光电脉搏传感器

光电脉搏传感器的研制和噪声分析 戴君伟 , 王博亮 (厦门大学 　福建 厦门 　361005) 摘　要 : 脉搏血氧仪能够无创、快速、实时地测量血氧饱和度 , 光电式脉搏传感器是脉搏血氧仪的重要组成部分。介绍 了光电式脉搏传感器的原理和设计方案 , 采用集成光敏部件和放大器的光敏芯片代替传统的分立光敏器件实现对脉搏的测 量。芯片的集成化能够有效减小器件间匹配引起的干扰 , 提高脉搏测量精度。在实验测试过程中 , 采用该光电式脉搏传感器 对人体的脉搏进行实时测量 , 对脉搏信号测量可能引起的噪声来源做了分析 , 并做相应的抗干扰处理 , 得到比较理想的脉搏 波形 , 为脉搏信息的提取和分析提供了良好的数据。 关键词 : 脉搏信号 ; 光电容积法 ; 脉搏传感器 ; 噪声分析 中图分类号 : TP212114 　　　　　文献标识码 : B 　　　　　文章编号 : 1004 373X (2006) 02 078 03 A Ne w Design of PPG Pulse Sensor and Noise Analysis DA I J unwei ,WAN G Boliang (Xiamen University ,Xiamen ,361005 ,China) Abstract :A new photoplethymograph ( PP G) pulse sensor for long tern ,continuous monitoring is p resented in this paper1 The PP G pulse sensor is attached to the finger base for monitoring beat to beat pulsation1 Comparing with the t raditional design ,the pulse sensor uses a new integrated chip ,which is integrated the photosensitive unit and the signal amplifier1 This design can efficiently remove the sys2 tem noise and improve the precision of measure1 In the experiment ,using the new PP G pulse sensor can measure the pulse directly f rom the pulse in real time1 At the same time ,making the noise analysis and dealing with the measure noise ,and getting a good pulse wave1 Keywords :pulse signal ;photoplethymograph ;pulse sensor ;noise anylsis 收稿日期 : 2005 09 13 基金项目 : 国家自然科学基金 (60371012) ; 福建省科技重点项目 (2002 Y021) 1 　引 　言 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 Meas2 urement s) 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 , 尤其是在体间接测量人体的生理和生化参数[1 ] 。 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、可重复好等优点 , 本文讨论的就是基于光 电式脉搏传感器的设计和具体实现。 2 　光电式脉搏传感器的原理和结构 211 　光电式脉搏传感器的原理 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。 图 1 　手指光吸收量变化示意图 87 传感器技术 戴君伟等 : 光电脉搏传感器的研制和噪声分析 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。 212 　光电式脉搏传感器的结构 从光源发出的光除被手指组织吸收以外 , 一部分由血 液漫反射返回。其余部分透射出来。