摘 要

本文簡述了光電容積脈搏波描記法原理及其應用，介紹了人體外周血管中光電脈搏信號檢測電路設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】光電容積脈搏波描記法 脈搏信號

1 前言

從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學界的重視。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征，因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學價值和應用前景。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，脈搏測試不再局限于傳統(tǒng)的人工測試法或聽診器測試法。利用血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點，可通過傳感器對脈搏信號進行檢測，這種技術(shù)具有先進性、實用性和穩(wěn)定性，同時也是生物醫(yī)學工程領(lǐng)域的發(fā)展方向。

2 光電容積脈搏波描記法原理及應用簡述

光電容積脈搏波描記法（Photo Plethysmo Graphy，下文簡稱PPG）是借光電手段在活體組織中檢測血液容積變化的一種無創(chuàng)檢測方法。當一定波長的光束照射到指端皮膚表面時，光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過程中由于受到檢測端皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用，檢測器檢測到的光強度將減弱，其中皮膚肌肉、組織等對光的吸收在整個血液循環(huán)中是保持恒定不變的，而皮膚內(nèi)的血液容積在心臟作用下呈搏動性變化，當心臟收縮時外周血容量最多，光吸收量也最大檢測到的光強度最??；而在心臟舒張時，正好相反，檢測到的光強度最大，故光接收器接收到的光強度隨之呈脈動性變化，將此光強度變化信號轉(zhuǎn)換成電信號，便可獲得容積脈搏血流的變化。由此可見，容積脈搏血流中包含有血液流動等諸多心血管系統(tǒng)的重要生理信息。同時，容積脈搏血流主要存在于外周血管中的微動脈、毛細血管等微血管中，所以容積脈搏血流同樣包含有豐富的微循環(huán)生理病理信息，是我們研究人體循環(huán)系統(tǒng)重要的信息來源。

PPG信號中包含有人體循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等許多生理病理信息。在人體血壓、血流、血氧、腦氧、肌氧、血糖、脈率、微循環(huán)、血管阻力、呼吸率、呼吸量等參數(shù)的無創(chuàng)檢測中都有很好的應用前景。雖然由于紅光、紅外光與人體組織相互作用的機理十分復雜，影響它的因素也比較多。我們對容積脈搏血流本身的機理了解和研究得還很不夠。加上對血流標定工作的困難，因而在臨床上真正應用PPG 開發(fā)的醫(yī)療儀器還十分有限。目前應用得最為廣泛和成功的是監(jiān)護儀中的血氧和脈率檢測。

3 光電脈搏信號檢測電路設(shè)計

由于血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）在紅光和紅外光區(qū)（600～1000nm）有獨特的吸收光譜，因而使PPG 成為研究組織中血液成分尤其是血氧狀態(tài)的簡單而有效的方法。許多國家的研究人員對無創(chuàng)測量動脈血氧飽和度和組織血氧飽和度的裝置進行了各自的研究。在他們所采用的無論是透射光法和反射光法中都以朗伯 比爾定律（The Lam-bert-Beer Law）和光散射理論為基礎(chǔ)，利用氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收系數(shù)的差異來進行，在紅光區(qū)（600～700nm）HbO2 和Hb的吸收差異很大，而在紅外光譜區(qū)（800～1000nm）其吸收差異較小。當血氧飽和度變化時，也就HbO2 相對Hb的濃度發(fā)生變化時，血氧飽和度應該和光檢測器上的660nm 和940nm 兩個波長的相對光強之間存在較好的線性關(guān)系。

血氧飽和度：SpO2=A+BR 其中，A、B為標定常數(shù)

由此原理設(shè)計出的無創(chuàng)脈搏血氧儀，是一種快速測量血氧飽和度的有效方法，成為當今國際上廣泛采用的監(jiān)護儀器。廣泛用于手術(shù)室 監(jiān)護室 急救病房 運動和睡眠等各種臨床應用中。

人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號，脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號，必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求，脈搏檢測電路設(shè)計框如圖1所示。

