光电传感器在脉搏测量中的应用
脉搏血氧饱和度测量方法
脉搏血氧饱和度测量方法1.脉搏血氧饱和度测量原理：脉搏血氧饱和度（SpO2）是指血液中氧气与氧化铁血红蛋白的结合程度，通常以百分比表示。
脉搏血氧饱和度的测量是通过红外线光源和光电传感器测量光的吸收情况来判断。
在红外线光源照射下，血液中的氧化铁血红蛋白和脱氧血红蛋白对红外光的吸收不同，光电传感器可以检测到透过组织的光线强度和光线的波形，从而计算出脉搏血氧饱和度。
2.脉搏血氧饱和度测量方法：（1）脉搏血氧饱和度测量仪器：常用的脉搏血氧饱和度测量仪器是脉搏血氧饱和度仪，其主要由红外线光源和光电传感器组成。
光源发出红外线光，经过组织后，光电传感器接收到透过组织的光线，从而测量出脉搏血氧饱和度。
（2）手指夹式脉搏血氧饱和度仪：手指夹式脉搏血氧饱和度仪是最常见的一种测量方法。
它通过将仪器中的红外线光源和光电传感器夹在患者的手指上（一般是无名指或食指），光线可以透过指头皮肤对血液中的氧化铁血红蛋白和脱氧血红蛋白进行测量，从而得到脉搏血氧饱和度值。
（3）耳夹式脉搏血氧饱和度仪：耳夹式脉搏血氧饱和度仪与手指夹式仪器基本原理相同，只是将仪器夹在耳垂上进行测量。
这种测量方法在特定情况下，比如手指受伤或生理状态改变的患者，可以提供更准确的测量结果。
（4）手腕式脉搏血氧饱和度仪：手腕式脉搏血氧饱和度仪是通过佩戴在手腕上的装置进行测量。
这种仪器一般由一个带有光源和光电传感器的传感器与一个显示屏组成。
通过将传感器佩戴在手腕上，仪器可以实时显示脉搏血氧饱和度值。
（5）便携式脉搏血氧饱和度仪：便携式脉搏血氧饱和度仪是一种小巧便携的测量仪器，适用于家庭和户外使用。
这种仪器一般由一块显示屏和一个夹式传感器组成，可以通过夹在手指上或别的部位进行测量。
3.脉搏血氧饱和度测量注意事项：（1）皮肤清洁：在进行脉搏血氧饱和度测量前，应确保测量部位的皮肤干净，无油脂和污渍，以免影响光的透过能力。
（2）手指选择：一般建议选择无名指或食指进行测量，这两个指头对应的血流量较高，结果更准确。
光电传感器在脉搏测量中的应用
光电传感器在脉搏测量中的应用姓名:时劭科专业:核工程与核技术班级:080211 学号:080211172011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。
引言一、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。
脉搏测量仪方案
脉搏测量仪方案概述脉搏测量仪（Pulse Measurement Device）是一种用于测量人体脉搏的设备。
它能够准确地测量心脏跳动的频率，并提供实时的脉搏波形数据。
脉搏测量仪可以应用于医疗领域，以监测患者的心率状况，也可以应用于健康管理领域，帮助个人监测自己的健康状态。
本文将详细介绍脉搏测量仪的工作原理、硬件设计和软件实现，以及相关的应用场景。
工作原理脉搏测量仪的工作原理基于光电传感技术。
当光线通过皮肤时，被皮肤的组织、血液和其他物质吸收或散射。
脉搏测量仪利用光电传感器感知皮肤上反射的光线，并通过对光线的变化进行分析来测量脉搏。
光电传感器通常由两个组件组成：发光二极管（LED）和光电二极管（Photodiode）。
LED发出特定波长的光，通常是红光或红外光。
光电二极管感应到反射的光，并将其转换为电流信号。
脉搏测量仪的工作流程如下：1.LED发出特定波长的光照射在皮肤上。
2.光电二极管感知到反射的光，并将其转换为电流信号。
3.电流信号经过放大和滤波处理。
4.通过算法计算脉搏波形和心率。
硬件设计主要组件脉搏测量仪的硬件设计主要包括以下组件：1.光电传感器：用于感知皮肤上反射的光线。
2.放大器和滤波器：用于放大和滤波电流信号。
3.微处理器：用于数据处理和算法计算。
4.显示屏和按键：用于显示和设置相关信息。