光电式脉搏传感器按 照光的接收方式可分为透射式和反射式 2 种[ 2 ] , 其中透射 式的发射光源与光敏接收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的时间关 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 , 接收的是血液漫反射回来的 光 , 此信号可以精确地测得血管积变化。本文讨论的 是透射式脉搏传感器 , 侧重于脉搏信号的测量。 图 2 　反射式光电传感器和透射式光电传感器 3 　光电式脉搏传感器的制作 311 　光敏器件 光电式脉搏传感器由于采用不同的光敏元件有着多种 实现方法 , 其中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。在传统的光电式脉搏传感器设计 中 , 通常采用的是独立光敏元件 , 利用半导体的光电效应 改变输出的电流 , 通常光敏元器件输出的电流极低 , 容易 受到外界干扰 , 而且对后续的放大器的要求比较严格 , 需 要放大器空载时的电流输出较小 , 避免放大器空载输出电 流对脉搏信号测量的干扰 , 这样对于普通的放大器就不能 直接应用在光敏元件的后端。 图 3 　OP T101 在本文中 , 采用一种新型的光敏元件 OPT101 [3 ] , 该元 件将感光部件和放大器集成在同一个芯片内部 , 这种集成 化的设计方式有效地克服了后端运算放大器空载电流输出 对光敏部件输出电流的影响 , 而且芯片输出的电压信号可 以通过外部的精密电阻进行调节 , 有利于芯片适应整体的 电路设计 , 同时芯片的集成化设计也能够减小系统的功耗。 312 　发射光源 光电式脉搏传感器主要由光源、光敏器件 , 以及相应 的信号调理控制电路构成。为了充分利用器件的效果 , 光 源和光敏元件的选择是综合考虑的 , 光源的波长应该落在 光敏元件检测灵敏度较高的波段内 , 图 4 为 OPT101 的光 波长响应曲线[3 ] 。 图 4 　OPT101 光波长响应曲线 脉搏信号主要由动脉血的充盈引起 , 而血液中还原血 红蛋白 ( Hb) 和氧合血红蛋白 ( HbO2 ) 含量变化将造成 透光率的变化 , 当氧合血红蛋白和还原血红蛋白对光的吸 收量相等时 , 透射光的强度将主要由动脉血管的收缩和舒 张引起 , 此时能够比较准确地反映出脉搏信号。图 5 为血 红蛋白的光吸收曲线 , 从图中可以看出 , 血液中 HbO2 和 Hb 对于不同波长光的吸收系数的差异明显 , 而且 2 条曲 线好几个不同的交点 , 考虑到在 805 nm 波长处 , 血红蛋 白的光吸收率比较低 , 那么透射过手指的光强较大 , 有利 于光敏器件的接收 , 因此发射光源的波长选择为 805 nm。 图 5 　血红蛋白的光吸收曲线 313 　恒流源控制电路 在脉搏信号测量过程中 , 为了尽量减少光源供电波动对 测量脉搏信号的影响 , 需要恒流电路[4 ]来控制光源的稳定供 电 , 使在脉搏测量过程中 , 发射光源发出的光强是恒定的。 图 6 为恒流源电路 , 在电路中 R1 两端的电压值恒等 于稳压二极管 D1 的稳压值 ,因此流经 R1 的电流值恒定 ,控 制使三极管 Q1 处于放大状态 ,那么流过发光二极管 D3 的 97 《现代电子技术》2006 年第 2 期总第 217 期 　þ 电子元器件 ü 电流值恒定 ,因此发光二极管 D3 能输出稳定光强的光。 314 　脉搏信号调理电路 芯片 OPT101 中输出的脉搏信号为直流和交流叠加的 混合电压信号 , 其中交流信号中包含了脉搏信息 , 因此信 号调理电路先要滤除叠加的直流信号 , 再对交流信号进行 放大。滤除直流信号可以通过一个电容来实现 , 但是电容 在隔直流的同时可能造成脉搏信号的部分失真。较为理想 的方式是采用一个减法器来实现绝大部分直流电平的滤 除 , 由于不同受试者的手指的透光率不同 , 测量到的直流 电平不同 , 因此需要一个来实现相应的直流电平的滤除 , 本文就是采用可控直流电平输出和减法器来实现脉搏信号 的提取。在得到包含有脉搏信号的交流信号后 , 只要通过 简单的放大电路和低通滤波电路即可实现脉搏信号的提 取。 图 6 　恒流源电路 4 　光电式脉搏传感器的实验测量和噪声分析 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 , 因此需要对脉搏传感器的干扰噪声 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实验测量做进一步的分析。 