作者:   發(fā)布時(shí)間:2014/5/4 9:10:23   瀏覽次數(shù):1979

光電脈搏傳感器的噪聲分析與研制


人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動(dòng)脈的收縮和舒張, 使血流壓力以波的形式從主動(dòng)脈根部開始沿著整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)傳播, 這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息, 很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征。
　　傳統(tǒng)的脈搏測量采用脈診方式, 中醫(yī)脈象診斷技術(shù)就是脈搏測量在中醫(yī)上卓有成效的應(yīng)用, 但是受人為的影響因素較大, 測量精度不高。無創(chuàng)測量(Noninvasive Meas2urement s) 又稱非侵入式測量或間接測量, 其重要特征是測量的探測部分不侵入機(jī)體, 不造成機(jī)體創(chuàng)傷, 通常在體外, 尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數(shù)。
　　生物醫(yī)學(xué)傳感器是獲取生物信息并將其轉(zhuǎn)換成易于測量和處理信號的一個(gè)關(guān)鍵器件。光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器, 通過對手指末端透光度的監(jiān)測, 間接檢測出脈搏信號。光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、可重復(fù)好等優(yōu)點(diǎn), 本文討論的就是基于光電式脈搏傳感器的設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)。
　　2 光電式脈搏傳感器的原理和結(jié)構(gòu)
　　2.1 光電式脈搏傳感器的原理
　　根據(jù)朗伯比
爾(Lamber Beer) 定律, 物質(zhì)在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時(shí), 通過人體組織吸收、反射衰減后測量到的光強(qiáng)將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。
　　脈搏主要由人體動(dòng)脈舒張和收縮產(chǎn)生的, 在人體指尖, 組織中的動(dòng)脈成分含量高, 而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄, 透過手指后檢測到的光強(qiáng)相對較大,因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。
手指光吸收量變化示意圖

　　手指光吸收量變化示意圖傳感器技術(shù)戴君偉等: 光電脈搏傳感器的研制和噪聲分析手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織, 其中非血液組織的光吸收量是恒定的, 而在血液中, 靜脈血的搏動(dòng)相對于動(dòng)脈血是十分微弱的, 可以忽略, 因此可以認(rèn)為光透過手指后的變化僅由動(dòng)脈血的充盈而引起的, 那么在恒定波長的光源的照射下, 通過檢測透過手指的光強(qiáng)將可以間接測量到人體的脈搏信號。

光電脈搏傳感器的噪聲分析與研制

　　2.2 光電式脈搏傳感器的結(jié)構(gòu)
　　從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外, 一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出來。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式2 種, 其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置,接收的是透射光, 這種方法可較好地反映出心律的時(shí)間關(guān)系, 但不能精確測量出血液容積量的變化; 反射式的發(fā)射光源和光敏器件位于同一側(cè), 接收的是血液漫反射回來的光, 此信號可以精確地測得血管內(nèi)容積變化。本文討論的是透射式脈搏傳感器, 側(cè)重于脈搏信號的測量。
透射式和反射式光電傳感器
　　3 光電式脈搏傳感器的制作
　　3.1 光敏器件
　　光電式脈搏傳感器由于采用不同的光敏元件有著多種實(shí)現(xiàn)方法, 其中光敏元件主要有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和硅光電池。在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器設(shè)計(jì)中, 通常采用的是獨(dú)立光敏元件, 利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)改變輸出的電流, 通常光敏元器件輸出的電流極低, 容易受到外界干擾, 而且對后續(xù)的放大器的要求比較嚴(yán)格, 需要放大器空載時(shí)的電流輸出較小, 避免放大器空載輸出電流對脈搏信號測量的干擾, 這樣對于普通的放大器就不能直接應(yīng)用在光敏元件的后端。
　　在本文中, 采用一種新型的光敏元件OPT101 , 該元件將感光部件和放大器集成在同一個(gè)芯片內(nèi)部, 這種集成化的設(shè)計(jì)方式有效地克服了后端運(yùn)算放大器空載電流輸出對光敏部件輸出電流的影響, 而且芯片輸出的電壓信號可以通過外部的精密電阻進(jìn)行調(diào)節(jié), 有利于芯片適應(yīng)整體的電路設(shè)計(jì), 同時(shí)芯片的集成化設(shè)計(jì)也能夠減小系統(tǒng)的功耗。

光電脈搏傳感器的噪聲分析與研制