光电容积脉搏波描记法原理及其在临床上的应用
光电容积描记技术原理及其应用
光电容积描记技术原理及其应用
哇塞！今天我要来给大家讲讲一个超级厉害的东西，叫光电容积描记技术！这名字是不是听起来有点拗口？别担心，听我慢慢说，保证让你搞明白！
你有没有想过，我们的身体里藏着好多好多的秘密，而光电容积描记技术就像是一个神奇的侦探，能帮我们发现这些秘密。
先来说说它的原理吧。
光电容积描记技术啊，就好像是一束光在我们身体里旅行。
这束光会照进我们的皮肤，然后通过检测血液对光的吸收和反射，来了解我们身体里血液流动的情况。
这就好比我们在黑暗中拿着手电筒，通过看到物体反射的光来判断物体的位置一样，是不是很神奇？
那它都能用在哪些地方呢？比如说，在医疗领域，医生可以用它来检测我们的心率。
想象一下，医生就像拿着一个魔法棒，通过这个技术就能知道我们的小心脏跳得是不是正常。
还有哦，它能监测我们的血氧饱和度。
这可太重要啦，就像我们汽车需要足够的油才能跑起来，我们的身体也需要足够的氧气呀。
在运动领域，它也大有用处呢！运动员们可以用它来了解自己在运动时身体的反应。
比如说，“我今天跑步是不是太累啦？我的身体能不能承受这样的强度？”光电容积描记技术就能给出答案。
在日常生活中，一些智能手表和手环也用到了这个技术。
“哎呀，我今天是不是太紧张了，心跳怎么这么快？”一看手表就知道啦。
你说，这光电容积描记技术是不是特别厉害？它就像一个默默无闻的小卫士，在我们身边守护着我们的健康。
我觉得啊，随着科技的不断进步，光电容积描记技术肯定会变得更厉害，能帮我们发现更多身体的秘密，让我们的生活变得更健康、更美好！。
指端光电容积脉搏波测量实验
低压电源
光电转换器
心电图机
图 1 仪 器联结图
图 2 指端 光电脉波图 完成记录波形图( 见图 3) 后, 于 波形图上取如下参数:
h1指从主波的顶点到基线的距离, 单位以毫米 计, 它反
映 微血管 床的最 大血量, 还可 以反映 出末梢 循环血液 充盈 程 度。
( h1- h2) / h1 以百分数 表示, 标 示降中峡 离主波顶的 相 对 距离, 说明切 迹高度, 反映 外周阻 力和血 管顺 应性的 大小。 当 外周阻力增加和动脉 管壁弹性降低时, 舒降压升 高, 使主 动 脉瓣提前关 闭, 因而切迹位置高, 反之则低。
实 验者端坐, 把左手放入实验台上, 并将右手无名指伸 入传感器的 暗盒中, 打开电源, 观察其脉动情况。
按 下 “ST A RT ”( 走 纸) 键 则 可 描 记 波 形 图。按 下 “CH ECK ”键, 停止走纸。
分 别在衰减为“1”与“2”时观察 并走纸到出现 8 个完整 的波形后复 位, 关机。
1 实验器材
ECG-ห้องสมุดไป่ตู้511 型 心 电图 机 一 台, 暗 盒 式 光 电 换 能 器 一 个, JI201-2 低压 电源仪一台( 或 1. 5V 电池四节) , 导联线 , 导线若 干。
2 原理与说明
由于每 次心跳都有少量血液 流入手指, 使小动脉网 扩张, 然后 经过毛 细血管 前括约 肌进入 毛细血管 床, 流入静 脉后返 回心脏。毛 细血管前括约肌的阻 力和毛细血管床的 容量较大 使小动脉的搏动减弱。正 常生理情况下, 毛细血管和静脉不搏 动, 只有小动脉搏 动。用 一束光透照手指可 检测这种搏 动, 心 脏 收缩时 手指血 容量最多, 因 而光吸收 量也 最大。心 脏舒张 期, 手指血流量最少, 光吸收量也最小。所以, 光吸收量的变化 反应了 这种变化。容积脉搏波测 量仪是根据光在组 织中的透 过率 比在血 液中的 透过率 大得多 的现象这 一特性 而设计 的, 实验 选用 SRS-355B( 日本产) 硅光电池作 为光电传感器, 接受 透过 指端微 血管床 的脉动 变化的 光并转换 为电信 号, 与心电 图 机连接 ( 连 接方式 见图 1) , 走纸速 度为 25mm/ s, 得 到光电 脉搏图。指 端光电容积脉搏图的 幅值依赖透过指端 微血管床 照射 到硅光 电池上 光的强 弱, 也 可以认 为依赖 透过指 端微血 管床的血红素含量, 含量愈高, 透射光愈弱。为分析方便, 将波 形反过来记录( 见图 2) 。