3.1 信號輸入、傳感器選擇

利用指套式光電傳感器，指套式光電傳感器的換能元件用硅光電池，由于心臟的跳動，引起手指尖的微血管的體積發(fā)生相應的變化，當光通過手指尖射到硅光電池時，產(chǎn)生光電效應，兩極之間產(chǎn)生電壓由于指尖的微血管內(nèi)的血液隨著心臟的跳動發(fā)生相應于脈搏的容積變化，因而使光透過指尖射到硅光電池時也發(fā)生相應的強度變化，而非血液組織（皮膚、肌肉、骨格等）的光吸收量是恒定不變的，這樣就把人體的脈搏（非電學量）轉(zhuǎn)換為相應于脈博的電信號，方便檢測。

3.2 差分放大

這里選用低噪聲的集成儀器放大器INA114作為放大器的核心元件。最低2.3V的工作電源電壓滿足電源要求，INA114的失調(diào)電壓不到0.1mV，因此取其電壓增益100，根據(jù)INA114的增益計算公式可得RG=500Ω，INA114的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

3.3 低通濾波器

利用歸一化的方法設(shè)計低通濾波器。這里用四階巴特沃斯低通濾波器，其優(yōu)點是在通帶內(nèi)幅頻特性曲線比較平坦，而且四階也可以達到較陡的衰減的特性：其截止頻率為20Hz時，到頻率為40Hz時其衰減幅度為9%。它的作用是濾除頻率為20Hz以上的信號分量。如圖3所示。

設(shè)截至頻率為20Hz，符合采樣要求同時濾除工頻干擾，根據(jù)歸一化公式，取R1=R2=R3=R4=100KΩ，可算得C1=C2=C3= C4=0.25μF。

4 結(jié)束語

相信隨著PPG基礎(chǔ)研究工作的進一步開展和人們對這項技術(shù)的更深入了解，它必將開拓出更為廣泛的應用領(lǐng)域。PPG方法所具有的無創(chuàng)性，且檢測方便、操作簡單、性能穩(wěn)定、重復性好、安全無交叉感染等許多優(yōu)點，使其不僅可用于醫(yī)院中的臨床檢測、監(jiān)護、急救體能測試，還可應用于社區(qū)和家庭醫(yī)療保健，并具備聯(lián)網(wǎng)擴展功能，可以組建家庭社區(qū)和醫(yī)院的醫(yī)療網(wǎng)絡，在這些方面將都會有很好的應用前景。

參考文獻

[1]楊福生.生物醫(yī)學信號處理[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1997.

作者簡介

陳斌（1972-），男，安徽省懷寧縣人。大學本科學歷?，F(xiàn)為中國電子科技集團公司第四十一研究所高級工程師、研發(fā)部部長。研究方向為自動化。

作者單位

中國電子科技集團公司第四十一研究所 山東省青島市 266555endprint

摘 要

本文簡述了光電容積脈搏波描記法原理及其應用，介紹了人體外周血管中光電脈搏信號檢測電路設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】光電容積脈搏波描記法 脈搏信號

1 前言

從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學界的重視。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征，因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學價值和應用前景。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，脈搏測試不再局限于傳統(tǒng)的人工測試法或聽診器測試法。利用血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點，可通過傳感器對脈搏信號進行檢測，這種技術(shù)具有先進性、實用性和穩(wěn)定性，同時也是生物醫(yī)學工程領(lǐng)域的發(fā)展方向。

2 光電容積脈搏波描記法原理及應用簡述

光電容積脈搏波描記法（Photo Plethysmo Graphy，下文簡稱PPG）是借光電手段在活體組織中檢測血液容積變化的一種無創(chuàng)檢測方法。當一定波長的光束照射到指端皮膚表面時，光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過程中由于受到檢測端皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用，檢測器檢測到的光強度將減弱，其中皮膚肌肉、組織等對光的吸收在整個血液循環(huán)中是保持恒定不變的，而皮膚內(nèi)的血液容積在心臟作用下呈搏動性變化，當心臟收縮時外周血容量最多，光吸收量也最大檢測到的光強度最?。欢谛呐K舒張時，正好相反，檢測到的光強度最大，故光接收器接收到的光強度隨之呈脈動性變化，將此光強度變化信號轉(zhuǎn)換成電信號，便可獲得容積脈搏血流的變化。由此可見，容積脈搏血流中包含有血液流動等諸多心血管系統(tǒng)的重要生理信息。同時，容積脈搏血流主要存在于外周血管中的微動脈、毛細血管等微血管中，所以容積脈搏血流同樣包含有豐富的微循環(huán)生理病理信息，是我們研究人體循環(huán)系統(tǒng)重要的信息來源。