电路设计脉搏测量仪的电路设计主要包括以下几部分：1.光电传感器电路：包括LED和光电二极管，以及相关的驱动电路。
2.放大器和滤波器电路：用于放大和滤波电流信号，以便后续处理。
3.微处理器电路：包括微处理器、存储器和相关的接口电路。
外壳设计脉搏测量仪的外壳设计应考虑用户的使用体验和舒适度。
外壳应具有人体工程学设计，以便用户可以方便地握持设备，并确保光线可以有效地照射到皮肤上。
软件实现数据采集和处理脉搏测量仪的软件实现主要包括以下几个方面：1.数据采集：通过光电传感器采集到的电流信号。
2.数据放大和滤波：对采集到的电流信号进行放大和滤波处理，以减少干扰噪声。
脉搏测量
2.1 光电脉搏测量仪的结构
光电脉搏测量仪是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的用于检测脉搏跳动的红外光转换成电信号，用电子仪表进行测量和显示的装置。本系统的组成包括光电传感器、信号处理、单片机电路、数码显示、电源等部分。
（1）光电传感器
即将非电量(红外光)转换成电量的转换元件，它由红外发射二极管和接收三极管组成，它可以将接收到的红外光按一定的函数关系(通常是线性关系)转换成便于测量的物理量(如电压、电流或频率等)输出。
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，可以通过两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套在手指上，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。
4.3测量仪使用方法
5.系统调试
根据系统设计方案，本系统的调试可分为两大部分：模拟部分和纯MCU部分。由于在系统设计中采用模块化设计，所以方便了对各电路功能模块的逐级测试。断开两部分的连接点，先调试MCU部分。试着输入一系列脉冲（用适当的电阻接正极，间断性地输入），观察MCU部分能是否能显示；模拟部分用不透明的笔在红外发射二极管和接收三级管之间摇摆，借助示波器观察波形效果如何。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。最后将各模块组合后进行整体测试，使系统的功能得以实现。 1.放大倍数的增加
光电容积脉搏波原理
光电容积脉搏波原理引言：光电容积脉搏波（Photoplethysmography，PPG）是一种非侵入性的生物测量技术，通过测量皮肤血管中的血液容积变化来获取脉搏波信号。
该技术广泛应用于医疗领域，用于监测心率、血压、血氧饱和度等生理指标。
本文将介绍光电容积脉搏波的原理及其在临床中的应用。
一、光电容积脉搏波的原理光电容积脉搏波是基于光电效应的测量原理，通过红外光源照射皮肤组织，被照射的组织反射出的光线被光电传感器接收并转化为电信号。
当心脏搏动时，血液流动使得皮肤血管的容积发生变化，从而引起被照射组织的反射光强发生变化。
光电传感器将接收到的光信号转化为电信号，并经过放大和滤波等处理后，得到脉搏波信号。
二、光电容积脉搏波信号的特点光电容积脉搏波信号具有以下几个特点：1. 信号波形：脉搏波信号呈现出典型的起伏波形，其中的波峰表示心脏收缩时的血液流动峰值，波谷表示心脏舒张时的血液流动最小值。
2. 信号幅度：脉搏波信号的幅度与皮肤血管的血液容积变化有关，因此可以通过信号的幅度变化来反映血液容积的变化情况。
3. 信号频率：脉搏波信号的频率与心率有关，通过计算信号的周期，可以得到心率的信息。
三、光电容积脉搏波的应用1. 心率监测：光电容积脉搏波可以实时监测心率的变化，通过连续监测心率，可以及时发现心律失常等心脏疾病。
2. 血压监测：通过测量光电容积脉搏波信号的幅度变化，可以估计血压的变化趋势，从而提供血压监测的参考依据。
3. 血氧饱和度监测：光电容积脉搏波可以间接估计血氧饱和度，通过分析脉搏波信号中的波峰和波谷，可以得到血氧饱和度的信息。
