基于光電二極管的動脈血壓信號無損監測技術*

熊元姣

（深圳職業技術學院 計算機工程學院，廣東 深圳 518055）

基于光電二極管的動脈血壓信號無損監測技術*

熊元姣

（深圳職業技術學院 計算機工程學院，廣東 深圳 518055）

用紅外發光二極管和光電二極管組成的光耦合指套，放置在人身體的指尖部位，通過檢測人體末梢組織在動脈舒張和收縮時對紅外光的吸收度變化率，來檢測人體動脈血壓信號的異常．紅外發射二極管的驅動采用PWM信號調制的恒流驅動，光電二極管接收穿透人體后的紅外光并轉換成微弱的電信號，再經過前置放大、倒相、壓控二階低通濾波、陷波電路、A/D轉換等處理后，MCU從采集的數據中提取有關動脈血壓信號的特征值，實現血壓信號異常的無損連續監測．

光電二極管（Photo-Diode）；PWM；倒相；二階濾波；A/D采集

1 監測方案

傳統的肌血氧的檢測是通過采血檢測血氧乳酸濃度來估計肌肉中血氧含量，這種測量方法盡管準確，但會給患者帶來痛苦，而且不便于連續監測．波段為780-1100nm的近紅外光對皮膚，脂肪和顱骨有很好的穿透性，同時在脈動舒張和收縮期間所吸收的光量與血液中的氧含量有關，可以透過人體末梢組織，無損地檢測到動脈血壓信號的異常．本文介紹了一種指套式血氧參數無損測量方案，此方案中用PWM調制紅外二極管的驅動電流，通過前置放大、倒相、濾波等處理后可以消除光電二極管暗電流引起的偏差、環境帶來的噪聲．有源濾波的運算放大器選用的是低噪聲的LMV792，A/D轉換芯片采用了多通道16位的MAX1167芯片，最后MCU對采集的數據進行處理提取動脈血壓信號的特征值．

圖1是動脈血壓信號無創連續監測系統的原理框圖，其功能是連續監測動脈血壓信號的異常，實時顯示數據，出現異動時能夠報警提示．系統采用8.4V/2500mA鋰電池供電，電源模塊包括DC-DC的5V、3.3V電壓輸出和充電電路．系統還包含MCU及其外圍接口電路，通過MCU采集的初級信號自動調整PWM的脈寬，使系統能夠根據被測對象的不同來調整信號，保證信號處于合適的范圍[1]．

人體血液的濃度、血氧的含量、血液成分等因素都會影響對紅外光的吸收，本系統的工作原理是利用紅外發光二極管和光電二極管再加上一些特殊工藝制造的光耦合探測指套，放置于被測對象的指尖部位，紅外光通過指尖后的透射光照在光電二極管上，光照強度的變化引起光電二極管上的反向電流產生變化，此變化能夠真實地反映血液成分的含量，但這種變化只是十幾微安的電流微弱信號，通過光導電路將其轉化成電壓信號．光電二極管上的電壓信號機器微弱，很容易受到環境噪聲和傳輸線路上的干擾，且由于人體個體的差異，如骨骼、肌肉、血液等因素，對紅外光的吸收都有所不同．因此要得到完善的檢測信號，首先要根據個體差異控制前端紅外二極管的驅動電流，MCU通過采集的初級信號來調節PWM的脈寬，從而使電流處于合適的大小．光信號轉換成的電壓信號包含環境噪聲和工頻干擾，并且其強度與透射光的強度成反比，所以要經過前置放大、倒相、濾波、50Hz限波等處理，最后通過16位的A/D轉換送到MCU進行處理，提取血液中的特征值來判斷動脈血液異常情況[2]．