PPG信號中包含有人體循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等許多生理病理信息。在人體血壓、血流、血氧、腦氧、肌氧、血糖、脈率、微循環(huán)、血管阻力、呼吸率、呼吸量等參數(shù)的無創(chuàng)檢測中都有很好的應用前景。雖然由于紅光、紅外光與人體組織相互作用的機理十分復雜，影響它的因素也比較多。我們對容積脈搏血流本身的機理了解和研究得還很不夠。加上對血流標定工作的困難，因而在臨床上真正應用PPG 開發(fā)的醫(yī)療儀器還十分有限。目前應用得最為廣泛和成功的是監(jiān)護儀中的血氧和脈率檢測。

3 光電脈搏信號檢測電路設(shè)計

由于血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）在紅光和紅外光區(qū)（600～1000nm）有獨特的吸收光譜，因而使PPG 成為研究組織中血液成分尤其是血氧狀態(tài)的簡單而有效的方法。許多國家的研究人員對無創(chuàng)測量動脈血氧飽和度和組織血氧飽和度的裝置進行了各自的研究。在他們所采用的無論是透射光法和反射光法中都以朗伯 比爾定律（The Lam-bert-Beer Law）和光散射理論為基礎(chǔ)，利用氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收系數(shù)的差異來進行，在紅光區(qū)（600～700nm）HbO2 和Hb的吸收差異很大，而在紅外光譜區(qū)（800～1000nm）其吸收差異較小。當血氧飽和度變化時，也就HbO2 相對Hb的濃度發(fā)生變化時，血氧飽和度應該和光檢測器上的660nm 和940nm 兩個波長的相對光強之間存在較好的線性關(guān)系。

血氧飽和度：SpO2=A+BR 其中，A、B為標定常數(shù)

由此原理設(shè)計出的無創(chuàng)脈搏血氧儀，是一種快速測量血氧飽和度的有效方法，成為當今國際上廣泛采用的監(jiān)護儀器。廣泛用于手術(shù)室 監(jiān)護室 急救病房 運動和睡眠等各種臨床應用中。

人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號，脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號，必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求，脈搏檢測電路設(shè)計框如圖1所示。

3.1 信號輸入、傳感器選擇

利用指套式光電傳感器，指套式光電傳感器的換能元件用硅光電池，由于心臟的跳動，引起手指尖的微血管的體積發(fā)生相應的變化，當光通過手指尖射到硅光電池時，產(chǎn)生光電效應，兩極之間產(chǎn)生電壓由于指尖的微血管內(nèi)的血液隨著心臟的跳動發(fā)生相應于脈搏的容積變化，因而使光透過指尖射到硅光電池時也發(fā)生相應的強度變化，而非血液組織（皮膚、肌肉、骨格等）的光吸收量是恒定不變的，這樣就把人體的脈搏（非電學量）轉(zhuǎn)換為相應于脈博的電信號，方便檢測。

3.2 差分放大

這里選用低噪聲的集成儀器放大器INA114作為放大器的核心元件。最低2.3V的工作電源電壓滿足電源要求，INA114的失調(diào)電壓不到0.1mV，因此取其電壓增益100，根據(jù)INA114的增益計算公式可得RG=500Ω，INA114的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

3.3 低通濾波器

利用歸一化的方法設(shè)計低通濾波器。這里用四階巴特沃斯低通濾波器，其優(yōu)點是在通帶內(nèi)幅頻特性曲線比較平坦，而且四階也可以達到較陡的衰減的特性：其截止頻率為20Hz時，到頻率為40Hz時其衰減幅度為9%。它的作用是濾除頻率為20Hz以上的信號分量。如圖3所示。