4. 运动监测：通过测量光电容积脉搏波信号的幅度和频率变化，可以评估人体在运动过程中的代谢情况，为运动训练提供指导。
四、光电容积脉搏波的优势和局限性光电容积脉搏波作为一种非侵入性的生物测量技术，具有以下优势：1. 无创伤：不需要穿刺皮肤，避免了传统测量方法的疼痛和感染风险。
2. 实时性：光电容积脉搏波可以实时监测生理指标的变化，提供即时反馈。
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1. 皮肤与血液光学性质的研究PPG是一种利用皮肤对光的反射或透射来评价皮肤血流灌注有关信息的方法为了深入了解PPG的信息实质就需要有关于皮肤与血液光学性质的知识1981年Anderson等人对皮肤的光学性质进行了系统的研究认为在皮肤的表皮真皮和皮下组织的三层结构中各有不同的光学性质并由此提出皮肤的光学模型: 在50~150µm薄薄的表皮层中只吸收光而不散射在其下的1~4mm的真皮层中骨胶原产生的散射光将起主要作用光的穿透深度主要由它决定体内血液中的血小板氧合血红蛋白和胆红素是真皮中可见光的主要吸收者研究表明不同波长的入射光对皮肤的穿透深度是不同的如波长为250nm的光束对皮肤的穿透深度仅为2µm而当波长为1000nm红外光时其穿透深度可达到1600µm见图1所示因而Giltvedt等人指出以往PPG都是用红外光束作光源在此波长下记录到的信号代表了整个皮肤厚度上的动脉搏动信息它分辨不出皮肤不同深度的动脉血管床的变化因而就难以解释许多有关生理病理和药物对所得结果的影响他们提出在PPG的测量中可以用不同波长的光束来记录皮肤不同深度动脉搏动信息并由此记录到皮肤的血压值和皮肤血管的特征频率血液的光学特性研究表明血液对光束的吸收主要决定于血红蛋白中的氧饱和程度血液中的血红蛋白主要以氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)两种形式存在在波长为600~1000nm的连续光谱中HbO2和Hb 的光吸收系数存在显著的差异见图2其中吸收最大的差异发生在波长630~660nm之间1979年Challoner用650nm和805nm两种光束比较其PPG信号得出805nm光束的PPG信号与血中的氧含量无关1983年Yoshiya等人首次利用人体血液中HbO2和Hb对660nm的红光和940nm的红外光不同波长光吸收峰值不同的特点用PPG信号测出人体的血氧饱和度理论上只要找到光通过血液时某一成分的本征吸收峰值就可应用PPG技术对血液成分实现无创检测2. 光源波长对PPG信号的影响在PPG的应用中由光源和光电接收器组成的探头将与皮肤相接触发射光束将在皮肤组织和血液中反射吸收和散射目前已成为商品的PPG仪器其光源通常都使用波长范围为800~ 960nm的光发射二极管(LED)到达光电接收器上的光信号被转换成PPG电信号它与探头下皮肤血流容积变化相关并包含以下两个分量:(1) 缓慢变化的直流分量(DC)它一般可以假设为探头下皮肤的总血容量实际是由动脉血的非脉动部分静脉血和毛细管血部分以及肌肉组织等三部分的光吸收组成(2) 脉动变化的交流分量(AC)它同步于心率可假设为与动脉血容量相关主要反映脉动血的吸收情况交流分量一般其幅值为直流分量的1~2%且叠加在直流分量上如图3所示1984年Giltvedt等人在950和560nm两种波长下研究了其PPG信号的差别由于不同波长光束的穿透深度不同不同波长光束的PPG信号反映出不同深度血管床的信息其中950nm反映出的是皮肤深部小动脉信息而560nm反映出的是浅部微动脉信息为了研究光源波长在不同皮肤温度下对PPG信号的影响1991年Lindberg等人在四种不同波长(480560633和825nm)和在冷水(13ºE)及热水(42ºE)刺激导致两种局部皮肤温度下对人体皮肤血流灌注进行了详细的研究实验结果表明在温度刺激下皮肤在较深层次的组织与表面间建立