1、簡易光電脈搏提取裝置項目編號： 指導教師：馮軍 項目組員：杜白 （04004320） 董哲廷 （04004312） 郭曉喬（04004325）1. 述概：在這次非SRTP課外研學中，我們希望能夠自己通過所學知識嘗試設計一款提取人體內部生理信號的簡易裝置，經過前期調研，以及考慮到經費問題，最終確定為嘗試提取人體脈搏信號。人體心室周期性的收縮和舒張導致主動脈的收縮和舒張，使血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統傳播，這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈現出的形態、強度、速率和節律等方面的綜合信息，很大程度上反映出人體心血管系統中許多生理病理的血流特征。傳統的脈搏測量采用脈診方式，中醫脈象診斷技

2、術就是脈搏測量在中醫上卓有成效的應用，但是受人為的影響因素較大，測量精度不高。無接觸測量（Noninvasive Measurements）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體，不造成機體創傷，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。 在醫護人員的日常工作中，測量患者的脈搏是一向很令人頭痛的工作。現有的側脈搏方式主要有兩種：直接手測和捆綁式儀器測量法。這兩種方法都屬于接觸測量法。雖然很方便，但對于有些患者并不適用。比如說幼童、高度傳染病患者、癲癇患者等等。這時候我們設計的儀器的優勢就會得到充分的顯現。生物醫學傳感器是獲取生物信息并將其轉換成易于測量和處

3、理信號的一個關鍵器件。光電式脈搏傳感器是根據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測，間接檢測出脈搏信號，光電式脈搏傳感器具有結構簡單、無損傷、可重復好等優點。 2 測量原理當恒定波長的光照射到人體組織上時, 通過人體組織吸收衰減后測量到的光強將在一定程度上反映了被照射部位組織的結構特征。脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產生的, 在人體指尖, 組織中的動脈成分含量高, 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。可以認為光透過手指后的變化僅由動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

4、手指的光強將可以間接測量到人體的脈搏信號。最初設想:經過查閱相關資料，脈搏信號的頻率范圍為：0.1Hz60Hz。絕大多數信號屬于次聲波范圍。在實際中30Hz以上的信號就已經失去研究意義。因為5Hz左右的信號是病人和正常人脈搏波波的體現差異的地方。在我的設計中準備以10Hz作為截止頻率。整個系統準備用四節1.5v干電池供電，運放采用NE5532，下面是其性能參數：光發射電路：R1R2ViVo本電路的依據是電壓電流轉化電路，所以為了LED能夠穩定的工作，在輸入部分放了一個穩壓管從而提供穩定電壓，使得發光二極管能得到較穩定的電流。以1N4678為穩壓器件，在Vi3V的情況下，為得到1.8V的穩壓輸出

5、，則需要串聯R2300。又因為實驗室中的發光二極管在20mA左右，所以I1.8/R1，計算出R1900。光電轉換此電路是以電流電壓轉換電路為基礎設計出來的。電路特點：光電二極管輸出短路電流與輸出光強有良好的線性關系。反饋電路為一個一階低通濾波器，在放大的同時可以進行濾波，這樣有效的抑制工頻干擾。左圖相對右圖加了一個RC回路，這是因為光電池的電流非常小，運放偏置電流可能會對其造成影響，故設計成左圖。以提高電路可靠性。我使用的光電池是2DU-3。電路中的輸入電阻ZinR/A（A為運放的開環增益），本電路中R取10k，故輸入電阻為1。可認為關電池處于短路工作狀態，能得到近于理想的短路電流。所以有Vo

6、IR。為了使一階低通濾波器的截止頻率為8Hz，f，所以C1.6f高通濾波由于光電轉換電路的輸出可能含有較大的直流部分，因此在這里采用一個一階高通濾波器，由于采用電阻與運放并聯，所以電阻盡量取大以提高輸入電阻，電容盡量取小降低反應時間，R1M，f，令截止頻率為0.16Hz，故C1f。同時射極跟隨器又可以提高本輸入級阻抗，將的輸出阻抗，為后級器件更好的匹配，提供有利條件。初級放大為了更好的抑制50Hz的干擾,放大電路采用了,將放大器與濾波器設計為一體。電路放大倍數Av=R1/R2 截止頻率f=R210k R11M C0.016fAv=100 f=10Hz五階低通濾波器以下為最開始的設想，試驗的后期