基于光电容积脉搏波描记法的无创血红蛋白浓度检测技术的研究共3篇
基于光电容积脉搏波描记法的无创血红蛋白浓度检测技术的研究共3篇基于光电容积脉搏波描记法的无创血红蛋白浓度检测技术的研究1基于光电容积脉搏波描记法的无创血红蛋白浓度检测技术的研究随着医疗技术的不断发展，人们越来越关注健康问题，而血红蛋白浓度是一个重要的生理指标。
传统的测量方式需要抽取血样，可能会引起疼痛、感染等副作用，而且麻烦和耗时。
因此，无创血红蛋白检测技术应运而生，光电容积脉搏波描记法是其中一种新兴技术，被广泛研究和应用。
光电容积脉搏波描记法是利用光电容积传感器或称为脉搏波传感器，测定皮肤表面脉搏波信号，进行各种生理信息的计算和测量，其中包括心率、血压、身体阻抗、呼吸等生理参数。
而该技术能够完全无创地测量血红蛋白浓度，只需要将脉搏波传感器固定于人体经脉或切口周围，建立脉搏波信号，然后通过信号的分析和处理，即可得到血红蛋白浓度数据。
该技术的基本原理是基于血红蛋白分子在光谱范围内吸光度的特征，光电容积传感器依照皮肤颜色和厚度，使用近红外光谱中的两个光波（805nm和940nm），通过测量血红蛋白所吸收的光，计算出血红蛋白浓度。
同时，该技术还可以消除皮肤血管血夹层对信号测量的影响，从而获得准确可靠的数据。
与传统的血样测试相比，该技术具有明显的优点。
首先，它是非侵入性的，不需要采取血液样本，降低了患者不适和感染的风险。
其次，该技术可以实现快速、准确、可重复性和连续测量，具有个性化的特点。
特别是对于糖尿病患者等需要频繁测量的患者，可以大大降低病人的痛苦和繁琐过程。
然而，光电容积脉搏波描记法也存在一些问题和挑战。
首先，传感器的信号受到环境因素的干扰，如温度、湿度、体位、运动等。
因此，应对数据的干扰与处理变得尤为重要，要兼顾数据的准确性和稳定性。
其次，脉搏波信号的测量需要考虑到器具的选择和不同人群的年龄、性别和身体状况的影响，因此需要建立专门的模型和算法，以增加测量数据的精确度和可靠性。
在未来的研究中，光电容积脉搏波描记法将继续深入研究和应用。
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)。
光电容积脉搏波描记法原理、应用及其电路设计
北京 ： 北京航 空航 天大学出版社 ， １ ９ ９ ８ ．
［ ５ ］曹全新 ． 航 空电子综合仿 真 系统研 究 【 Ｊ 】 ．
测控 技 术 ， ２ ０ ０ ７ ．
员座椅、机械师座椅和万 向机械臂等组成 ，如
图 ２所 示 。
（ ５ ）其他机柜 ：包括 无线 电设备激励柜 、
作者简介
赵 永红，女，现为中航 通飞研究院有限公 司主
ＮＩ ． Ｒ Ｉ Ｇ、航 电设备柜 。 模拟座舱 中的操纵系统和模拟件等通过 Ｉ ／ 非航 电系统 ＭＩ
０计算机与飞行仿真系统进 行铰接 ， 航 电系统 、 ４总结 顶部控制板等真件直接与飞行仿真系统交联 ，
＜ ＜上 接 １ ３ １页
主控台上安装 的试验 软件主要包括 ：Ｉ ＣＤ 开发与管理工具；硬线连接管理软件 ；试验健
实现仿真模型与参试设备的半物理仿真。数据 服务器能够将 Ｉ ／ Ｏ接 口采集 的数据 连同时钟 同
台和条件 。
康监控管理软件 ；自动化测试软件 ；航 电仿真 步信息进行保存 。 参考文献 管理软件；综合配线 ／ 配 电管理软件 ；Ｉ Ｏ资源 （ ２ ）Ｉ ／ ｏ接 口柜：在 试验 台与真 件设 备 ［ １ 】 飞机 设计手 册 ． 第１ ７ 分册 ［ Ｍ ］ ． 北京 ： 航 配置与数据激励软件；试验数据采集监控管理 间搭建桥梁，为仿真模型提供硬件接 口资源 ，
空 工 业 出版 社 ， ２ ０ ０ １ ．
【 ２ 】新 航 空概 论 【 Ｍ 】 ．北 京 ：航 空 工 业 出 版
社 ， ２ ０ １ ０ ．
［ ３ ］ 莫伊 尔等著 ． 范秋 丽等译 ． 民用航 空电子
系统 ［ Ｍ ］ ．北京 ： 航 空工业出版社 ， ２ ０ ０ ９ ． … ４ 王行 仁 ．飞 行 实 时仿 真 系统及 技 术 ［ Ｍ ］ ．
