脈搏信號(hào)提取原理

根據(jù)朗伯比爾（LamberBeer）定律，物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處的吸光度和他的濃度成正比。當(dāng)恒定波長(zhǎng)的光照射到人體組織上時(shí)，通過(guò)人體組織吸收、反射衰減后測(cè)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(duì)其他人體組織而言比較薄，透過(guò)手指后檢測(cè)到的光強(qiáng)相對(duì)較大，因此光電式脈搏傳感器的測(cè)量部位通常在人體指尖。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(duì)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(guò)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(zhǎng)的光源的照射下，通過(guò)檢測(cè)透過(guò)手指的光強(qiáng)將可以間接測(cè)量到人體的脈搏信號(hào)。

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(lái)。光電式脈搏傳感器按光的接收方式可分為透射式和反射式兩種。透射式的光源與光敏接收器件的距離相等并且對(duì)稱(chēng)布置，從光源發(fā)出的光穿過(guò)皮膚進(jìn)入深層組織，除被皮膚、色素、指甲、血液等吸收外，一部分由血液漫反射回，其余部分則透射出來(lái)，這種方法可較好地指示心律的時(shí)間關(guān)系，并可用于脈搏提取，但不能精確測(cè)量出血液容積量的變化;反射式的測(cè)量原理與透射式的基本相同，所不同的是測(cè)頭當(dāng)中的發(fā)射光源和光敏器件位于同一側(cè)，接收的是漫反射回來(lái)的光，此信號(hào)可精確地測(cè)得血管內(nèi)容積變化，本系統(tǒng)采用了透射式來(lái)提取脈搏信號(hào)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

顯示人體脈搏波形的檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示：

光電脈搏檢測(cè)電路圖（一）

光電檢測(cè)電路

單片機(jī)P2.0、P2.1和P2.2三個(gè)端口分別通過(guò)開(kāi)關(guān)三極管9014驅(qū)動(dòng)三種不同波長(zhǎng)的發(fā)光二極管周期性點(diǎn)亮。使用開(kāi)關(guān)三極管可以保證發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定。

光敏二極管使用時(shí)要反向接入電路中，即正極接電源負(fù)極，見(jiàn)圖，根據(jù)PN結(jié)反向特性可知，在一定反向電壓范圍內(nèi)，反向電流很小且處于飽和狀態(tài)。此時(shí)，如果無(wú)光照射PN結(jié)，則因本征激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量有限，反向飽和電流保持不變，在光敏二極管中稱(chēng)為暗電流。當(dāng)有光照射PN結(jié)時(shí)，結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生附加的大量電子空穴對(duì)（稱(chēng)之為光生載流子），使流過(guò)PN結(jié)的電流隨著光照強(qiáng)度的增加而劇增，此時(shí)的反向電流稱(chēng)為光電流。不同波長(zhǎng)的光在光敏二極管的不同區(qū)域被吸收形成光電流。被表面P型擴(kuò)散層所吸收的主要是波長(zhǎng)較短的蘭光，在這一區(qū)域，因光照產(chǎn)生的光生載流子（電子），一旦漂移到耗盡層界面，就會(huì)在結(jié)電場(chǎng)作用下，被拉向N區(qū)，形成部分光電流；波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光，將透過(guò)P型層在耗盡層激發(fā)出電子一空穴對(duì)，這些新生的電子和空穴載流子也會(huì)在結(jié)電場(chǎng)作用下，分別到達(dá)N區(qū)和P區(qū)，形成光電流；波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外光，將透過(guò)P型層和耗盡層，直接被N區(qū)吸收。在N區(qū)內(nèi)因光照產(chǎn)生的光生載流子（空穴）一旦漂移到耗盡區(qū)界面，就會(huì)在結(jié)電場(chǎng)作用下被拉向P區(qū)，形成光電流。因此，光照射時(shí)，流過(guò)PN結(jié)的光電流應(yīng)是三部分光電流之和。

運(yùn)放CA3140，輸入偏置電流僅為10^2nA，可作為光電流放大器，利用放大器反向輸入端的虛地特性，可在輸出端得到與光敏二極管中的光電流成正比的光電壓。如圖3-11所示電路，由于引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋，所以具有輸出電阻低，輸入電阻也低的特點(diǎn)。輸出電阻低，使輸出電壓接近理想電壓源，輸入電阻低，使光電流流入放大電路中為恒定值。為了減少輸出的非線(xiàn)性，光敏二極管的工作電壓應(yīng)大于5V，可通過(guò)電位器調(diào)節(jié)工作電壓，旁邊加一個(gè)旁路電容，濾出電源紋波的影響。為了減少光敏區(qū)的暗電流，光敏二極管加保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，利用環(huán)極將器件表面漏電流旁路而使光敏區(qū)漏電流減少。用示波器觀察輸出端波形時(shí)，噪聲信號(hào)比較多，用金屬鋁片做成一個(gè)方盒將反饋電阻屏蔽后，波形中噪聲大大減少。