7、發現簡單的級聯會造成截至頻率的改變，這也造成了很長一段時間較差的效果。巴特沃思低通濾波器f10Hz =10*2Z106Cx=R=ZR1=R2100K 后級放大電路與前級放大電路相同的計算方法R21k R110k C0.16fAv=100 f=10HzCR3RwR1 R1總結:實驗電路第一級放大10000倍,初級放大100倍,后級放大在10倍到100倍之間總體設計截止頻率在10Hz左右。后期改進經過若干次調試，該方案均沒有達到理想效果，大概在半個月前，我們決定重新整理之前的思路，吸取經驗，改進一套新的方案。反思一：發光電路光強不夠反思二：光電感應電路敏感性太低反思三：用低階濾波器級聯實現高階濾波

8、器時，不可以簡單級聯在各級間加入跟隨器后，濾波電路重新設計為六階的巴特沃茲濾波器巴特沃斯響應的二階濾波器的設計原理如下：巴特沃斯低通濾波器的幅頻特性為： ， n=1，2，3，. . . （1）寫成： （2） 其中Auo為通帶內的電壓放大倍數，wC Auo為截止角頻率，n稱為濾波器的階。從（2） 式中可知，當w=0時，（2）式有最大值1； 0.707Auow=wC時，（2）式等于0.707，即Au衰減了 n=23dB；n取得越大，隨著w的增加，濾波器 n=8的輸出電壓衰減越快，濾波器的幅頻特性 越接近于理想特性。如圖1所示。 0 wC w當 wwC時， （3） 圖1低通濾波器的幅頻特性曲線 兩邊

9、取對數，得： （4） 此時阻帶衰減速率為： -20ndB/十倍頻或-6ndB/倍頻，該式稱為衰減估算式。 表1列出了歸一化的、n為1 8階的巴特沃斯低通濾波器傳遞函數的分母多項式。 表1 歸一化的巴特沃斯低通濾波器傳遞函數的分母多項式n歸一化的巴特沃斯低通濾波器傳遞函數的分母多項式12345678 在表1的歸一化巴特沃斯低通濾波器傳遞函數的分母多項式中，SL = ，wC 是低通濾波器的截止頻率。對于一階低通濾波器，其傳遞函數： （5） 歸一化的傳遞函數： （6） 對于二階低通濾波器，其傳遞函數： （7） 歸一化后的傳遞函數： （8） 由表1可以看出，任何高階濾波器都可由一階和二階濾波器級聯而成

10、。對于n為偶數的高階濾波器，可以由節二階濾波器級聯而成；而n為奇數的高階濾波器可以由節二階濾波器和一節一階濾波器級聯而成，因此一階濾波器和二階濾波器是高階濾波器的基礎。有源濾波器的設計，就是根據所給定的指標要求，確定濾波器的階數n，選擇具體的電路形式，算出電路中各元件的具體數值，安裝電路和調試，使設計的濾波器滿足指標要求，具體步驟如下：1 根據阻帶衰減速率要求，確定濾波器的階數n。2 選擇具體的電路形式。3 根據電路的傳遞函數和表1歸一化濾波器傳遞函數的分母多項式，建立起系數的方程組。4 解方程組求出電路中元件的具體數值。5 安裝電路并進行調試，使電路的性能滿足指標要求。傳輸函數為：下圖為二階

