基本情况
二、报告正文
1）采样精度：大于等于10位 2）采样间隔：5ms 3）频率响应：0.05Hz到200Hz 4）电源供电：直流5V供电（电源适配器或USB供电）或手机锂电池供电 5）电源功耗：不大于1.5W（即电路小于300mA） 6）电池供电待机时间不小于10小时 拟采取的研究方案及可行性分析 本选题主要涉及到硬件系统的设计与制作、软件部分的设计、理论研究及临床验证四大部分。1．系统硬件设计与制作 在实验室研究成果的基础上，继承以往仪器小型便携等优点，选用TI定点DSP(采用TMS320VC5402)[12]~[14]，进一步改进传感器采集电路，在传感器电路部分让脉搏波信号不失真的送到F330单片机，使脉络中最大限度的包含心血管信息，通过DSP的控制和处理显示检测结果，设计相应的硬件采集系统。 本系统将针对指脉容积脉搏波的采集和分析设计相应的指脉采集处理电路，根据指脉信号幅值小、频率响应围主要集中在低频段（0.05Hz到200Hz）的特点，设计新的放大和采集电路，最大限度不失真地反映脉搏波波形形态，满足后续对波形分析的要求。 系统的硬件结构如图1所示： 图1 系统硬件结构图 2．软件部分设计 软件的设计主要分为以下三部分：单片机采集控制程序、主从机通讯及控制和计算机软件设计（实现计算结果存储和远程发送）。 单片机软件部分完成数据采集、电池电量采样和数据传送，主要包括定时、A/D转换、平滑滤波、自适应滤波[20]~[21]、串口数据发送等功能的实现。 主从机通讯控制和计算机软件设计完成主机和从机之间的通讯控制，实现主机对从机的访问以及对液晶、flash存储芯片的访问和控制、波形分析计算工作流程的控制等。 计算机软件部分是软件的辅助功能部分，要完成数据接收、波形和检测结果显示、数据分析处理、数据存取等。该软件将采用Microsoft Visual C++进行开发[22]~[24]。
测试技术课程设计脉搏测量仪
《机械工程测试技术》 课程设计 脉搏测量仪的设计 姓名：张峰 学院：机电工程学院 专业：机械设计制造及其自动化班级：2010级本科4班 学号：201015130457 完成日期：2012年12月28日
摘要 医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。本文介绍一种用单片机制作的脉搏测量仪，只要人把手指放在传感器内2秒钟就可以精确测量出每分钟脉搏数，测量结果用三位数字显示。 关键词：AT89C2051；单片机；脉搏测量仪
目录 第一章引言 (1) 第二章基本结构模块 (2) 2.1脉搏波检测电路 (2) 2.2脉搏信号拾取电路 (2) 2.3信号放大 (3) 2.4波形整形部分 (5) 第三章整体电路分析 (7) 3.1光发射电路 (7) 3.2光电转换电路 (7) 3.3信号采集及处理系统 (8) 3.4过采样技术的应用 (8) 3.5整体硬件电路设计 (9) 参考文献 (10)
第一章引言 脉搏测量属于检测有无脉博的测量，有脉搏时遮挡光线，无脉搏时透光强，所采用的传感器是红外接收二极管和红外发射二极管。用于体育测量用的脉搏测量大致有指脉和耳脉二种方式。这二种测量方式各有优缺点，指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。 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，历来都受到中外医学界的重视。几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，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,因此对脉搏波采集和。 处理具有很高的医学价值和应用前景。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号, 必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。
基于容积脉搏波的无创连续血压测量系统
本文通过文献复习［1-7］，综合分析不同血压脉搏波特征变化，提出针对不同脉搏特征下的传导时间提取算法，通过逐步回归分析建立血压模型，并据此模型实时测量人体收缩压与舒张压,实现血压的便捷、无创连续测量并可彻底摆脱袖套束缚。 1基本原理 血流动力学研究表明，动脉中血液从心脏向外周传播时，由于人体末端很多小动脉、微动脉和毛细血管起着阻力血管的作用，所以血管中血液是存在向心的反射作用的，这些往返脉搏波的线性组合构成动脉中脉搏波的特征形状［8］。对于动脉硬化的情况而言,其血管弹性降低,血管中血液流速加快,使人体末端的反射血液提前返回心室,这些反射波与推进波的叠加效应,使人体脉压抬升；而动脉状况较好的情况下,血管弹性较好,血液流速较慢,反射波的到来将延迟,收缩期压力将减少。因此,反射波与推进波汇合的时间,是可以反映脉搏波传导时间的,并可作为反映血压状况的参数。 Hiroshi等［9］在对由容积脉搏波进行二次微分后的加速脉搏波进行研究时发现,加速脉搏波各特征点能很好地反映血液微循环过程。从加速脉搏波中, 可以清晰看到波形呈现很有规律的上升和下降（图1）。这些上升支和下降支可以很好地解释心脏搏动引起的血液迸出、血液反射等血液微循环过程,且微循环过程有如下解释。 