放大電路

帶通濾波電路

由于人體脈搏信號(hào)是準(zhǔn)周期信號(hào)，頻率范圍為0.1Hz-50Hz，主要頻率分量一般在0.1Hz-40Hz之間，系統(tǒng)的頻響范圍取0.1—40Hz即可，故放大電路中的高低截止頻率按此頻率設(shè)計(jì)。先由高精度運(yùn)放ICL7650組成的前置放大器將脈搏波信號(hào)放大30倍，再經(jīng)過(guò)截止頻率為40Hz的二階低通濾波器（如圖）后，脈搏波信號(hào)含有伏特級(jí)的直流信號(hào)和毫伏級(jí)的交流信號(hào)。

在圖3-7中，截止頻率f1/2πRC0=，取C=0.1uF，則RfC0=1/2π，將C=0.1uF，f0=40Hz代入f1/2πRC0=，得R=40K歐。電壓放大倍數(shù)Au=1+Rf/R1，等效品質(zhì)因數(shù)Q=1/（3-Au）。Q=1，濾波效果較好，因此Rf=R1，為使集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端對(duì)地的電阻平衡，應(yīng)取R=R=K？f1601。

50Hz陷波電路

由于傳感器的檢測(cè)信號(hào)十分微弱，比外界某些干擾信號(hào)可能還要小得多，本系統(tǒng)中工頻干擾是一個(gè)主要的噪聲源，加在光敏管正極的直流負(fù)電壓中所含50Hz交流成分直接通過(guò)光電檢測(cè)電路進(jìn)入系統(tǒng)中，放大后與脈搏信號(hào)幅度相當(dāng)，甚至可能湮沒(méi)脈搏信號(hào)，必須在A/D轉(zhuǎn)換的前端，抑制工頻信的干擾。為此采用帶通濾波器和相加器組成的有源帶阻濾波器濾除50Hz電信號(hào)的干擾。同樣這類(lèi)陷波電路元器件精度要求嚴(yán)，否則直接影響陷波頻率Q值，如圖所示陷波電路中選用性能較好的運(yùn)放OP-07。

在圖中，陷波頻率f0=50Hz，取C=0.22uF，則R=1/2fC=14.5K？0π，為使陷波效果較好，等效品質(zhì)因數(shù)Q取10。2（2）1uAQ？=Au=1+Rf/R1，因而取R=19K歐，R=20K歐。

光電脈搏檢測(cè)電路圖（二）

1、血氧心率信號(hào)采集及預(yù)處理電路

對(duì)有血氧探頭檢測(cè)的信號(hào)，先經(jīng)過(guò)脈沖控制電路電路將其分成兩路信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大電路，將微弱的血氧信號(hào)高保真放大，最后經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行后期的處理。

1.1、脈沖控制電路

脈沖控制電路的基本設(shè)計(jì)思路是在一個(gè)心動(dòng)周期時(shí)間內(nèi)，控制660nm的紅光和940nm的紅外兩種波長(zhǎng)光周期性發(fā)光。

具體電路由一個(gè)時(shí)基電路555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，由74LS04反向器構(gòu)成下降沿觸發(fā)器，由高電平觸發(fā)的電子開(kāi)關(guān)4066做為控制部分。時(shí)基電路555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，555定時(shí)的振蕩頻率：

T=TPH+TPL=0.7（R1+2R2）C（1）

T為555定時(shí)的振蕩周期，TPH為充電時(shí)間，TPL為放電時(shí)間。根據(jù)這個(gè)公式算得脈沖控制電路的振蕩頻率為0.01s，模擬開(kāi)關(guān)4066將由血氧探頭測(cè)得的兩路光（紅光和紅外），分成兩路，分別進(jìn)入放大電路。

血氧探頭內(nèi)部電路圖如圖2所示：

1.2、放大電路設(shè)計(jì)

放大電路由輸入跟隨，OP07放大器構(gòu)成，在血氧信號(hào)的采集和處理過(guò)程中，放大電路設(shè)計(jì)是個(gè)電路設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的部位，因?yàn)樗粌H可以提取有用的信號(hào)，還同時(shí)可以將干擾信號(hào)降低到最低水平。由血氧探頭測(cè)得的血氧信號(hào)極其微弱，所以，考慮將放大電路放在探頭輸出端與4066控制器之間。輸入跟隨電路，就是輸出電壓等于輸入電壓，就是說(shuō)，壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。

OP07是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器，它具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施，OP07同時(shí)輸入偏置電流低和開(kāi)環(huán)增益高的特點(diǎn)，這是OP07十分適合于高增益和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面，這滿(mǎn)足血氧心率檢測(cè)放大電路的要求，如圖為OP07構(gòu)成的同向放大電路，電路連接很簡(jiǎn)單，放大倍數(shù)有1腳和6腳之間的電阻決定。公式為：