起温度梯度在皮肤不同血管层水平的血流灌注将依次给出不同的变化如短波长有较浅的穿透深度在此层次水平上容易受温度的影响PPG信号中的交流分量可以检测到皮肤灌注的较大变化而在长波光束的作用下有较深的穿透深度在此层次组织的血流灌注较少受温度的影响发生在皮肤浅表处的血流灌注变化将被深层次的血流变化所掩盖研究同时表明温度刺激对PPG信号中的直流分量不太敏感可以认为温度刺激对PPG交流分量变化的百分比将比直流分量变化的百分比大得多因而大部分应用PPG检测血流容积变化的医学仪器其光源都是采用波长较长的红外光发光二极管3. PPG信号波形特征的研究PPG信号波形特征主要指交流分量幅值与波形变化的特征由于它是在显示器屏幕上能直接观察到的波形信号因而很多人就把它当作PPG信号的全部来研究而对同样重要的PPG信号的直流分量往往反而被忽视研究表明PPG信号波形特征主要应由心血管状态决定同时它又会受到检测时的环境温度呼吸姿势运动负荷甚至一些心理因素如焦虑和恐惧等的影响检测时应该控制这些因素使对波形的影响减至最小如环境温度最好保持在23ºE手指温度保持在32ºE这是血管舒张的最佳指标为了保持呼吸有规律被检测个体应松弛吸气不要太深还应安排一个轻松的环境以消除异常波形与基线漂移1990年Sherebin等人在仔细控制了这些影响因素后得出在年青健康的个体中PPG波形特征为上升沿陡峭下降沿出现重搏波切迹随着年龄的增加上升沿开始变缓慢在同样变得缓慢的下降沿中重搏波切迹逐渐消失使波形更加圆滑这是由于年龄增加粥状硬化与血小板斑块积累而引起动脉树分叉点处反射能量变化造成的此外在静止和运动状态下对PPG 波形进行了频谱分析得出不同次数的谐波功率谱有明显的差异从频域特性中可以获得比时域特性更多的有用信息4. 容积脉搏血流的模型研究国内外对PPG 的研究目前大多只是集中在检测方法与实验结果的分析上对容积脉搏血流所可能包含的信息特征研究得较少更没有从容积脉搏血流模型机理方面对PPG 信号作较为深入的理论分析由于过去在建立心血管模型时模型的输出一般只考虑到中小动脉时为止其下游的小动脉微动脉和毛细血管往往简单地用一集中参数的外周阻力来表示而容积脉搏血流实际上是描述这些小动脉微动脉和毛细血管微循环内血液流动的总体情况因而单纯的集中参数外周阻力反映不出容积脉搏血流的流动特征与生理特征从而丢失了许多有关容积脉搏血流与微循环的信息虽然国内外对由此建立起来的心血管模型(弹性腔模型弹性管模型)进行了大量有关桡动脉脉搏波传播与血流机理的研究工作在时域和频域中提取出桡动脉压力的各种生理病理信息并开发出一系列的血流参数无创检测仪器在临床上获得较好的应用但由于已有的心血管模型中缺少一个能反映容积脉搏血流的环节使容积脉搏血流的研究工作落后于桡动脉脉搏压力的研究工作从而限制了容积脉搏血流机理及其应用的进一步发展1994年北京工业大学生物医学工程中心罗志昌等人根据弹性腔理论建立起一个容积脉搏血流的微循环模型它由R L C 两阶线性系统组成见图4所示其中R 表示血液由大动脉进入小动脉微动脉以及流经毛细血管进入静脉时所受到的全部阻力L代表血液在小动脉和微动脉中的流动惯性它反映了血液在微循环中流动变化的难易程度C 表征毛细血管网的顺应性是一个度量毛细血管可扩张度的生理指标模型的输入P in 是桡动脉的脉搏压力模型的输出Q out 是容积脉搏血流模型的数学表达式为in out out out P RLC Q LC dt dQ RC dt Q d 11122=++ 用脉搏压力传感器和光电容积脉搏传感器分别对不同年龄和不同生理条件个体测量其桡动脉压力P in 和指端容积脉搏血流Q out 作为模型的输入和输出对模型进行参数辨识得出不同年龄生理条件下的模型参数R L C 可能的数值范围通过对不同参数的血流模型进行数值计算可得出不同生理状态下的容积脉搏血流波形与数值与实测的容积脉搏血流相比较两者相当接近说明模型是可信的见图5 根据血流模型可对容积脉搏血流机理进行分析得出它包含两个分量其中直流分量反映心搏出量的大小是心输出量外周阻力血管弹性等血流参数的主要度量交流分量虽然较小但其波形变化却能反映出微循环的优劣程度模型研究表明在临床上通过直接检测容积脉搏血流来监测心血管心搏出量外周阻力和血管弹性等血流参数是可能的从而为开发一种新型多功能多参数监护仪器提供一种新的方法三 PPG 的各种临床应用1. 