設(shè)截至頻率為20Hz，符合采樣要求同時濾除工頻干擾，根據(jù)歸一化公式，取R1=R2=R3=R4=100KΩ，可算得C1=C2=C3= C4=0.25μF。

4 結(jié)束語

相信隨著PPG基礎(chǔ)研究工作的進一步開展和人們對這項技術(shù)的更深入了解，它必將開拓出更為廣泛的應用領(lǐng)域。PPG方法所具有的無創(chuàng)性，且檢測方便、操作簡單、性能穩(wěn)定、重復性好、安全無交叉感染等許多優(yōu)點，使其不僅可用于醫(yī)院中的臨床檢測、監(jiān)護、急救體能測試，還可應用于社區(qū)和家庭醫(yī)療保健，并具備聯(lián)網(wǎng)擴展功能，可以組建家庭社區(qū)和醫(yī)院的醫(yī)療網(wǎng)絡，在這些方面將都會有很好的應用前景。

參考文獻

[1]楊福生.生物醫(yī)學信號處理[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1997.

作者簡介

陳斌（1972-），男，安徽省懷寧縣人。大學本科學歷?，F(xiàn)為中國電子科技集團公司第四十一研究所高級工程師、研發(fā)部部長。研究方向為自動化。

作者單位

中國電子科技集團公司第四十一研究所 山東省青島市 266555endprint

摘 要

本文簡述了光電容積脈搏波描記法原理及其應用，介紹了人體外周血管中光電脈搏信號檢測電路設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】光電容積脈搏波描記法 脈搏信號

1 前言

從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學界的重視。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征，因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學價值和應用前景。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，脈搏測試不再局限于傳統(tǒng)的人工測試法或聽診器測試法。利用血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點，可通過傳感器對脈搏信號進行檢測，這種技術(shù)具有先進性、實用性和穩(wěn)定性，同時也是生物醫(yī)學工程領(lǐng)域的發(fā)展方向。

2 光電容積脈搏波描記法原理及應用簡述

光電容積脈搏波描記法（Photo Plethysmo Graphy，下文簡稱PPG）是借光電手段在活體組織中檢測血液容積變化的一種無創(chuàng)檢測方法。當一定波長的光束照射到指端皮膚表面時，光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過程中由于受到檢測端皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用，檢測器檢測到的光強度將減弱，其中皮膚肌肉、組織等對光的吸收在整個血液循環(huán)中是保持恒定不變的，而皮膚內(nèi)的血液容積在心臟作用下呈搏動性變化，當心臟收縮時外周血容量最多，光吸收量也最大檢測到的光強度最?。欢谛呐K舒張時，正好相反，檢測到的光強度最大，故光接收器接收到的光強度隨之呈脈動性變化，將此光強度變化信號轉(zhuǎn)換成電信號，便可獲得容積脈搏血流的變化。由此可見，容積脈搏血流中包含有血液流動等諸多心血管系統(tǒng)的重要生理信息。同時，容積脈搏血流主要存在于外周血管中的微動脈、毛細血管等微血管中，所以容積脈搏血流同樣包含有豐富的微循環(huán)生理病理信息，是我們研究人體循環(huán)系統(tǒng)重要的信息來源。

PPG信號中包含有人體循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等許多生理病理信息。在人體血壓、血流、血氧、腦氧、肌氧、血糖、脈率、微循環(huán)、血管阻力、呼吸率、呼吸量等參數(shù)的無創(chuàng)檢測中都有很好的應用前景。雖然由于紅光、紅外光與人體組織相互作用的機理十分復雜，影響它的因素也比較多。我們對容積脈搏血流本身的機理了解和研究得還很不夠。加上對血流標定工作的困難，因而在臨床上真正應用PPG 開發(fā)的醫(yī)療儀器還十分有限。目前應用得最為廣泛和成功的是監(jiān)護儀中的血氧和脈率檢測。