光电容积脉搏波描记法(PPG)测试足球运动员赛时心率的准确性研究
尽管PPG采集心率数据时具有诸多优势，但是要将采集到 的数据运用于指导运动锻炼、竞技运动训练和相关科学研究， 必须先对该方法跟踪获得的运动中人体心率数据的准确性进行
间、70-79%最大心率比赛时间、60-69%最大心率比赛时间、 <60%最大心率比赛时间7个测试指标。通过对比两个测试模 块生成的每名被试的每一项指标的均值、标准差、标准化均 值变化(Standardised Change in Mean，SCM)、标准化典型误差
基于光电容积脉搏波的抗运动心率及血氧提取算法研究
基于光电容积脉搏波的抗运动心率及血氧提取算法研究一、本文概述随着科技的进步和人们对健康的日益关注，心率和血氧等生理参数的实时监测已成为一种常见的健康管理方式。
特别是在运动场景下，对心率和血氧的准确监测更是对运动员健康和运动表现的重要保障。
然而，运动状态下的生理参数提取受到多种因素的干扰，如身体运动引起的信号噪声、环境变化等，使得准确提取变得困难。
因此，研究一种能够在运动状态下准确提取心率和血氧的算法具有重要意义。
本文旨在研究基于光电容积脉搏波（Photoplethysmography，PPG）的抗运动心率及血氧提取算法。
文章将介绍光电容积脉搏波的基本原理及其在心率和血氧监测中的应用。
接着，文章将分析运动状态下心率和血氧提取面临的挑战，如信号噪声、运动伪影等问题。
然后，文章将详细介绍所研究的抗运动心率及血氧提取算法的设计和实现过程，包括信号预处理、特征提取、算法优化等方面。
文章将通过实验验证所提算法的有效性和准确性，为运动健康监测技术的发展提供有力支持。
本文的研究不仅有助于提升运动状态下生理参数提取的准确性，还为相关领域的算法研究和应用提供了有益的参考。
本文的研究成果对于推动运动健康监测技术的发展，提高运动员的训练效果和健康管理水平具有重要的现实意义和应用价值。
二、光电容积脉搏波理论基础光电容积脉搏波（Photoplethysmography，PPG）是一种无创、非侵入性的生物医学信号测量技术，它基于光在人体组织中的传播和吸收特性来检测和分析生理信号。
其理论基础主要涉及到光在生物组织中的散射和吸收、动脉血容积变化与光强的关系，以及光电转换原理。
当光线通过人体组织时，会发生散射和吸收两种主要的光学现象。
散射是由于光线在组织中的微小颗粒（如细胞、红细胞等）上发生方向改变，而吸收则是由于组织对光能量的消耗。
在PPG测量中，这两种现象都会影响到光信号的强度和形态。
PPG信号主要反映的是动脉血容积的变化。
当心脏收缩时，动脉血容积增加，导致更多的光被吸收或散射；而在心脏舒张期，动脉血容积减少，光在组织中传播时受到的阻碍相应减少。
基于光电容积脉搏波描记法的无创连续血压测量
基于光电容积脉搏波描记法的无创连续血压测量
李章俊;王成;朱浩;金凡;马俊领
【期刊名称】《中国生物医学工程学报》
【年(卷),期】2012(031)004
【摘要】为了摆脱传统血压计充气袖带的束缚、实现长期连续的血压监测,很多学者开展了基于PPG实现无创、连续血压监测的研究.阐述基于光电容积脉搏波描记法( PPG)实现无创、连续血压测量的基本原理.将当前基于PPG无创血压监测的研究分为3类,分别为心电(ECG)与PPG结合的血压测量技术、两路PPG结合的血压测量技术、脉搏波特征参数血压测量技术,分析这3类技术的基本测量原理、测量精度及其优缺点.在此基础上,论述基于PPG实现无创、连续监测血压的发展方向.【总页数】8页(P607-614)
【作者】李章俊;王成;朱浩;金凡;马俊领
【作者单位】上海理工大学医疗器械与食品学院,上海 200093;上海理工大学医疗器械与食品学院,上海 200093;上海理工大学医疗器械与食品学院,上海 200093;上海理工大学医疗器械与食品学院,上海 200093;上海理工大学医疗器械与食品学院,上海 200093
【正文语种】中文
【中图分类】R318
【相关文献】
1.基于SWT和ANN的无创连续血压测量方法研究 [J], 吴育东;钟舜聪;沈耀春