O-A段：由心脏逬出的血液在20~30mmHg的血压作用下,推进至人体末端的某个小动脉（如手指端）,并流进毛细血管,但是毛细血管极其细微而密集的特性,使推进至此的血液无法快速通过静脉流回心脏,因此,毛细血管中血液容量便急剧增加。 图1 光电容积脉搏波（a）和对应加速脉搏波（b）的图解说明 Fig.1 Illustration of PPG pulse wave（a）and accelerated pulse wave（b）A-B段：上述增加的血液在经过一定时间不断向前推进后,会出现一个快速下降过程。 B-C段：随着血液到达末端终点,会遇到静脉的阻碍,因此,来自静脉的反射血液便停留在毛细血管中,再次产生的结果就是毛细血管中血液容量再次有所增加。 C-D段：上述由静脉回流的血液在经过一定时间不断向前推进后,会再次出现一个下降过程。 以上过程会出现多次,因此毛细血管中血液容积也会有微弱的增加和减少,在加速脉搏波中,则如D-E段和E-F段表现的微弱的上升和下降。直到这种变化几乎可以忽略不计了,则一次心脏搏动过程结束,正如加速脉搏波中G点所示。 根据血液微循环机理分析可知脉搏波传导时间可通过A-C段时间间隔表示,它能比较准确地反映血液从心脏搏出到传递至手指末端毛细血管并反射汇合的时间［10］。Bazzett［11］发现脉搏波传导时间（pulse wave transittime, PWTT）和动脉血压值有关,也同血管容积和血管壁弹性量有关。在一定范围内, PWTT和动脉血压之间呈线性相关,且这种关系在某一个体,在一段时间内相对稳定。因此,如果能准确的获取推进波与反射波的传导时间,建立动脉血压与传导时间的血压估算模型,计算人体实时血压值,将可极大地简化检测流程, 降低检测复杂度,实现无创连续测量并能彻底摆脱袖套的束缚。 2 软件设计及提取算法 本文提出的无创连续血压测量方法,本质在于找出血压与脉搏波传导时间之间的关系,因此首要 的是准确提取脉搏波传导时间。
基于LabVIEW的光电容积脉搏波信号采集系统
收稿日期：2011－01－10作者简介：章伟（1986—），男，重庆永川人，硕士研究生，主要研究方向为集成电路设计；高博（1975—），男，山东人，讲师，主要研究方向为集成电路设计；龚敏，男，四川成都人，教授，主要研究方向为集成电路设计、新型半导体材料与器件工艺。 基于LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系统 章 伟，高 博，龚 敏 （四川大学物理科学与技术学院，四川成都610064） 摘要：光电容积脉搏波包含了人体丰富的生理、病理信息，对其进行实时监测可为临床研究和诊断提供 科学的指导。开发了一套基于图形化虚拟仪器工程设计平台LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系 统， 可完成对该信号的实时采集、显示和数据存储。经过指端光电容积脉搏波信号的透射式采集实验，在LabVIEW 前面板上准确显示出了该信号的波形，有助于对光电容积脉搏波进行深入分析。关键词：光电容积脉搏波；采集系统中图分类号：R543文献标识码：A 文章编号：1000－8829（2011）12－0016－04 A Photoplethysmograph Signal Acquisition System Based on LabVIEW ZHANG Wei，GAO Bo，GONG Min (College of Physical Science and Technology，Sichuan University，Chengdu 610064，China) Abstract:Photoplethysmograph(PPG)includes abundant information of physiology and pathology．Real-time monitoring on it can provide scientific guidance for clinical research and diagnosis．A PPG signal acquisition system is introduced．This system is developed on an engineering design platform named LabVIEW，which is a virtual instrument based on graphic language．PPG signal acquisition system is used to collect，display and store data in real time．One experiment is carried out for this research，which gathers PPG signal from fingertip in transmission way．PPG waveform is exactly displayed on LabVIEW s front-panel．These display results are helpful to analyze PPG in depth． Key words:photoplethysmograph;acquisition system 光电容积脉搏波（PPG ， photoplethysmograph ）信号是人体重要的生理信号， 包含着人体心脏器官和血液循环系统丰富的生理、病理信息。