G=AU（1）

AU為電壓放大倍數(shù)，因此放大電路采用OP07放大電路作為血氧測(cè)量放大電路。電阻R9用來(lái)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，為了防止失真，取放大倍數(shù)為10倍左右，電阻R9阻值約為10kΩ。電源輸入端接0.01μF接地，用于屏蔽來(lái)自電源的干擾。前級(jí)用高精度運(yùn)算放大器OPA4277作為輸入跟隨，用于提高輸入阻抗、獲取更多的心電信號(hào)。

光電脈搏檢測(cè)電路圖（三）

光電脈搏測(cè)量原理如圖1所示，從光源發(fā)出的紅外光一部分被手指組織吸收，一部分透射出來(lái);紅外接收管在光源的對(duì)稱(chēng)位置，檢測(cè)到的透射光，反映出心律跳動(dòng)情況。由于手指動(dòng)脈在血液循環(huán)過(guò)程中呈周期性的脈動(dòng)變化，紅外接收三極管輸出信號(hào)也是周期性脈動(dòng)的變化。

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，由光電傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)AT89S51、數(shù)碼顯示、電源等部分組成。當(dāng)手指放在紅外線(xiàn)發(fā)射二極管和接收三極管中間時(shí)，隨著心臟的跳動(dòng)，血管中血液的流量將發(fā)生變化。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和程度的變化將引起光的強(qiáng)度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對(duì)應(yīng)，紅外接收三極管的電流也跟著改變，并輸出脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形后輸出，單片機(jī)電路對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理后把結(jié)果送到LCD1602顯示。

信號(hào)采集電路

圖3是脈搏信號(hào)的采集電路，U0是紅外發(fā)射和接收裝置，由于紅外發(fā)射二極管中的電流越大，紅外光發(fā)射強(qiáng)度就越大，所以對(duì)Ｒ1阻值的選取要求較高。Ｒ1選擇270Ω是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。當(dāng)手指離開(kāi)傳感器或檢測(cè)到較強(qiáng)的干擾光線(xiàn)時(shí)，輸入端的直流電壓會(huì)出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄漏到后級(jí)，用C1、C2串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷。該傳感器輸出信號(hào)的頻率很低，當(dāng)脈搏為50次/min時(shí)，只有0．78Hz，200次/min時(shí)也只有3．33Hz，因此信號(hào)首先經(jīng)Ｒ2、C3濾波以濾除高頻干擾，再由耦合電容C1、C2加到線(xiàn)性放大輸入端。集成運(yùn)放741，Ｒ5、C4構(gòu)成低通濾波器以進(jìn)一步濾除殘留的干擾，其截止頻率為：

整形電路

波形整形電路如圖4所示，U2是一個(gè)電壓比較器，C1、Ｒ4構(gòu)成一個(gè)微分器，U3和C2、Ｒ5將正、負(fù)相間的尖脈沖加到單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器U3的反向輸入端，不會(huì)造成很大的觸發(fā)誤差。當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，U3在比較器輸入信號(hào)的下降沿輸出高電平，使C2通過(guò)Ｒ5充電。大約持續(xù)20ms之后，因C2充電電流減小而使U3同相輸入端的電位降低到低于反相輸入端的電位（尖脈沖已過(guò)去很久），于是U3改變狀態(tài)并再次輸出低電平。該脈沖是與脈搏同步的，并由紅色發(fā)光二極管LED的閃亮指示出來(lái)。同時(shí)，該脈沖電平通過(guò)Ｒ6送到單片機(jī)/INTO腳，由單片機(jī)控制心率的計(jì)算和顯示。

單片機(jī)處理及電路

系統(tǒng)采用了AT89S51單片機(jī)作為核心元件，構(gòu)成的最小單片機(jī)系統(tǒng)如圖5所示，系統(tǒng)時(shí)鐘采用外部振蕩電路，由12MHz晶振和2個(gè)30pF電容構(gòu)成;系統(tǒng)通過(guò)S鍵進(jìn)行復(fù)位。每次脈沖到達(dá)時(shí)觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計(jì)時(shí)，其對(duì)1min內(nèi)的脈沖數(shù)進(jìn)行累加即為所測(cè)脈搏。LCD1602A第1、2腳接驅(qū)動(dòng)電源，第3腳VL為液晶的對(duì)比度調(diào)節(jié);通過(guò)在VCC和GND之間接一個(gè)10kΩ多圈可調(diào)電阻，中間抽頭接VL，可實(shí)現(xiàn)液晶對(duì)比度的調(diào)節(jié);液晶的控制線(xiàn)ＲS、Ｒ/W、E分別接單片機(jī)的P2．5、P2．6、P2．7;數(shù)據(jù)口接在單片機(jī)的P0口;BL+、BL－為液晶背光電源。

光電脈搏檢測(cè)電路圖（四）

脈搏檢測(cè)電路應(yīng)用運(yùn)算放大器構(gòu)成同相交流放大電路，對(duì)直流信號(hào)無(wú)放大，由于反饋電容的存在可以濾除50Hz的工頻干擾，使得20Hz以?xún)?nèi)低頻信號(hào)順利通過(guò)，并進(jìn)行多級(jí)放大，再經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器整形