2.基于光电容积脉搏波描记法的反射型PPG信号传感器的设计 [J], 周一峰;刘超英;黄虎;郭一鸣;邹林方
3.基于脉搏波特征参数的无创连续血压测量研究进展 [J], 郑嘉强;程云章;边俊杰
4.基于BP神经网络的无创连续血压测量模型 [J], 成刚;查晓俊
5.基于示波法和光电容积脉搏波描记法的动脉顺应性动态检测仪 [J], 赵安;吴宝明因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于光电容积脉搏波描记图形面积与充血性心力衰竭的相关性
基于光电容积脉搏波描记图形面积与充血性心力衰竭的相关性2 赣南医学院第二附属医院心电图室中国赣州摘要背景：充血性心力衰竭（congestive heart failure，CHF）患者入院后需要快速评估容量负荷情况来制定下一步诊治，而光电容积脉搏波（photoplethysmography，PPG）可以准确地指示微循环容量状态并指导诊断工作。
我们的假设是，基于光电容积脉搏波的面积与心力衰竭关系密切。
方法：研究人群来自中国赣州市立医院，根据纳入标准筛选，患者在到达医院后24小时内完成了光电容积脉搏波扫描和生物化学指标检测，在光电容积脉搏波下测量面积图像。
采用t检验或方差分析比较不同组别之间的差异。
随后我们采用了Spearman相关分析。
对PPG面积于NT-proBNP、左室射血分数（Left Ventricle Ejection Fractions，EF）进行Spearman相关性分析。
结果：本研究共纳入311名成年人，其中135人(43.4%)发生CHF。
与非CHF组比较，CHF组的年龄、吸烟史、NT-proBNP、EF以及PPG面积差异有统计学意义(p＜0.05) 。
Spearman相关分析结果显示PPG面积与左室射血分数密切相关（r= 0.25, P＜0.01），PPG面积与NT-proBNP密切相关（r= −0.4, P＜0.01）。
结论：我们结果证明，CHF患者PPG面积明显低于非CHF患者，光电容积脉搏波的面积与心力衰竭关系密切。
关键词：心力衰竭、脉搏波、相关性、曲线下面积、射血分数前言充血性心力衰竭（congestive heart failure，CHF）是一种常见且严重的心血管疾病，作为各类心脏疾病的终末阶段，对患者的生活质量和预后产生重大影响，且其发病率高、死亡率高、费用高而成为一个重要的医疗问题[1]。
因此准确诊断和评估充血性心力衰竭的方法显得尤为重要。
光电容积脉搏波（photoplethysmography，PPG）描记图形作为一种新的非侵入性指标，近年来在心血管领域的研究中受到了广泛的关注。
光电容积脉搏波描记法对阻塞性睡眠呼吸暂停综合征的诊断价值(新)
生堡医堂盘盍垫！！生！旦丝旦筮堑鲞筮！！翅盟丛丛塑』￡！ｉ塑：丛型丝：垫！！：！！！煎，堕坠！里
１５２７・
．临床研究．
光电容积脉搏波描记法对阻塞性睡眠呼吸
暂停综合征的诊断价值
潘虹黄国平任蓉雷飞 【摘要】 唐向东
目的探讨光电容积脉搏波描记法（ＰＰＧ）对阻塞性睡眠呼吸暂停综合征的诊断价值。
方法纳入２０１４年３月至２０１５年３月在四川大学华西医院睡眠中心就诊的打鼾患者，行整夜睡眠 呼吸监测（ＰＳＧ）同时监测ＰＰＧ，以ＰＳＧ为金标准，评估ＰＰＧ所得总睡眠时间、入睡后觉醒时间、呼吸 暂停低通气指数（ＡＨＩ）及血氧饱和度等的一致性，计算灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值及 Ｒｏｅ曲线下面积。结果共９３例患者纳入研究，其中男６４例，女２９例，平均年龄（４４－Ｉ－１３）岁。ＰＰＧ 所得总睡眠时间、入睡后觉醒时间、ＡＨＩ及血氧饱和度与ＰＳＧ间差异无统计学意义。两者ＡＨＩ呈正
况。Ｍｏｒｐｈｅｕｓ Ｏｘ系统不仅可以反映患者ＡＨＩ水
１．人口学特征：纳入患者９３例，其中男６４例 （６８．８％），女２９例（３１．２％），平均年龄（４４±１３） 岁，平均体质指数（ＢＭＩ）（２６±４）ｋｇ／ｍ２。 ２．ＰＳＧ和ＰＰＧ监测所得睡眠呼吸参数比较：二 者ＡＨＩ、总睡眠时间、人睡后觉醒时间等指标间差异 均无统计学意义（均Ｐ＞０．０５）（表１）。同时ＰＰＧ 与ＰＳＧ所得ＡＨＩ一致性较好，呈正相关（ｒ＝０．９４５，