人体组织血氧状态的测量由于血液中氧合血红蛋白(HbO 2)和脱氧血红蛋白(Hb)在红光和红外光区(600~1000nm)有独特的吸收光谱(见图2)因而使PPG 成为研究组织中血液成分尤其是血氧状态的简单而有效的方法早在1940年MilliKan 即已开始研究从人体前额无创检测动脉血氧饱和度的原理性装置随后许多国家的研究人员对无创测量动脉血氧饱和度和组织血氧饱和度的装置进行了各自的研究在他们所采用的无论是透射光法和反射光法中都以朗伯比尔定律(The Lam-bert-Beer Law)和光散射理论为基础利用氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的光吸收系数的差异来进行在红光区(600~700nm) HbO 2和Hb 的吸收差异很大而在红外光谱区(800~1000nm)其吸收差异较小当血氧饱和度变化时也就是HbO 2相对Hb 的浓度发生变化时血氧饱和度应该和光检测器上的660nm 和940nm 两个波长的相对光强之间存在较好的线性关系见图6血氧饱和度: SpO 2=A+BR 其中R=940940660660//DC AC DC AC ;A B 为标定常数 由此原理设计出的无创脉搏血氧计由于成本低安装维护方便使用时不需要校正是一种快速测量血氧饱和度的有效方法已成为当今国际上广泛采用的监护仪器可广泛用于手术室监护室急救病房运动和睡眠等各种临床应用中 在脉搏血氧计发展的同时利用PPG 法测量重要器官和组织血氧的研究工作也取得进展90年代初Mocormick 利用反射光谱及独特的深浅双光路对比检测的传感器设计完成了实用化的脑血氧饱和度测量装置的研制1994年由Somanetics 公司改进后推出第一种商品化的脑血氧计(INVOS3100)这种脑血氧计使用时将探头贴到前额偏离中心线处探头的LED 发光波长分别为730和810nm 两个接收器分别接收来自表层(头皮头骨)和深部脑组织的信息它所提供的结果告诉神经外科医生在神经外科手术前后的脑氧基础值及其动态变化情况使神经外科医生获得一个观测内脑氧水平的窗口提供有价值的颅内甚至麻醉状态下的信息脑血氧计为深低温停循环等情况下脑代谢活动的有效监测手段当循环停止几乎所有监护仪都不能正常工作时唯有脑血氧计仍能正确显示脑血氧值在其它脑供血监护方面也表现出可喜的应用前景肌血氧计是90年代由宾夕法尼亚大学Britton Chance提出并发展起来的一项高科技产品它检测的是生物组织尤其是骨骼肌中的含氧量检测时将探头贴放在肌肉表面双波长选择在760nm和850nm这两个波长对皮肤都有很好的穿透性利用两个不同波长光密度的和差来表示肌肉含氧量百分比和肌肉中血红蛋白肌红蛋白的浓度变化而肌红蛋白和血红蛋白的氧合程度共同决定肌血氧饱和度它是检测肌肉代谢功能和诊断肌肉病变的有力工具特别适用于运动过程中骨骼肌的检测利用PPG技术对血液成分的测量除了上述动脉血氧脑血氧肌血氧外近年来对人体血糖浓度也进行了许多研究工作1990年国内莫希等人利用葡萄糖的本征吸收光谱理论建立起人体血糖浓度的数学模型由于生物体组织对葡萄糖本征吸收峰值波长λg的幅射吸收很少而血液和血管周围组织液中的葡萄糖却容易吸收λg的幅射于是λg的容积脉搏血流信号中包含有血糖浓度信息通过对非葡萄糖物质的对照检测并根据数学模型即可计算出血糖浓度和最终实现连续无创定量地提取出人体的血糖浓度信息从理论上说人体血糖浓度的PPG方法可以推广到任何生物体中感兴趣的血液成分检测只要找到该成分的本征吸收峰值就有可能实现对其进行无创检测2. 