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光电技术在医学领域的应用 光电式脉搏传感器（09电信本2 xxxxxxxxxxxx 坏水 qq:xxxxxxxxxx）摘 要：传统的脉搏测量采用诊脉方式，中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用, 但是受人为影响因素较大,测量精度不高。为了克服上述测量方法的不足，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，可通过光电传感器对脉搏信号进行检测，并通过计算机的数据处理，实现智能化的脉搏测试技术。本文将详细介绍一种光传导式的脉搏信号检测电路，并说明所涉及到的问题和方法。关键词：光电传感器；脉搏测量；测量方法；Abstract：The pulse of the traditional measuring the ways pulse, pulse condition of traditional Chinese medicine diagnosis technology is measuring pulse in Chinese medicine on the application of effective, but by man-made influence is bigger, measurement accuracy is not high. In order to overcome the shortcomings of the methods measuring, pulse test is no longer confined to the traditional manual testing method, or the stethoscope test. Using the blood is highly not transparent liquid, illumination in the general organization of penetrating than in the blood of a few times the characteristics, the photoelectric sensor to pulse signal through testing, and through the computer data processing to realize intelligent pulse test technology. This paper will introduce a detailed light transmission type pulse signal detection circuit, and explain the problem relating to and methods.Key words:photoelectric sensor; pulse measurement; measurement method；一引言光电式脉搏传感器作为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。通过光电传感器对脉搏信号进行检测，并用单片机技术进行数据处理，实现智能化的脉搏测试技术。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。二光电式脉搏传感器的原理和结构 1光电式脉搏传感器的原理 （1）根据郎伯比尔（lamberbeer）定律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比，当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的，在人体指尖，组织中的动脉成分含量高，而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测到的光强相对较大，因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。（2）传感器：利用指套式光电传感器，指套式光电传感器的换能元件用硅光电池,由于心脏的跳动,引起手指尖的微血管的体积发生相应的变化（当心脏收缩时，微血管容积增大；当心脏舒张时,微血管容积减少），当光通过手指尖射到硅光电池时,产生光电效应,两极之间产生电压由于指尖的微血管内的血液随着心脏的跳动发生相应于脉搏的容积变化,因而使光透过指尖射到硅光电池时也发生相应的强度变化, 而非血液组织(皮肤、肌肉、骨格等)的光吸收量是恒定不变的, 这样就把人体的脉搏(非电学量) 转换为相应于脉博的电信号, 方便检测。2光电式脉搏传感器的结构 1光电信号转换电路 图1 光电信号转换电路如图1，换能元件为硅光电池，脉搏信号的拾取实际上是光透过指尖射到硅光电池时发生相应的强度变化,从而产生硅光电池电流的微弱变化，再经过放大而得到的。所拾取的信号为电压信号。电路的输出为：R1过大，稳定性差，容易产生漂移误差，影响增益精度，考虑到灵敏度和线性度的协调，选R1=22K，使得输出达到mv级。为了抑制高频干扰和消除运放输入偏置电流的影响 ，接入电容C1、电阻R2和电容C2。电容的取值是基于脉搏信号的频率考虑的。 2一级反向放大电路 图2 一级放大为了与前面匹配，并使选用器件简便，选择R3=22K，为满足放大20倍，选用R4=500K。得理想放大倍数倍C3用来隔直；C4用以防止放大器自激并起到低通作用，为了不影响有用信号又能滤掉50HZ干扰 ，C4不能太大也不能太小，取C4=0.01F将频率截止到31HZ恰好。 3后置二阶低通放大电路图3 为二级低通放大电路。按人体脉搏在最高跳动次数240 次/min 计算，据归一化法设计低通放大器，如图3 所示。转折频率由R6、C5 、R7 和C6 决定，放大倍数由R7 和R5的比值决定，R8用来减小输入阻抗不平衡的影响。图3二级低通放大器二价低通滤波器的传递函数：理想放大倍数为倍。0.707倍零频增益高频转折频率：fH=14Hz，低频特性满足条件，不影响有用信号。4整体电路为： 图4 整体电路3、 光电式脉搏传感器分析 1、静态工作点的测量 将输入两端短路，接入工作电压，用万用表测得输出电压为390mv,低于500mv基本满足条件。2、硅光电池特性测量 如图5连接电路，用普通台灯当光源照射， 图5 硅光电池测量图测得输出约为3V，所以硅光电池输出短路电流变化量约为12A。 图6 一级放大 表 1 信号源输入20mv电压，改变输入信号频率，测得数据表f(HZ)510152025303540Vo1(mv)448.9433.1410.1383.4355.6328.6303.5280.7根据观察可得在脉搏信号强的部分如5HZ时放大22倍，且截止频率在30HZ左右，与理想值基本吻合。4、 后级滤波加放大图7二级低通放大器表2 信号源输入224mv电压，改变输入信号频率，测得数据表为：f(Hz)510152025303550Vo(mv)1898.4998.7668.6498.9395.1325.0274.3181.2据观察得截止频率在10HZ左右，且在50HZ时输出只有5HZ（脉搏信号较强时）时的大约十分之一，可见滤波效果较好。四、结 论 脉搏信号的主峰频率在1HZ左右，但由于示波器的缺陷，不能观察放大器和滤波器在低频时的放大情况，使得数据有点模糊。 由于示波器为直流耦合,所以直流电平漂移很严重,这就要求受试者一定要平静,身体自然放松,使漂移降到最低程度。光照射指尖部, 使硅光电池中心正对着微血管床。 由于放大倍数较大，入射光强不要太强，否则会使输出饱和，且不同的人脉搏波强度不同，为适应不同条件下的检测，最好的办法是把一级放大电路的反馈电阻用一个可调电阻和普通电阻串联。在未来无创伤监护技术将是未来医学工程发展的重要方向，人体脉搏信号中包含丰富的生理信息，也逐渐引起了临床医生的很大兴趣，光电容积法是当今测量脉搏信号的一种有效途径，也可以通过这种方法测量血氧饱和度，氧分压、心搏出量等生理信号，为临床诊断提供了强有力的技术支持。脉搏检测中关键技术是传感器的设计与传感器输出的微弱信号提取问题，本文对脉搏传感器的设计进行了初步的探讨并取得了可喜的实验结果。实验证明：采用本文这种方法能够较好的测量出脉搏信号，为脉搏信息的进一步提取提供了有利的前提。脉搏测量属于检测有无脉博的测量，有脉搏时遮挡光线，无脉搏时透光强，所采用的传感器是红外接收二极管和红外发射二极管。用于体育测量用的脉搏测量方法有指脉这种方式。指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降。本文设计的脉搏传感器目前仅能提供脉搏的振幅及频率，尚不能用于医学实践。若对传感器采集的信号经过进一步的波形分析及借助医生的经验，可对临床诊断提供帮助。 参考文献1 王延林,谢少良 光电传感器的技术性能与应用J.清华大学学报 1999.12（3）：22-242 阎石 .数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2006.3 王庆有 光电传感器应用技术M.北京：机械工业出版社，2007.4 赵负图 光电检测控制电路手册M.北京：化学工业出版社，2001.5 侯文军 王飞.工程制图与计算机绘图M.北京：人民邮电出版社，2009.6 杨玉星 生物医学传感器与检测技术M.北京：化学工业出版社，2005.7 安毓英，曾晓东，冯喆珺 光电探测与信号处理M北京：科学出版社，2009.8 安毓英，曾晓东 光电探测原理M西安：西安电子科技大学出版社，2004.9 付小宁 光电探测技术与系统M北京：电子工业出版社，2010.