吕伟__基于光电容积脉搏波的无创血压检测技术的研究
中文图书分类号：R318.6密级：公开UDC：38学校代码：10005硕士学位论文MASTERAL DISSERTATION论文题目：基于光电容积脉搏波的无创血压检测技术的研究论文作者：吕伟学科：生物医学工程指导教师：张松论文提交日期: 2009.04国内图书分类号：R318.6单位代码：10005学号：S200615033密级：公开北京工业大学硕士学位论文题目基于光电容积脉搏波的无创血压检测技术的研究英文并列The Study of non-invasive blood pressure题目measurement based on PhotoPlethysmograph Pulse wave研究生姓名：吕伟专业：生物医学工程研究方向：生物医学电子学与仪器导师姓名：张松职称：副教授论文报告提交日期：2009-04学位授予日期授予单位名称和地址：北京工业大学（北京市朝阳区平乐园100号）独 创 性 声 明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名： 日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名： 导师签名： 日期：摘要摘要动脉血压是人体重要的生理指标之一，能够反映出人体心脏和血管的功能状况，是临床上诊断疾病、观察治疗效果的重要依据。
在当前的血压检测技术中，普遍存在可操作性差的问题，而且人体血压随着生理周期、个人情绪、外界和内在的各种刺激而产生变化，具有明显的波动性。
基于光电容积脉搏波描记法的无创连续血压测量
当血 液 流 过 外 周 血 管 中 的 微 动 脉 、 细 血 管 和 毛
微 静脉 等微 血管 时 ， 部 分 微 血 管 的 血 液容 积 在 心 该
收 稿 日期 ：０ ２ １０ ， 用 日期 ：０ ２０ －６， ２ １ － －８ 录 ０ ２ １ －６０ 基 金 项 目 ： 海 市 科 委 ２ １ 年 度 “ 技 创 新 行 动 计 划 ’ 物 医药 领 域 产 学 研 医合 作 项 目（ １ Ｚ ９ １ ０ ） 上 ０１ 科 生 １ Ｄ １２ ７３
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收器 组成 的探 头与 皮 肤 相接 触 ， 发射 光 束 将会 与皮 肤组 织 以及 血 液 发 生 反 射 、 收 和散 射 ， 电接 吸 光 收器 接 收光信 号并 转 换 为 电信 号 ， 而反 映 出容积 从 脉搏 波 的脉动 情 况 ， 此方 法 获 得 的 信 号 叫做 Ｐ Ｇ 用 Ｐ
被测 对象 的 手臂 或者 手 腕 等 测 量 位 置 产 生 压 力 ， 使 被测 者 产 生 不 适 感 。 连 续 血 压 监 测 能 够 让 人 们 了
ｄ ｉ １ ． ９ ９ ｊ ｉｓ ０ ５ —０ １ ２ ２ ０ ． ０ ｏ： ０ ３ ６ ／ ．ｓｎ． ２ ８８ ２ ． ０１ ． ４ Ｏ
基 于 光 电容 积 脉 搏 波 描 记 法 的 无 创 连 续 血 压 测 量
李章俊 王 成
摘
朱 浩 金 凡 马俊领
（ 海 理 工 大 学 医疗 器械 与 食 品 学 院 ， 海 ２０ ９ ） 上 上 ００ ３
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光电容积脉搏波描记法原理、应用及其电路设计
光电容积脉搏波描记法原理、应用及其电路设计摘要本文简述了光电容积脉搏波描记法原理及其应用，介绍了人体外周血管中光电脉搏信号检测电路设计。
【关键词】光电容积脉搏波描记法脉搏信号1 前言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、强度、速率和节律等方面的综合信息，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。