411 　环境光对脉搏传感器测量的影响 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信号 , 而且包含测量环境下的背 景光信号 , 由于动脉搏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 , 减少背景光的干扰。 测量环境下的背景光[5 ,6 ] 包含环境光和在测量过程中 引起的二次反射光[ 7 ] 。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 , 采用密封的指套 式的包装方式 , 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。为了避免测量过程中的二次反射 光的影响 , 在指套式传感器的内层表面涂上一层吸光材 料 , 这样能有效减少二次反射光的干扰。 图 7 　不加指套和加指套采集到的脉搏波形 由图 7 的图形明显可知 , 加上指套式外壳后的脉搏传 感器测量到的脉搏波形比较平滑。这是因为加指套式的脉 搏传感器中环境光在测量过程中基本上不受外界环境光的 影响 , 而且能够有效减少二次反射光 , 使照射到手指上的 光波长单一 , 所以得到的脉搏信号较为稳定 , 没有明显的 重叠杂波信号 , 能够很好地体现出脉搏波形的特征。 412 　电磁干扰对脉搏传感器的影响 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 , 在传统的光电式脉 搏传感器电路中 , 由于光敏器件和一级放大电路是分离 的 , 那么在信号的传递过程就很容易受到外界电磁干扰 , 通常在一级放大电路采用电磁屏蔽的方式来消除电磁干 扰。本系统采用了新型的光敏器件 , 在芯片内部集成光敏 器和一级放大电路 , 有效地抑制了外界电磁信号对原始脉 搏信号的干扰。 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之一。通常脉 搏信号的频率范围在 013～30 Hz 之间 , 小于工频 50 Hz , 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。 413 　测量过程中运动噪声 在测量过程当中 , 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 : 一是改善指套式传感器 的机械抗运动性 , 比如说使指套能够更紧的夹在手指上 , 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 , 对于传感器的设计 , 现在采用的主要是第一个途径。 5 　结 　语 无创伤监护技术将是未来医学工程发展的重要方向 , 而人体脉搏信号中包含丰富的生理信息 , 也逐渐引起了临 床医生的很大兴趣。光电容积法 ( PP G) 是当今测量脉搏 信号的一种有效途径 , 也可以通过这种方法测量血氧饱和 度 , 氧分压、心搏出量等生理信号 , 为临床诊断提供了强 有力的技术支持。最近 , 日本学者又提出了以脉搏波传导 速度与血压的相关性来间接测量血压 , 用检测分析脉搏波 的方法估计血压的课 , 足见脉搏检测的应用有着良好的 发展前景。 脉搏检测中关键技术是传感器的设计与传感器输出的 微弱信号提取问题 , 本文对脉搏传感器的设计进行了初步 的探讨并取得了可喜的实验结果。实验证明 : 采用本文 (下转第 90 页) 　 08 传感器技术 戴君伟等 : 光电脉搏传感器的研制和噪声分析 耗。出于此目的 , 该电路采用 Phlips 公司的单片机 P87L PC767 作为 CPU。该单片机是 20 引脚封装的单片 机 , 基本结构与 51 系列兼容 , 适合与许多要求高密度、 低成本的场合。其内含 4 kB 的 O TP 程序存储器和 128 B 的 RAM , 并且内置 2 个精确模拟量比较器和 4 路 8 位 A/ D 转换器。尤其是其工作在 100 k Hz～4 M Hz , 与电源电 压为 313 V 时 , 其功耗仅为 01044～117 mA , 非常适合蓄 电池供电的系统[ 2 ] 。 电路中 V T1 和 V T2 的连接方式可解决 MOSFET 的 驱动共地问题。当太阳能电池阵列输出电压低于蓄电池充 电电压上限时 , V T1 始终截止 , 太阳能电池直接对蓄电池 充电 ; 当太阳能电池阵列输出电压高于蓄电池充电电压上 限时 , 则单片机输出调制波 , 控制 V T1 适时导通 , 保证 蓄电池充电电压在允许范围之内。