11、低通巴特沃茲濾波器 R3 R4 ui R1 R2 A uo C1 C2 該電路的傳遞函數： （9） 其歸一化函數： （10） 將上式分母與表1歸一化傳遞函數的分母多項式比較得： 通帶內的電壓放大倍數： =2 （11） 濾波器的截止角頻率：= （12） （13） （14）在上面四個式子中共有六個未知數，三個已知量，因此有許多元件組可滿足給定特性的要求，這就需要先確定某些元件的值，元件的取值有幾種： 當Af=1時，先取R1=R2=R，然后再計算C1和C2。 當Af1時，取R1=R2=R，C1=C2=C。 先取C1=C2=C，然后再計算R1和R2。此時C必須滿足： 先取C1，接著按比例算出C2=KC

12、1，然后再算出R1和R2的值。 其中K必須滿足條件：KAf-1+對于本例，由于Af=2，因此先確定電容C1=C2的值反思四：選取信號頻率范圍不能過窄，采用的兩種運放均沒有達到預期要求由此，我們設計如下改進放案：發光電路改為“紅光筆”光電感應模塊改為光電二級管總體放大倍數為100625最終得到理想波形3光電脈搏提取的測量和噪聲分析 在測量過程中，前端測量到的脈搏信號十分微弱，容易受到外界環境干擾，因此需要對脈搏提取裝置的干擾噪聲進行分析，從光電式脈搏傳感器設計的技術角度減少干擾，使之能夠準確測量到脈搏信號，光電式脈搏傳感器的干擾主要有測量環境光干擾、電磁干擾、測量過程運動噪聲，下面對上述情況結合

13、實驗測量做進一步的分析。 環境光對測量的影響 在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含脈搏信息的透射光的信號，而且包含測量環境下的背景光信號，由于動脈波動引起的光強變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當中要保持測量背景光的恒定，減少環境光的干擾。 測量環境下的背景光包含環境光和在測量過程中引起的二次反射光。為了減少環境光對脈搏信號測量的影響，同時考慮到傳感器使用的方便性，采用密封的暗室作為測量環境，整個外殼采用不透光的介質和顏色，盡量減小外界環境光的影響，。 電磁干擾對光電脈搏提取的影響 通過光電轉換得到的包含脈搏信息的電信號一般比較微弱，容易受到外界電磁信號的干擾，我們認為

14、應該在一級放大電路采用電磁屏蔽的方式來消除電磁干擾。 工頻干擾是電路中最常見的干擾，脈搏信號變化緩慢，特別容易受到工頻信號的干擾，因此對工頻信號干擾的抑制是保證脈搏信號測量精度的主要措施之一。通常脈搏信號的頻率范圍在0.330Hz之間，小于工頻50Hz，在試驗中，通過波形，我們經常看到一個頻率為100Hz的干擾信號。因此通過低通濾波器可以有效濾除工頻干擾，這在信號調理電路中容易實現；同時可以在控制電路中對光源進行脈沖調制，這樣不但能夠降低系統的功耗，而且能夠在一定程度上減小外界的電磁干擾，在脈搏信號數據采集后，可以通過數據處理法方法進一步濾除工頻信號的干擾。測量過程中運動噪聲 在測量過程當中，

15、通常情況下手指和光電式脈搏傳感器可能產生相對的運動，這樣對脈搏測量產生誤差，可以通過2個方面減少運動噪聲誤差：一是改善暗式的機械抗運動性，比如說設計指套夾在手指上，不易松動；二是從脈搏信號處理的角度，通過算法來減小誤差，現在采用的主要是第一個途徑。4 總結經過長達一個月左右的設計和反復調試，我們已經成功的提取出脈搏信號，現在體會很多。首先，正像我們當初選擇這個項目的原因一樣，我們組員都相信交叉學科有著廣泛的前景和創新點。通過把脈搏波信號轉化為電信號進行觀察測量，可以更加直觀的讓人們觀測分析脈搏波中蘊含的豐富的人體內部信息，不光簡簡單單的只是脈搏信號。其次，我們的成果還有一些值得改善提高的地方，濾波器的性能、信號的強度都有待提高，一個小小的遺憾是沒能找到數字示波器，觀察波形，因為模擬濾波器畢竟對于低頻信號的表現度沒能達到我們的要求。此外，我們組還提出了兩個簡單的應用，一個是后級級聯施密特觸發器，用產