外周血液循环功能的检测外周血管疾病与人体健康密切相关目前国内尚无无创诊断外周血管疾病的有效手段采用PPG原理通过检测皮下血流状态可以推导出外周动脉或静脉循环的功能状态由于人体皮肤中血液是主要的吸光物质其吸光因子大大超过周围非血组织的吸光因子心脏搏动时皮肤中的非血组织体积是不变的只有血液容积发生变化肢体静息状态下静脉血对光的吸收变化很小只有动脉血的容积随心脏搏动而周期变化因而产生的光吸收信号亦随心动周期而变化当肢体作功能试验时静脉血的容积随血液的排出与灌注变化很大而动脉容积这时的变化反而可以忽略因而所产生的光吸收信号将随静脉血的排出和灌注而变化从这些变化中可以得出外周动脉或静脉循环的功能状态为了能利用同一波长的光检测动脉血和静脉血的容积变化一般选取发光峰值波长为940nm的光作光源这时获得的动脉血脉搏波形和静脉血回流波形都较为理想目前国内林淑娟等人利用PPG原理已开发出外周血管功能测试仪可以检测出动脉系统疾病(如动脉硬化闭塞症等)和静脉系统疾病(如原发性深静脉瓣膜功能不全等)并可用于药物疗效观察和疗效机理研究3. 血压血流脉率等血流参数的无创检测容积脉搏血流包含丰富的心血管生理信息早在1973年Penaz根据容积补偿法原理首次发明了一种指端光电容积法非直接测量动脉血压的专利装置在此之后Yamakoshi和Wesseling等人先后分别成功地将红外光电容积脉搏描记仪(PPG)与手指袖带自动加压控制系统相结合间接地检测出人体的动脉收缩压和平均压其结果与常规的臂动脉内直接测量结果有很好的相关性这种指端动脉压力连续检测装置已在临床上实际应用随后Kawarado在上述成果基础上开发出一种便携式连续无创血压检测装置成功地观测到人体运动过程中血压的变化情况除动脉血压外动脉血流中的心搏出量更是重要的血流参数由于血流是在血管内流动要在人体外部无创地直接检测到它并不是很容易的目前一般都是通过检测出与血流相关而又比较容易检测到的一些物理量如压力温度阻抗等再经间接换算而得到如稀释法阻抗法脉波法等等由于PPG方法测出的信号本身就是动脉血流在循环系统封闭管路的特定情况下这动脉血流经标定后即代表心搏出量的大小因而用PPG方法去测量心搏出量应该说是简单而直接的也是很有吸引力的关键问题是如何对它进行标定由于用PPG方法测出的容积脉搏血流中包含有交流分量和直流分量两部分其中交流分量比较容易检测出它约占心搏出量的10~20%直流分量中不仅包含有动脉血还有静脉血和肌肉骨骼对它的影响而心搏出量的大部分又是由直流分量组成的这就给标定工作带来很大的困难所以目前用PPG测量心搏出量在临床上还没有得到真正的应用1996年北京工业大学罗志昌等人通过容积脉搏血流模型和不同人群的实际测量对血流进行标定所得结果表明在临床上用PPG方法检测心搏出量及其它血流参数是完全可能的这将为心血管血流参数的无创检测和临床监护提供一种新的更为简便的方法将会有良好的应用前景4. PPG在微循环研究中的应用PPG信号是由光电容积脉搏传感器中光源发出的光束透过皮肤浅表部位微循环的微血管(微动脉毛细血管等)并被其中的血液吸收或散射而得出检测到的透射光或反射光的强度将随微循环的变化而变化从而反映出微循环中血液的流动特征1994年中国中医研究院王怡等人利用PPG原理开发出能自动测定分析人体微循环状态的实用仪器该仪器能对PPG信号自动采集保存复现和分析得出包括主波高度切迹高度重搏波高度上升时间和下降时间等20余项参数其主要参数与甲襞微循环总积分密切相关因而能较全面地反映微循环的生理病理特征其中以时间或周期一类参数主要反映机体的生理机能故在健康人与患者之间和在微循环异常程度不同的患者之间均未见有明显的差异而以高度或速度为代表的一类参数则主要反映机体受到不同程度的病理损害状况它与患者的微循环和心功能异常程度密切相关表现出对机体病理变化的敏感性和对其异常程度良好的识别性1998年罗志昌等人通过对容积脉搏血流模型的理论分析和临床实际检测得出容积脉搏血流的波形特征能反映微循环的优劣程度并提出容积脉搏血流的波形特征系数K 