随着科学技术的发展，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法。
利用血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍的特点，可通过传感器对脉搏信号进行检测，这种技术具有先进性、实用性和稳定性，同时也是生物医学工程领域的发展方向。
2 光电容积脉搏波描记法原理及应用简述光电容积脉搏波描记法（Photo Plethysmo Graphy，下文简称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检测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，故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。
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。
光电容积脉搏波
光电容积脉搏波
光电容积脉搏波（PAC）是一种有节奏的脉搏，其频率可以在每分钟几十次到数百次之间变化。
PAC由一系列短暂的光电容积峰组成，其强度随每一个脉冲的时间而减弱。
PAC主要由人或动物视觉系统中的degenerate型受体细胞发出。
光的脉冲来源于神经轴突的放电，其脉冲强度处于低到中水平，脉冲速率将大概位于每分钟几十次到数百次之间。
PAC波可用于研究视网膜及其他视觉系统的功能，可以用于了解视网膜神经元以及视觉逃避反应活动的相对快慢，以及模拟类似视觉系统的传感器的性能。
光电容积脉搏波采集系统设计及课程应用
光电容积脉搏波采集系统设计及课程应用作者：李华梁永波朱健铭肖文香张倩来源：《中国教育技术装备》2023年第23期摘要為了提高生物医学工程专业学生医学电子仪器设计能力，实现电子信息特色与生物医学工程专业内涵的深入融合，开发了一套光电容积脉搏波采集系统。
该系统以微控制器STC89C52为核心，采用标准医用血氧饱和度探头NELLCOR DS-100A对人体脉搏波信号进行采集。
信号调理部分融合了电压跟随电路、电流转电压电路、有源带通滤波放大电路，有效地实现了nA级光电流信号至毫伏级电压信号的调理。
通过本实验项目的锻炼，能够使学生对医学电子信号有更清晰的认识，具备基本的医学生理测量系统设计能力。
关键词医学电子仪器；光电容积脉搏波；信号调理电路中图分类号：G642.423 文献标识码：B文章编号：1671-489X（2023）23-0016-070 引言血氧饱和度是反映人体呼吸、循环功能的一个重要生理参数，是衡量人体血液携带氧的能力指标[1]。
血氧饱和度的测量方法有电化学法和光学法两种[2]，电化学法的测量结果精确，但是会有创伤，而且操作复杂，实时性差[3]。
光学法是随着科学技术的进步而发展起来的无创测量技术，其测量结果越来越精确，被广泛应用于临床等各个领域。
光学法是无创的，使用血氧探头获取信息，不需要刺穿动脉获取血液[4]。
同时，它可以连续测量，操作方便。
新冠肺炎病人的心肺功能受到很大影响，特别是重症病人，血氧饱和度小于93%，表现的症状为休克和呼吸衰竭等[5]。
指套式血氧仪在新冠疫情期间使用广泛，是一种重要的医学电子仪器[6]。
因此，医学电子仪器设计和接口技术实验课程结合课程思政，以单片机为核心，将传感器、模电电子技术、数字电子技术、人体解剖学等知识交叉融合[7]，设计了一套光电容积脉搏波采集系统。
该系统设计体现了生物医学工程专业学科融合的特点，既体现了专业的特色与内涵，又具有一定的综合性和探索性，提高了学生解决复杂工程问题的能力[8]。
光电容积脉搏法
光电容积脉搏法简介光电容积脉搏法是一种非侵入性的心率和脉搏波形监测技术，通过检测光线在血液中的吸收变化来间接测量心率和血流动力学参数。
本文将对光电容积脉搏法的原理、应用以及优势进行详细探讨。
原理光电容积脉搏法基于光吸收定律，利用LED光源发射的光线经过血液时会被不同程度地吸收，血红蛋白对红光和红外光的吸收率不同，这种差异可用于测量心率和脉搏波形。