当一定波长的光束照射到皮肤表面时，光束将通过投射或反射方式传送到光电传感器。由于受到皮肤肌肉组织和血液的吸收衰减作用，光电传感器检测到的光电强度会有一定程 度的减弱。当心脏收缩时， 外周血管扩张，血容量最大，光吸收最强，因此检测到的光信号强度最小；当心脏舒张时，外周血管收缩，血容量最小，光吸收最弱，因此检测到的光信号强度最大，使得光电传感器检测到的光强度随心脏搏动而呈现脉动性变化。将此光强度 变化信号转换为电信号， 再经放大后即可反映出外周血管血流量随心脏搏动的变化［1］ 。PPG 信号对于临 床诊断和救护有重要的指导意义，但是由于PPG 信号 在采集过程中易受体内、 体外各种因素干扰，信号波形容易受到影响，为信号特征参数的提取带来很大困难，因此目前对PPG 信号的应用还主要限于提取其振幅 来计算血氧饱和度、 根据频率来得到心率上。可见，获取高质量的PPG 信号是其在临床上得到推广的重要基础。 LabVIEW 是美国国家仪器公司（NI ）推出的虚拟仪器开发平台，是计算机辅助测试（CAT ）领域的一项重要技术。基于图形化编程语言（G 语言）的Lab-VIEW 提供了功能强大的函数模块库，包含数学、仪器I /O 和信号处理等方面的函数。利用LabVIEW 软件可直接对经由PPG 信号硬件采集系统采集到的数字信号进行处理，利用软件的功能来设计低通滤波器，避免了滤波器硬件电路的设计，在降低设计难度的同时增加了滤波处理的精度，更可有效避免在滤波过程中引入的噪声和信号失真，使信号保持较高的真实性。因此，基于LabVIEW 来开发PPG 信号采集系统具有广阔的应用前景。
人体脉搏波检测电路
人体脉搏波检测电路 设计报告 精82 蔡暻煊2008010535 2010/9/13
目录 一、综述 (4) 1.课题背景 (4) 2.实验任务 (5) 3.实验预期目标 (5) 二、总体方案设计 (5) 三、电路设计 (6) 1.时钟信号产生 (6) 2.倍频电路 (7) 3.计数信号产生 (8) 4.计数电路 (8) 5.显示电路 (9) 6.清零信号的产生 (10) 四、电路整体工作原理 (12) 1.整体电路图 (12) 2.工作流程简述 (13) 五、实验数据分析 (13) 六、总结与改进方案 (14) 1.实习过程中的难点 (14) 2.仍然存在的问题 (14) 3.实习收获与感想 (15) 4.改进方案 (15) 1)使用数字器件 (15) 2)使用单片机 (16) 七、附录 (16) 1.器件汇总（数字电路部分） (16) 2.芯片管脚图汇总（数字电路部分） (17) 3.实际电路照片 (19) 八、参考文献 (23)
一、综述 1.课题背景 1) 光电容积法测量脉搏的发展背景 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。无创测量(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。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、可重复性好等优点。 2) 脉搏波检测传感器原理 根据朗伯比尔(Lamber Beer) 定律, 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。 下图为手指的血液流动情况与光吸收量的关系： 手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织, 其中非血液组织的光吸收量是恒定的, 而在血液中, 静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的, 可以忽略, 因此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, 通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。
光电容积脉搏波描记法原理及其在临床上的应用
光电容积脉搏波描记法原理及其在临床上的应用 罗志昌张松杨益民李旭雯 本文作者罗志昌先生北京工业大学生物医学工程中心教授张松先生副研究 员 杨益民先生助理研究员李旭雯女士助理研究员 关键词: 光电容积脉搏波描记法 一前言 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和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 新产品本文将对此作一综述 二与PPG有关的基础性研究工作
脉搏测量仪设计