来作为微循环优劣的度量其定义为K =d s d m M M M Q −−其中Q m =∫T 0Q(t)dt Q(t)为测量得到的指端容积脉搏波M s 为Q(t)的波峰M d 为Q(t)的波谷T 为心动周期临床检测表明K 与甲襞微循环的总积分有很好的相关性如K <0.45时微循环状况良好0.45<K <0.5时微循环状况一般而当K >0.5时微循环状况较差可为临床提供一种简便易行可靠的检测手段见图75. PPG 估计呼吸容量呼吸率与呼吸容量是呼吸系统的重要参数对运动员选材与危重病人的监护等都十分重要目前PPG 的大部分应用都集中在心血管系统方面1992年Lindberg 等人提出应用PPG 可以监测呼吸率与心率在PPG 信号的功率谱中包含有明显的分别与心率呼吸率相关的峰值同时指出在PPG 信号中除与心率同步变化外它还包含一个所谓呼吸诱发强度变化信息(Respiratory-Induced Intensity Variations RIIV)它反映由呼吸引起的使静脉回流到胸廓和右心时的变化这个调制作用借助于静脉系统传递到外周血管床并在PPG 信号中观察到1992年Lindberg 已经用RIIV 信息监护呼吸率1998年Johasson 和Öberg 从16个正常志愿者的PPG 信号中提取到RIIV 通过与呼吸速度记录仪同步得到的呼吸容积相比较发现RIIV 信号幅值与呼吸容积间存在相关性由于目前记录呼吸容积所用的方法如肺活量计呼吸速度记录器等都不适用于临床长时间监护因而从PPG 信号中获取呼吸容量信息的方法将使许多人感兴趣从监护的角度看PPG 方法可以免除将通气管插入病人体内进行呼吸监护将会大大减少病人的痛苦因而受到医护人员的欢迎目前呼吸容量PPG 的实验与模型研究都在进行相信不久的将来有望开发出实用型仪器用于临床四 结束语由上可见PPG 信号中包含有人体循环系统呼吸系统等许多生理病理信息在人体血压血流血氧脑氧肌氧血糖脉率微循环血管阻力呼吸率呼吸量等参数的无创检测中都有很好的应用前景虽然由于红光红外光与人体组织相互作用的机理十分复杂影响它的因素也比较多我们对容积脉搏血流本身的机理了解和研究得还很不够加上对血流标定工作的困难因而在临床上真正应用PPG开发的医疗仪器还十分有限目前应用得最为广泛和成功的是监护仪中的血氧和脉率检测成为所有监护仪中PPG所能检测到的两项常规指标相信随着PPG基础研究工作的进一步开展和人们对这项技术的更深入了解它必将开拓出更为广泛的应用领域PPG方法所具有的无创性且检测方便操作简单性能稳定重复性好安全无交叉感染等许多优点使其不仅可用于医院中的临床检测监护急救体能测试还可应用于社区和家庭医疗保健并具备联网扩展功能可以组建家庭社区和医院的医疗网络在这些方面将都会有很好的应用前景(全文完)。
光电监测心率方案
光电监测心率方案1. 引言光电监测心率是一种非侵入式的监测心率的方法，通过使用光电传感器来检测心率的变化。
本文将介绍光电监测心率的原理、应用场景、硬件和软件方案，以及相关的优缺点和注意事项。
2. 原理光电监测心率的原理基于反射式光电技术。
通过一个发光二极管（LED）发出红外光或绿色光，血液中的红色血红蛋白能够吸收这些光线，而血液中的脉搏会导致血液的流动和光线的吸收程度发生变化。
光电传感器接收到反射回来的光线，并通过计算光线的变化来获取心率数据。
3. 应用场景光电监测心率方案广泛应用于健康监测设备和运动追踪设备中。
以下是一些常见的应用场景：•智能手环和智能手表：通过佩戴在手腕上的设备，可以实时监测用户的心率，并提供健康报告和提醒功能。
•运动耳机：通过在耳机上集成光电传感器，可以在运动过程中监测用户的心率，为用户提供运动数据和健身建议。
•医疗设备：光电监测心率方案也可以应用于一些医疗设备中，用于监测和记录患者的心率变化。
4. 硬件方案4.1 发光二极管（LED）选择合适的发光二极管是设计光电监测心率方案的重要一环。