正常情况下 , 单片机通 过驱动电路使 V T2 导通 , 接通负载回路 ; 在蓄电池端电 压低于一定数值时 , V T2 截止 , 断开负载回路 ; 等蓄电池 电压恢复到蓄电池浮充电压时 V T2 重新接通负载。电路 中单片机的主要功能就是测量蓄电池端电压 , 进而控制 V T1 和 V T2 的导通状况 , 保证电路的稳定运行。由于 P87L PC767 自带 8 位 AD , 单片机又与主回路共地 , 因此 采用直接电阻分压测量即可 , 即电路图中的 VAD。图中 的 VCP 与 P87L PC767 内部参考电压 1128 V 进行比较 , 当 充电电压过高时 , 在比较器中断程序中使 V T1 导通 , 将 蓄电池与太阳能电池阵列隔离 , 避免电池过充。 4 　结 　语 本文提供了一套简易太阳能控制器电路 , 已成功应用 于 12 V , 5 A 系统 , 其成本低廉且性能稳定 , 具备广泛推 广的价值。 参 　考 　文 　献 [1 ] 叶雷霖 , 高衡初1 光伏户用电源系统的研究与设计 [J ] 1 能源研究与利用 , 2000 (1) : 19 221 [2 ] 周航慈 , 周立功 , 朱 , 等 1 Phlip s 51L PC 系列单片机原 理及应用设计 [ M ] 1 北京 : 北京航空航天大学出版社 , 20011 作者简介 　黄海宏 　1973 年出生 , 工学硕士 , 合肥工业大学电气与自动化工程学院教师。主要从事电力电子和自动控制等方面 的研究。 　　 (上接第 80 页) 这种方法能够较好地测量出脉搏信号 , 为脉搏信息的进一 步提取提供了有利的前提。 参 　考 　文 　献 [1 ] 王保华1 无创及微创测量技术 [J ] 1 生物医学工程与临 床 , 2000 , 4 (1) : 50 601 [2 ] 王博亮 , 刘迎春 , 刘安之 , 等1 医用传感器及其接口设计 [ M ] 1 北京 : 国防工业出版社 , 19981 [ 3 ] Texas Inst ruments Incorporated1OPT101 Datasheet : Mono lithic Photodiode and Single Supply Tran Impedance Amplifier120041 [4 ] 曾小青 , 李旭光 , 熊政刚 , 等 1 一种具有高信噪比的脉搏波光电传感器的研制 [J ] 1 中国现代医学杂志 , 2003 , 13(15) : 76 781[5 ] 张虹 , 孙卫新 , 金捷1 脉搏血氧饱和度检测系统设计中干扰信号的处理方法 [J ] 1 国外医学生物医学工程分册 ,2000 , 23 (2) : 90 951[6 ] Sokwoo Rhee , Boo Ho Yang , Haruhiko Harry Asada1Atifact Resistant Power Efficient Design of Finger RingPlethysmographic Sensors1 IEEE Trans on Biomedical Engi2neering , 2001 , 48 (7) : 795 8051[7 ] 陈涛 , 毛文林 , 叶继伦 1 脉搏血氧传感器的噪声消除方法[J ] 1 传感器技术 , 2004 , 23 (3) : 67 711 作者简介 　戴君伟 　男 , 1982 年出生 , 福建莆田人 , 硕士研究生。主要从事医学电子技术的研究。 2015 年硅技术淘汰 半导体进入纳米时代 　　据日前最新发布的一份名为《全球半导体技术路线 图》的显示 , 全球主要的半导体厂商正在规划“后硅 晶体管”时代的蓝图。据预计 , 到 2015 年 , 全球半导体 产业将从当前的“硅技术”向“纳米技术”过渡。 据悉 , 该报告是由欧洲、日本、韩国、中国台湾和美 国的主要半导体厂商联合发布的 , 主要致力于寻求未来的 半导体制造技术。当前 , 传统的硅技术尽管仍拥有众多优 势 , 但无法长期适应半导体产业的金科玉律“摩尔定律”。 为适应“摩尔定律”, 在缩减晶体管体积方面 , 半导 体行业也开发出不少新技术。尽管如此 , 这些技术也只能 维持十年左右。因此 , 业内研发人员不断在尝试硅以外的 其他技术 , 如有机分子和碳纳米管等。 据最新报告显示 , 目前一种新的“纳米转换”技术比 较可行 , 而且制造成本也相对低廉。据研究人员预计 , 到 2015 年 , 全球半导体产业可能向该技术转移 , 因为当前 的硅技术也只能维持到 2015 年。 09 元器件与应用 黄海宏 :小功率简易型太阳能控制器设计