圖1 監測儀硬件原理框圖

2 紅外管驅動電路和光導電路

光電二極管（Photo-Diode）和紅外發光二極管組成一個模塊，被稱為光電耦合元件．將指尖放在耦合模塊中間，當紅外管發光透過手指，另一側的光電二極管根據接收到的光強度轉換成電信號．由于指尖部位充血和回流時對光的吸收率不同，透射過來的光強也不同，引起的電壓信號也隨之變化，根據這些變化的特征就能提取動脈血壓的特征值，從而判斷是否異常．圖2是PWM紅外驅動和光導原理圖[3]．

圖2中PWM是用MCU輸出的50 kHz脈沖寬度調制信號，通過R1，C1，R2，C2構成的二階濾波后，得到一個直流分量電壓加在三極管Q1的基極上，此電壓的大小與PWM的脈寬有關，脈寬越寬基極電壓就越高，2N3904的基極電流就越大，根據三極管的特性，流過發射極的紅外二極管D1的電流就會增大；反之，則減小．通過PWM就可以有效控制D1的光強．表1是實測的有一組PWM脈寬和D1的驅動電流的數據．波長830～950nm的紅外發光二極管正向電壓為1.4～1.65V，電流20～50mA．由此可見，PWM在50%～70%之間可以很好地控制電流大小．

圖2中電阻R4和光電二極管D2組成光導電路．光電二極管是把光信號轉換成電信號的光電傳感器件．有光照時，反向電阻隨光照強度增加而減小[4]．D2在最大光照時的電流約為50μA，R4為51kΩ的電阻，此時out-1的輸出約為0.7V，沒有光照時，out-1的輸出約為3.3V，忽略暗電流．

圖2 PWM紅外驅動和光導原理圖

表1 PWM脈寬和D1驅動電流的關系

3 前置放大和二階濾波

圖3是倒相、前置放大、二階濾波、消除工頻干擾等處理電路的原理圖．

3.1 噪聲分析

由于脈搏信號十分微弱，用光電二極管測量的方法，很容易受到外界環境干擾．例如環境光、電磁干擾、測量過程運動噪聲、工頻干擾等．人體脈搏信號的頻率在1～30Hz之間，所以很容易通過低通濾波器將噪聲消除．雖然脈搏頻率很低，但血液舒張和收縮時的變化率很大，這樣就不能將截止頻率調得過低，否則會使信號失真，損失尖峰值．50Hz的工頻干擾，可以通過陷波器有效濾除．圖4是處理前后信號的對比圖，由曲線1可以看出，光導電壓和光照強度成反比，即血液吸收率大時，電壓越低，而且包含有各種頻率的高頻噪聲，如果不進行處理．此信號無法使用．電路中選用了低噪聲、低功耗、低電壓、低壓差的運算放大器LMV792．它常用在這種微弱信號的醫療設備中．從圖4的對比圖可以看出經過處理后的信號有非常明顯的改善．

圖3 置放大和二階濾波電路原理圖

圖4 濾波處理后的動脈信號波形

3.2 前置放大與倒相電路

根據紅外光譜的吸收原理，血液濃度大，透射到光電管上的光強減弱，D2的反向電流減小，光導輸出的電壓增大，即D2接收的光越強，out-1就越低，所以圖4的波形與D2的感光量是反相的．實際計算時需要倒相電路．

雖然動脈血壓信號的頻率范圍為1～30Hz之間，由圖4可見，D2上的光照強度變化率是非常大的，故截止頻率設計為212Hz．Uref是3.0V的基準電壓，它與信號out-1相減使得信號的相位翻轉，此電路的放大倍數約為1.3．

3.3 二階濾波和限波電路

光導電壓輸出信號弱、噪聲大，前置放大濾波電路的放大倍數不能太大，且濾波也不能過于嚴格，否則會損失有用信號．U1還有一個很重要的作用就是與光導輸出進行隔離，增強信號的抗干擾能力．圖3的U2才是主要的中級濾波部分，它是一個壓控式二階濾波電路，是對典型的巴特沃斯型低通濾波進行了改進．此電路的優點是在給定的頻段內，信號可以無衰減地通過，截止頻率為202Hz，電阻R13是為了使放大倍數為1，即不放大也不衰減．