第1章概述 随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传感器的研究。起初用于体育测量的脉搏测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降：耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确[3]。过去在医院临床监护和日常中老年保健中出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量,但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低等缺点。 近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，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。 其中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。具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。通过光电式脉搏传感器所研制的脉搏测量仪已经应用到临床医学等各个方面并收到了理想效果。 人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，是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，这种波成为脉搏波[4]。从脉搏波中提取人体的心理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，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,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景[5]。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号,因此必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。 第2章总体设计思想
人体脉搏信号检测系统设计
第1章绪论 1.1 研究背景和意义 随着社会和科学技术的不断进步，人们对生命现象的认识也越来越深入，生物医学信号的检查是对人体健康状况评估的手段。在医院里，通过检查必要的生物医学数据，医生可以对病人健康程度做一个评估，并且根据数据诊断出病患所得的疾病以及康复状况。同时，医药保健类产品早已经不是医院的专利，以家庭为单位，几乎每个家庭都配备了必要的医疗保健类用品[1-3]。在适宜的医疗设备条件下，病人可以不依靠医生的辅助，自己采集医学生理数据，通过医学根据对此参数分析，评估健康水平或者诊断自身是否有疾病。现代的医疗仪器给人民生活带来了便捷，在智能化、便携式、可靠性、安全性等方面都有了很大的提高。仪器在实现功能的同时都有不同的特点，有的仪器便于携带，有的仪器操作简单。当然，结合众多优点的仪器无疑受到消费者的青睐。以医院为单位，因为测量出来的数据可以直接提供给医生作为诊断或评估病人身体状况的参考，所以这类医疗仪器性能高、功能强大、测量数据准确。而对于以家庭或个人来说，在保证功能的同时，方便测量生理数据、便于携带、价格低廉、智能化这些特点是此类医疗仪器发展的趋势。 作为诸多生理信号的一种，脉象信号蕴含着丰富的信息，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，历来都受到中外医学界的重视。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，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[4]。许多中医文献分析脉象的形成和西医分析虽然表、述各有不同，但是有相同的科学原理。 人体循环系统由心脏、血管、血液所组成，负责人体氧气、二氧化碳、养分及废物的运送。血液经由心脏的左心室收缩而挤压流入主动脉，随即传递到全身动脉。当大量血液进入动脉将使动脉压力变大而使管径扩张，在体表较浅处动脉即可感受到此扩张，即所谓的脉搏[1]。 正常人的脉搏和心跳是一致的。脉搏的频率受年龄和性别的影响，婴儿每分钟
盘点可穿戴设备心率监测那点事
盘点可穿戴设备心率监测那点事 来源：互联网 [导读]在此之前，包括三星 Gear Fit、Fitbit Surge、Microsoft Band等手环上也都配备的是光电式心率计，它们从原理和本质上与Apple Watch是没有差别。 关键词：Apple Watch智能硬件可穿戴设备 Apple Watch所采用的心率监测是“光电容积脉搏波描记法”，简称光电式或透射法，它的原理非常简单——通过Apple Watch背面配备的绿色LED灯，搭配感光光电二极管照射血管一段时间，由于血液是红色的，它可以反射红光而吸收绿光，而在心脏跳动时，血液流量增多，绿光的吸收量会随之变大，处于心脏跳动的间隙时血流会减少，吸收的绿光也会随之降低，基于此，就可以根据血液的吸光度来测量心率。 在此之前，包括三星 Gear Fit、Fitbit Surge、Microsoft Band等手环上也都配备的是光电式心率计，它们从原理和本质上与Apple Watch是没有差别的，这也就使得它们的问题也同样是共性的——设备都需要紧贴手腕，并且毛发不能过于旺盛、不能出汗、也不能在运动时测量。这也就是为何苹果会建议用户在进行心率监测时让手表贴紧皮肤的原因，此外，苹果在介绍中也表示在天冷的情况下，用户手腕部位的血流量可能不足以监测到心率，而且用户在进行节率性运动（如：跑步和骑行）时，心率测量的准确性会比无规则运动（如：网球和拳击）更加的准确——这些亦都是光电式心率监测的局限性所在。 不过可能更令人沮丧的是，由于当血液经过毛细血管流入手腕时，血液流动速度实际上已经减缓了，因此最终的结果也不一定能够真实反映心率——也就是说，使用 Apple Watch 监测出的心率数据，最后可能还不如一些手机准确，特别是在手握机器的情况下，由于人的食指指尖有一个动脉血管，而后者能够和心脏基本保持一样的频率。 除了光电式监测之外，另一种心率监测方式也在一些穿戴设备上普及开来，这就是生物电式，它的核心是借助于生物电阻抗传感器，通过生物肌体自身阻抗来实现血液流动监测，
