光電式脈搏傳感器的原理
1 引言
人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)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(tǒng)傳播,這種波稱為脈搏波。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,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。
傳統(tǒng)的脈搏測量采用脈診方式,中醫(yī)脈象診斷技術(shù)就是脈搏測量在中醫(yī)上卓有成效的應(yīng)用,但是受人為的影響因素較大,測量精度不高。無創(chuàng)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(chuàng)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(shù)[1]。
生物醫(yī)學(xué)傳感器是獲取生物信息并將其轉(zhuǎn)換成易于測量和處理信號的一個關(guān)鍵器件。光電式脈搏傳感器是根據(jù)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(jiān)測,間接檢測出脈搏信號,光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、可重復(fù)好等優(yōu)點。本文討論的就是基于光電式脈搏傳感器的設(shè)計和具體實現(xiàn)。
2 光電式脈搏傳感器的原理和結(jié)構(gòu)
2.1 光電式脈搏傳感器的原理
根據(jù)郎伯－比爾（lamber－beer）定律,物質(zhì)在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比,當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時,通過人體組織吸收、反射衰減后測量到的光強在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。
脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)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。
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,靜脈血的搏動相對于動脈血是十分微弱的,可以忽略,因此可以認(rèn)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,通過檢測透過手指的光強可以間接測量到人體的脈搏信號。
2.2 光電式脈搏傳感器的結(jié)構(gòu)
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**。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射形式和反射式2種[2],其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置,接收的是透射光,這種方法可較好地反映出心律的時間關(guān)系,但不能精確測量出血液容積量的變化;反射式的發(fā)射光源和光敏器件位于同一側(cè),接收的是血液漫反射回來的光,此信號可以精確地測得血管內(nèi)容積變化。本文討論的是透射式脈搏傳感器,側(cè)重于脈搏信號的測量。
3 光電式脈搏傳感器的制作
3.1 光敏器件
光電式脈搏傳感器由于采用不同的光敏元件有著多種實現(xiàn)方法,其中光敏元件主要有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和硅光電池,在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器設(shè)計中,通常采用的是獨立光敏元件,利用半導(dǎo)體和光電效應(yīng)改變輸出的電流,通常光敏元器件輸出的電流極低,容易受到外界干擾,而且對后續(xù)的放大器的要求比較嚴(yán)格,需要放大器空載時的電流輸出較小,避免放大器空載輸出電流對脈搏信號測量的干擾,這樣對于普通的放大器就不能直接應(yīng)用在光敏元件的后端。