3 光電脈搏信號檢測電路設(shè)計

由于血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）在紅光和紅外光區(qū)（600～1000nm）有獨特的吸收光譜，因而使PPG 成為研究組織中血液成分尤其是血氧狀態(tài)的簡單而有效的方法。許多國家的研究人員對無創(chuàng)測量動脈血氧飽和度和組織血氧飽和度的裝置進行了各自的研究。在他們所采用的無論是透射光法和反射光法中都以朗伯 比爾定律（The Lam-bert-Beer Law）和光散射理論為基礎(chǔ)，利用氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收系數(shù)的差異來進行，在紅光區(qū)（600～700nm）HbO2 和Hb的吸收差異很大，而在紅外光譜區(qū)（800～1000nm）其吸收差異較小。當血氧飽和度變化時，也就HbO2 相對Hb的濃度發(fā)生變化時，血氧飽和度應該和光檢測器上的660nm 和940nm 兩個波長的相對光強之間存在較好的線性關(guān)系。

血氧飽和度：SpO2=A+BR 其中，A、B為標定常數(shù)

由此原理設(shè)計出的無創(chuàng)脈搏血氧儀，是一種快速測量血氧飽和度的有效方法，成為當今國際上廣泛采用的監(jiān)護儀器。廣泛用于手術(shù)室 監(jiān)護室 急救病房 運動和睡眠等各種臨床應用中。

人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號，脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號，必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求，脈搏檢測電路設(shè)計框如圖1所示。

3.1 信號輸入、傳感器選擇

利用指套式光電傳感器，指套式光電傳感器的換能元件用硅光電池，由于心臟的跳動，引起手指尖的微血管的體積發(fā)生相應的變化，當光通過手指尖射到硅光電池時，產(chǎn)生光電效應，兩極之間產(chǎn)生電壓由于指尖的微血管內(nèi)的血液隨著心臟的跳動發(fā)生相應于脈搏的容積變化，因而使光透過指尖射到硅光電池時也發(fā)生相應的強度變化，而非血液組織（皮膚、肌肉、骨格等）的光吸收量是恒定不變的，這樣就把人體的脈搏（非電學量）轉(zhuǎn)換為相應于脈博的電信號，方便檢測。

3.2 差分放大

這里選用低噪聲的集成儀器放大器INA114作為放大器的核心元件。最低2.3V的工作電源電壓滿足電源要求，INA114的失調(diào)電壓不到0.1mV，因此取其電壓增益100，根據(jù)INA114的增益計算公式可得RG=500Ω，INA114的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

3.3 低通濾波器

利用歸一化的方法設(shè)計低通濾波器。這里用四階巴特沃斯低通濾波器，其優(yōu)點是在通帶內(nèi)幅頻特性曲線比較平坦，而且四階也可以達到較陡的衰減的特性：其截止頻率為20Hz時，到頻率為40Hz時其衰減幅度為9%。它的作用是濾除頻率為20Hz以上的信號分量。如圖3所示。

設(shè)截至頻率為20Hz，符合采樣要求同時濾除工頻干擾，根據(jù)歸一化公式，取R1=R2=R3=R4=100KΩ，可算得C1=C2=C3= C4=0.25μF。

4 結(jié)束語

相信隨著PPG基礎(chǔ)研究工作的進一步開展和人們對這項技術(shù)的更深入了解，它必將開拓出更為廣泛的應用領(lǐng)域。PPG方法所具有的無創(chuàng)性，且檢測方便、操作簡單、性能穩(wěn)定、重復性好、安全無交叉感染等許多優(yōu)點，使其不僅可用于醫(yī)院中的臨床檢測、監(jiān)護、急救體能測試，還可應用于社區(qū)和家庭醫(yī)療保健，并具備聯(lián)網(wǎng)擴展功能，可以組建家庭社區(qū)和醫(yī)院的醫(yī)療網(wǎng)絡，在這些方面將都會有很好的應用前景。

參考文獻

[1]楊福生.生物醫(yī)學信號處理[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1997.

作者簡介

陳斌（1972-），男，安徽省懷寧縣人。大學本科學歷?，F(xiàn)為中國電子科技集團公司第四十一研究所高級工程師、研發(fā)部部長。研究方向為自動化。

作者單位

中國電子科技集團公司第四十一研究所 山東省青島市 266555endprint