光电容积脉搏法使用传感器（通常为光电二极管）将反射或透射回的光信号转化为电信号。
通过分析这些电信号的幅度和周期变化，可以计算出心率和血流动力学参数。
应用1. 临床监护光电容积脉搏法可用于监测患者的心率和脉搏波形，有助于了解患者的血流动力学状态。
在手术室、重症监护室和康复病房等环境中，通过光电容积脉搏法可以对患者的心脏功能进行实时监测，并及时判断和处理心脏相关的问题。
2. 运动生理学研究光电容积脉搏法可以在运动过程中实时监测运动员的心率和血流动力学参数，帮助了解运动员的心血管适应性和疲劳状况。
这对于制定科学合理的训练计划和提高运动表现具有重要意义。
3. 心血管疾病诊断光电容积脉搏法可以用于心血管疾病的早期诊断，通过监测脉搏波形的变化，可以判断是否存在心血管疾病风险。
同时，光电容积脉搏法还可以对患者的血流动力学参数进行动态监测，及时发现心血管疾病的变化。
优势1.非侵入性：光电容积脉搏法不需要插管或穿刺，通过对皮肤表面的光信号进行监测，避免了传统测量心率和血流动力学参数的不便和不适。
2.实时性：光电容积脉搏法可以实时监测心率和血流动力学参数的变化，提供即时的生理数据，有助于及时调整治疗方案或训练计划。
3.精确度：光电容积脉搏法具有较高的测量精度，可靠地反映心脏功能和血流动力学状态的变化。
使用步骤1.安装传感器：将光电二极管传感器安装在需要监测的部位，通常是手指或耳垂。
2.连接设备：将传感器与监测设备连接，确保信号传输的稳定和可靠。
3.启动设备：启动监测设备，等待信号稳定后开始测量。
基于光电容积脉搏波的呼吸频率监测共3篇
基于光电容积脉搏波的呼吸频率监测共3篇基于光电容积脉搏波的呼吸频率监测1基于光电容积脉搏波的呼吸频率监测随着医学技术的不断发展，人们对于医疗健康的重视程度也在不断提高。
呼吸监测作为一种基本的生命体征监测方式，在临床上应用越来越广泛。
本文将介绍一种基于光电容积脉搏波的呼吸频率监测方法。
光电容积脉搏波（PPG）是一种非侵入性监测心跳的技术。
它通过透过皮肤感测微弱红外光的反射来监测心跳。
目前，PPG 技术已经广泛应用于移动设备上的心率监测。
在PPG技术的基础上，人们开始探索如何通过PPG技术来监测呼吸频率。
呼吸监测是评估病人的生命体征的关键因素之一，目前的呼吸频率监测方法主要包括胸部腹部的运动监测、呼气二氧化碳监测、声波呼吸监测等。
然而，这些方法都有一些局限性，比如容易受到一些因素的影响，如腰部的运动、说话等。
另外，有些方法需要接触皮肤，对于病人既不舒服也不方便。
基于PPG技术的呼吸频率监测方法，不受上述因素的影响，而且无需接触皮肤。
由于呼吸对于心跳有着较大的影响，呼吸的变化可以通过PPG信号的微弱波动来检测。
具体实现方法为：通过PPG信号分析，获得心跳间隔的变化情况，再通过一些信号处理算法，计算出呼吸频率的变化情况。
这种基于PPG技术的呼吸频率监测方法不仅可以应用于住院患者的呼吸监测，而且可以用于呼吸健康管理。
特别是对于慢性呼吸系统疾病的患者来说，如哮喘、肺气肿等，这种呼吸频率监测方法的意义更加重大。
通过对于呼吸频率的监测，可以有效评估患者的呼吸情况，及时发现病情变化，调整和规范治疗计划。
当然，这种基于PPG技术的呼吸频率监测方法仍存在一些局限性。
例如，这种方法需要动态观察1~2分钟以上才能得出准确的呼吸频率。
同时，也需要避免一些可能影响PPG信号的因素，如肢体运动等。
总之，基于光电容积脉搏波的呼吸频率监测方法是一种有着很大潜力的新型呼吸监测方法。
在未来，它的应用前景非常广阔，将有望在医疗健康领域发挥更加重要的作用基于PPG技术的呼吸频率监测方法具有许多优点，例如无需接触皮肤，不受腰部运动等因素的影响。
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
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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)。