由運算放大器U3構成的是一個雙T型的50Hz陷波電路，用以消除疊加在測試信號中所包含的50Hz工頻信號．因為雙T網絡只有在離中心頻率較遠時才能達到較好的衰減特性，因此濾波器的Q值不高．引入由R17、R18分壓后的反饋電壓，是為了提高Q值，調節R17、R18的阻值，來控制陷波器的濾波特性，即帶阻濾波的頻帶寬度和Q值的高低．

4 A/D采集電路

MCU對兩路信號進行了采集，如圖5所示．采集out-2的目的是為了確定PWM的脈寬，計算方法是啟動系統后，根據采集到的out-2的最小值（基線）來確定PWM，當基線高于1V時，說明紅外二極管的光強太弱，需加寬PWM；反之，則減小．A/D轉換和采集采用了MAX1167，采樣頻率的確定是根據信號的特征來確定．根據前面的分析，電路中濾波的頻率約為200Hz，單路采樣頻率定位5ksps，兩路的采樣頻率就為10ksps．從MCU采集到的out-4的數據中，經過血壓信號異常檢測算法，提取舒張末期斜率和慢速射血期斜率等特征，得到動脈血壓異常的無創連續檢測[5]．

圖5 A/D采集電路

5 結束語

用紅外發光二極管和光電二極管組成的光耦合探測器可以精確地檢測動脈舒張和收縮時對紅外光吸收率的變化．這種光電二極管輸出的微弱信號包含很多噪聲，通過本文介紹的前置放大、倒相、濾波、限波等處理，能夠得到很好的動脈血壓信號，從而使無損監測人體血壓信號的異常成為可能．

采用本文介紹的技術研制出來的無損監測儀具有低成本、精度高、低功耗的特點．系統工作時電流約為100mA，待機模式50μA，可以用充電鋰電池供電，體積小、便于攜帶．

[1] 周宇，李殿立，徐文棟. 一種新的電外科儀器輸出參數測量系統[J]．生物醫學工程學雜志, 2014(2）：421-425.

[2] 秦釗，李凱陽，楊宣東. 近紅外無損腦血氧監測儀的研制[J]. 生物醫學工程學雜志．200，24（6）：1220-1223.

[3] 龔仁喜，張義門.光導開關工作與偏置電壓的關系[J].半導體學報，2001, 22（9）：1165-1169.

[4] 王樂新，趙志敏，姚紅兵,等.血液的紅外吸收光譜分析及應用研究[J]. 光譜學與光譜分析，2002,22（6）：980-982.

[5] 張攀登，劉嘉，吳新宇. 一種新的特征提取方法在無創動脈血壓信號異常識別中的應用[J]. 中國醫學物理學雜志，2010（5）：2128-2132.

Non-invasive Technology for Arterial Blood Pressure Signal Based on Photo-diode

XIONG Yuanjiao

（School of Computer Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

An optical coupling finger stall, composed of IR LED and photo-diode, is placed at fingertip, when the IR transmission light intensity across a finger changes with the diastole and systole of arterial blood pressure, the inverter current of photo-diode varies. Therefore, the arterial blood pressure anomalies can be detected according to the changes. The drive current of IR LED, controlled by PWM is constant in the process of detection. The voltage signal converted by photo-diode is very week, so that it can easily be disturbed. The signal must be processed by the pre-amplification circuit, second order filter circuit, and wave trap. Finally, the data from A/D converter is collected and processed by MCU.

photo-diode; PWM; signal inverter; second order filter; A/D converter

TP342

A

1672-0318（2015）01-0023-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2015·01, 005

2014-11-02

*項目來源：中國科學院深圳先進技術研究院合作項目（6014.26K201164991）

熊元姣（1967-），女，湖北人，碩士，高級工程師，主要研究方向：嵌入式系統開發．