模拟电路课程设计脉搏测试仪设计范本
模拟电路课程设计脉搏测试仪设计 1 2020年4月19日
脉搏测试仪设计 1、设计目的 （1）熟悉脉搏测试仪的电路组成，工作原理和设计方法； （2）加深对电子电路的掌握，学会基于模拟电路的课程设计。 2、设计任务 脉搏测试仪是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。它是用来测量频率较低的小信号（传感器输出电压一般为几毫伏）。具体要求： （1）实现在30~60秒内测量1分钟的脉搏数。正常人脉搏数为60~80次/min，婴儿为90~100次/min，老人为100~150次/min （2）用传感器将脉搏跳动的转换为电压信号并放大整形和滤波。 （3）测试误差不小于2/min。 3、设计要求 2 2020年4月19日
（1）合理的设计硬件电路，说明工作原理及设计过程，画出相关的电路原理图（运用Multisim电路仿真软件）； （2）选择常见的电器元件（说明电器元件选择的过程和依据）； (3) 对电路进行局部或整体仿真分析； （4）按照规范要求，按时提交课程设计报告，并完成相应答辩。 4、参考资料 （l）李立主编. 电工学实验指导. 北京：高等教育出版社， （2）高吉祥主编. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社， （3）谢云，等编著.现代电子技术实践课程指导.北京：机械工业出版社， 目录 一、设计要求 (4) 二、设计的作用、目的 (5) 3 2020年4月19日
三、设计的具体体现 (6) 1、系统概述 (6) 2、单元电路设计、仿真与分析 (7) 四、心得体会及建议 (21) 五、附录 (23) 六、参考文献 (24) 脉搏测试仪设计报告 一、设计要求 脉搏测试仪是用来测量一个人心脏跳动次数的电 4 2020年4月19日
基于光电容积脉搏波描记法的心率变异性分析系统前端装置设计_石磊 - 副本
第３３卷 第１期２０１６年 ２月生物医学工程学杂志 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．３３ Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１６基于光电容积脉搏波描记法的心率变异性分析系统 前端装置设计＊ 石 磊１△ 孙 朋２ 庞 宇１ 罗志勇１ 王 伟１ 王延项１ １（重庆邮电大学光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室，重庆４０００６５ ）２（解放军３０９医院，北京１０００９１ ）摘 要：心率变异性（ＨＲＶ）是指逐次心跳周期差异的变化情况，它产生于自主神经系统对心脏窦房结的调制，是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个很有价值的指标。传统对ＨＲＶ的分析多是基于心电信号，而心电信号的采集过程较为复杂，因此我们设计了一种基于光电容积脉搏波（ＰＰＧ）描记法的ＨＲＶ分析系统，ＰＰＧ信号通过单片机从人体手指端采集，数据经过ＵＳＢ转串口模块发送给上位机，上位机软件将采集到的数据绘成波形图并将数据存储下来，以便日后ＨＲＶ分析使用。该系统尺寸小、功耗低、操作简单，适用于家庭和医院的日常监护。关键词：心率变异性；心电图；光电容积脉搏波描记法；低功耗 中图分类号 Ｒ－３３ 文献标志码 Ａ ＤＯＩ １ ０．７５０７／１００１－５５１５．２０１６０００４Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ Ｈｅａｒｔ Ｒａｔｅ Ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄ ｏｎ Ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ ＳＨＩ Ｌｅｉ １ ＳＵＮ Ｐｅｎｇ２ ＰＡＮＧ Ｙｕ１ ＬＵＯ Ｚｈｉｙｏｎｇ１ ＷＡＮＧ Ｗｅｉ １ ＷＡＮＧ Ｙａｎｘｉａｎｇ １ １（Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｌｅｖｅｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ ＴｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６５，Ｃｈｉｎａ）２（ＰＬＡ３０９ｔｈ Ｈｏｓｐｉｔａｌ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１ ０００９１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ（ＨＲＶ）ｉｓ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｈｅａｒｔｂｅａｔ ｃｙｃｌｅ，ａｎｄ ｉｔｉｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｕｔｏｎｏｍｉｃ ｎｅｒｖｏｕｓ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｕｓ ｎｏｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｒｔ．Ｔｈｅ ＨＲＶ ｉｓ ａ ｖａｌｕａｂｌｅ ｉｎｄｉ－ｃａｔｏｒ ｉｎ ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｕｄｄｅｎ ｃａｒｄｉａｃ ｄｅａｔｈ ａｎｄ ａｒｒｈｙｔｈｍｉｃ ｅｖｅｎｔｓ．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＨＲＶ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｍｕｌｔｉ－ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ（ＥＣＧ），ｂｕｔ ｔｈｅ ＥＣＧ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｓｏ ｗｅ ｈａｖｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎ ＨＲＶ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＰＧ）．ＰＰＧ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｂｙ ａ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｒｏｍ ｈｕｍａｎ’ｓ ｆｉｎｇｅｒ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓｓｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｖｉａ ＵＳＢ－Ｓｅｒｉａｌ ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｃｏｌｌｅｃｔｓ ｔｈｅ ｄａｔａ ａｎｄ ｐｌｏｔ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ，ｂｕｔａｌｓｏ ｓｔｏｒｅｓ ｔｈｅ ｄａｔａ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ＨＲＶ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｍａｌｌ ｉｎ ｓｉｚｅ，ｌｏｗ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ａｎｄ ｅａｓｙ ｆｏｒｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｄａｉｌｙ ｃａｒｅ ｎｏ ｍａｔｔｅｒ ｗｈｅｔｈｅｒ ｉｔ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｔ ｈｏｍｅ ｏｒ ｉｎ ａ ｈｏｓｐｉｔａｌ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ；ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ；ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ；ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ＊国家自然科学基金资助（ ６１４７１０７５）；重庆高校创新团队建设计划（智慧医疗系统与核心技术创新团队） △通信作者。Ｅ－ｍａｉｌ：１４０３９５５３５８＠ｑｑ ．ｃｏｍ引言 心血管系统疾病是威胁人类生命安全的重大疾 病，具有高发病率、高致残率和高死亡率等特点［ １］ 。根据世界卫生组织统计，全世界每年死于心脑血管疾病的人数高达１ ５００万人，居各种死因首位。心率变异性（ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ，ＨＲＶ）指逐次心跳周期差异的变化情况，它产生于自主神经系统对心脏窦房结的调制，反映了自主神经系统的活性，是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个很有价值的指标。光学容积描记（ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａ－ｐｈｙ ，ＰＰＧ），也叫光电容积脉搏波描记法，是一种用来检测组织微血管中血容量变化的光学测量方 法［２－ ５］。传统对ＨＲＶ的分析多是基于心电信号，但是随着光电技术在医疗应用中的扩大，人们对利用 光电技术测量人体生理参数的研究也逐渐加强。１９８１年，Ｎｉｊｂｏｅｒ等提出影响ＰＰＧ信号强度的因素包括血液容量、红血球的位置和血管运动等。２０１１