常见的有红外光LED和绿色光LED两种选择。
红外光LED对肤色的影响较小，适用于长时间佩戴，但对环境光的影响较大。
绿色光LED的环境光干扰较小，但对皮肤过敏较敏感的人可能产生不适。
4.2 光电传感器光电传感器用于接收反射回来的光线，并将其转换为电信号。
常见的光电传感器有光电二极管（Photodiode）和光电三极管（Phototransistor）。
光电二极管具有较高的灵敏度和响应速度，适用于高精度的心率监测。
光电三极管灵敏度较低，但成本更低。
4.3 信号处理器信号处理器主要用于对光电传感器的信号进行滤波、放大等处理，以提取出准确的心率数据。
常见的信号处理器包括专用的心率处理芯片和通用的微控制器（MCU）。
4.4 供电和通信模块光电监测心率方案通常需要电池供电，并通过蓝牙、无线电频率等模块与手机或其他设备进行通信。
数字脉搏计的原理及应用
数字脉搏计的原理及应用1. 数字脉搏计的原理• 1.1 工作原理数字脉搏计是一种非侵入式的医疗设备，用于检测人体的血氧饱和度（SpO2）和心率。
它通过红外线光源和光电传感器测量血液中的脉搏信号，并将其转化为数字信号进行处理和显示。
• 1.2 红外光传感技术数字脉搏计使用红外光传感技术来测量血液中的氧饱和度。
红外光通常被血红蛋白吸收，因此当血液中的血红蛋白含氧量发生变化时，血液对红外光的吸收也会发生变化。
光电传感器可以检测到这些变化，并将其转化为电信号。
• 1.3 脉搏信号处理数字脉搏计通过对脉搏信号进行处理，可以得到心率和血氧饱和度等参数。
常见的处理方法包括：–滤波：对信号进行滤波处理，去除噪声干扰。
–FFT变换：将信号转换为频谱分析，以获得频率和幅度信息。
–计算血氧饱和度：根据血红蛋白的吸收特性，计算血氧饱和度的数值。
2. 数字脉搏计的应用• 2.1 临床监护数字脉搏计广泛应用于临床监护领域。
医护人员可以通过数字脉搏计实时监测患者的血氧饱和度和心率。
在手术过程中，医生可以根据数字脉搏计的数据调整麻醉剂和氧气输送量，以保证患者的安全。
• 2.2 运动健康监测数字脉搏计也逐渐应用于运动健康监测领域。
运动爱好者可以佩戴数字脉搏计进行运动时的心率和血氧饱和度监测。
通过监测数据，运动者可以了解自己的身体状况，调整运动强度，避免过度运动对身体造成的伤害。
• 2.3 家庭护理数字脉搏计也可以用于家庭护理。
家庭护士可以使用数字脉搏计定期监测老人或患病者的血氧饱和度和心率。
通过定期监测，家庭护士可以及时发现异常，提醒患者及时就医或调整治疗方案。
• 2.4 研究和教育数字脉搏计在医学研究和教育中也有重要应用。
研究人员可以使用数字脉搏计进行生理实验，研究人体的血氧饱和度和心率等变化规律。
教育机构可以使用数字脉搏计进行医学教学，让学生更直观地了解人体生理参数的检测方法和结果解读。
3. 结论数字脉搏计通过红外光传感技术测量血氧饱和度和心率，其原理简单而有效。
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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
通过计算我们可以得到RC
f π210=，通过对R 、C 值的合理选择，可以使 f 0=20 Hz 。
（4）光电脉搏传感器的机械结构
在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅有包含脉搏信息的反射光的信号，而且有测量环境下的背景光信号，由于动脉波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。
同时，在脉搏测量过程中，手指和光电式脉搏传感器可能产生相对运动，会使脉搏测量产生误差。
基于上述考虑，本仪器采用特制的指夹封装形式，提高其抗机械运动性，整个外壳采用不透光的介质和颜色，尽量减小背景光的影响。