光电传感器在脉搏测量中的应用

光电传感器在人体脉搏信号采集系统中的应用

姓名：时劭科

专业：核工程与核技术

班级：080211

学号：08021117

2011年12月5日

摘要：脉搏是人类对自身生理特征认识非常早的一项指标，人类对脉搏的采集也是和社会技术发展同步的，从机械到电子发展到近代的光学。目前医疗产品中临床上的脉搏采集基本以光电传感器采集脉搏方法为主。光电传感器种类也比较多，大多都可用于对脉搏采集。各种光电传感器各有自己的特点，可用于不同情况下的脉搏采集。

一、引言

中医脉象诊断技术是脉搏测量技术在中医诊断上的卓有成效的应用。古代就有“切之以九脏之动，微妙在脉，不可不察”之说。脉诊是医生运用手指的触觉切按病人动脉脉搏以探查脉象、了解病情的诊断方法，通过诊脉可以了解气血的变化、阴阳的盛衰，对分析病理、推断疾病的变化、识别病情的真假、判断疾病的预后，都具有重要的临床意义。然而由于受到人为等多方面因素的干扰，使得传统的中医诊脉缺乏客观性，医家往往是“心中易了，指下难明”，因此，近代的许多学者便致力于脉诊的客观化研究，希望借助现代科学技术及成果实现脉诊的客观化。

目前我们常见的脉搏采集方法有：压力传感器法、超声脉图法、光电容积法、电容传感器法、电声传感器法等。以上这些方法中，超声脉图法和光电传感器法在目前临床应用中比较普遍。而电容、电声和压力传感器法多用于无创血压测量中的脉搏测量，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。光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复好等优点。

目前医疗产品中临床上的脉搏采集发展到光电传感器采集脉搏方法为主。光电传感器种类也比较多，大多都可用于对脉搏采集。它们有光敏电阻、光敏电池、光敏二极管等。以上几种光电传感器各有自己的特点，可用于不同情况下的脉搏采集。

(1)光敏电阻，它的特点是价格低廉，输出电流大、受温度的影响小、抗干扰能力比较强、可靠性好、器件本身不容易发生故障，它的缺点是响应时间慢。

(2)光电二极管和光电三极管它的特点是灵敏度高，响应时间快、但它受温度影响比较大、受光面小、而且有非常强的方向性、抗干扰能力弱、它的另一个特点是不同型号的管子对光谱响应有很大不同。

(3)光敏电池传感器它的特点是受光面积大、输出电流小、灵敏度高、响应速度快、光谱比较宽、受温度影响比较小，抗干扰能力一般。

二、脉搏的形成和生理特点

动脉管壁随着心动周期周而复始、一起一伏的搏动，称为动脉搏动，简称脉搏。当心室收缩时，血液冲开主动脉瓣，并把血液射入主动脉中，主动脉内压突然增高，迫使血管壁迅速膨大，当心室舒张时，主动脉压降低，主动脉壁因其具有弹性而回缩，这样，动脉管壁就随心室的收缩出现周期性的起伏搏动，形成脉搏，它存在于身体的每个部位，中医学的切脉，就是用手指的触觉和压觉分析桡动脉脉搏的频率、深浅、强弱及其他特征，作为诊断疾病的重要指标之一。

就容积式脉搏波的探测而言，指尖是较理想的部位，因为它位于肢体前端，容易实现非接触检测；其次，由手指的解剖结构可知，每个指尖的血液都是经指总动脉分两路从指干两侧通向指尖，再经丰富的冠状小动脉弥散至毛细血管，然

后从静脉回流。我们在前面所讲的压力传感器和电容传感器是在容量血管的部位对脉搏进行脉搏测量。

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，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。

三、两种利用光敏传感器方法对脉搏测采集

1、利用色差特点用光电传感器对脉搏进行采集

光敏传感器是在阻力血管的部位进行测量。阻力血管特点是由细小的血管组成，它分布在人体末梢，主要负责动脉与静脉血液的交换。在交换时血液中含氧血红蛋白，(鲜红色)转换为不含氧血红蛋白(暗红色)，我们利用这个色差特点来用光学传感器对它进行采集转换。人体中有两大血液交换地点，一个是在肺里，在这里用无创测量方法测量有一定的困难，另一个是在人体的末梢如人的手脚和一些比较薄的部位，当我们用一种光源对它照射时，动、静脉血流在心脏的作用下，在这些部位通光率要发生变化，这时光电采样器件将色度光远源信号转换为电信号输出。(见图1)

图1 光电转换图

(l)恒定的光源照射电路

我们在这里采用的是发光二极管恒定照射电路，它的主要作用是保证二极管在发出光照时，有一个比较恒定的照度和恒定的波长。用这样的方法可在今后临床的使用中保障一致性和可靠性。(见图2)

图2 发光二极管恒定照射电路图

恒流源是由一个放大器组成，这个放大器械输出电流要保障在10mA左右，因为我们常用的发光二极管的电流在10mA左右。当发光二极管的阻值升高时，通过的电流减少，这时Rl和R2的比发生变化，放大器的输出电压升高，通过二极管的电流增加。反之则降低。我们通过调节RV1可以调节发光二极管的电流初值。

(2)脉搏采样电路

这个电路是由光敏电阻和一个交流放大器组成，它的是将光敏电阻感受到的脉搏进行放大。它将mV以下的电压放大到V级电压，我们在光敏电阻的两端加了一个电容主要目的是将高频的干扰信号滤掉，在它的后面是二级和三级放大器，使信号达到我们使用的要求(见图3)。

图3 脉搏采样电路

2、利用光强特点用光电传感器对脉搏进行采集

当光源和光敏元件置于被测部位（如手指）的同一侧（或两侧），光源发出的光照射在组织上，经反射（或透射）后被光敏元件接收，其示意图如图4所示，光敏元件将脉动的光强度信号转变为脉动的电信号。在检测系统中将变化量与直流量相互分离，从而得到光电容积脉搏波。

图4 反射式和透射式光电传感器

（1）脉搏信号的拾取及放大

在本设计中我们采用IR333 型红外发射二极管作为光源，BPW83型红外接收二极管作为光电转换器件，两种二极管的峰值波长都在900nm 附近，电容C1 起到隔直通交的作用，因为从光电二极管拾取的电压信号是直流和交流叠加的信号，由光电传感器输出的信号微弱，在毫伏量级，需要经放大器进行多级放大，才能送单片机进行处理，电路原理图如图5所示。

图5 光电脉搏传感器电路

（2）电源电路

在测量中，电源电压的波动会引起发光二极管光强的变化，影响脉搏波的整齐度，同时在电路中还会产生噪声干扰，这就要求电源电压值稳定。为了方便和计算机通信，在本设计中使用USB 总线供电，由于电路中的有源器件多是采取双电源供电方式，所以在电路中还要进行DC- DC 变换。经变换输出的+5、- 5V 电压我们分别记作+Vout 和- Vout。这组电压经滤波后可以为整个电路提供稳定的电源，电源电路如图6所示。

图6 电源电路

（3）低通滤波电路的设计

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0.3- 20Hz 之间，小于工频50Hz，因此可以通过低通滤波电路滤除工频干扰其他的高频噪声干扰，这里我们使用两个二阶低通滤波电路进行滤波处理，二阶低通滤波电路图如图7所示。

图7 二阶低通滤波电路