基于光電容積脈搏波描記法的反射型PPG信號(hào)傳感器的設(shè)計(jì)

成都理工大學(xué) 周一峰　劉超英　黃　虎　郭一鳴　鄒林方

基于光電容積脈搏波描記法的反射型PPG信號(hào)傳感器的設(shè)計(jì)

成都理工大學(xué) 周一峰劉超英黃虎郭一鳴鄒林方

光電容積描記法（PPG）有效利用了光電技術(shù)的最新發(fā)展及應(yīng)用成果，借助光電手段，通過檢測生物組織血液容積的變化來獲得人體生理學(xué)信號(hào)及特征。它是一種非侵入式測量技術(shù)，可廣泛用于個(gè)人、家庭及大規(guī)模人群的生理健康檢測和監(jiān)測。本文簡述了光電容積脈搏波描記法原理及其應(yīng)用，介紹了人體外周血管中光電脈搏信號(hào)檢測電路設(shè)計(jì)。

PPG；心率監(jiān)測；傳感器

1　前言

心血管領(lǐng)域的研究人員普遍認(rèn)為，在早期檢測、早期干預(yù)的情況下，很多流行性心血管疾病是可以得到有效的避免或者緩解的，因此測心率就成為體檢的必要環(huán)節(jié)。醫(yī)院中使用傳統(tǒng)的ECG傳感器醫(yī)療設(shè)備監(jiān)測病人的心率，來判斷病人是否健康［1］。雖然從臨床醫(yī)療的角度來說，這種方法非常實(shí)用和精確，但不適合個(gè)人和家庭對心率進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量情況。脈搏波作為一種可以反映心率的數(shù)據(jù)，脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)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(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景［2］。

目前，主流的脈搏波測量方法有兩種：壓力脈搏波和容積脈搏波。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。這種技術(shù)利用HbO2和Hb對紅光和紅外光的吸收率各不相同的特性，通過測量穿過血液的不同光線的衰減程度可以換算出它們在血液中的含量。該方法可以實(shí)現(xiàn)對人體連續(xù)無損傷測量，且使用簡便、反應(yīng)快速，受到廣泛的研究和重視［3］。按照光源和光電傳感器的相對位置，將PPG信號(hào)接收傳感器分為穿透方式和反射方式。穿透方式通常會(huì)選擇人體外部圓柱形的位置作為測量區(qū)域。這種方式由于可以捕捉到高質(zhì)量的信號(hào)，而被廣泛應(yīng)用。然而，這種方式對個(gè)體而言，在長時(shí)間的佩戴下，會(huì)造成不適感和行動(dòng)不便。反射方式使用光源和光電傳感器在皮膚表面的同一邊的方式，這種方式可以有效地解決以上問題，同時(shí)，可以使傳感器的佩戴位置更靈活和舒適。然而，這樣的設(shè)計(jì)面臨著兩個(gè)問題：（1）由于向人體組織下方的散射較高，造成了反射信號(hào)質(zhì)量沒有穿透型的質(zhì)量高；（2）如何決定光源和光電傳感器之間的距離。

對于這兩個(gè)主要的問題，本文采用LED陣列的方式改善信號(hào)質(zhì)量較弱的問題。對于第二個(gè)問題，本文采用蒙特·卡羅方法仿真的方式，非常接近光線在人體組織中的反射狀態(tài)。

2　反射型傳感器研究

（1）光源和光電傳感器分離

為了解決光源和傳感器分離，我們需要知道，光在人體組織中是如何傳播的。傳播方式有兩種，一種是基于漫射原理，另一種是基于蒙特·卡羅方法仿真。漫射原理中光源、接收器的距離和探測深度之間的關(guān)系近似于公式：

這里z表示探測深度，d表示光源與接收器之間的距離［4］。

我們使用蒙特-卡羅模擬方法來模擬光線在多層介質(zhì)中傳播的路徑，以此為基礎(chǔ)我們確定光源與光電傳感器之間的距離。當(dāng)光線有效的穿透深度達(dá)到血液層的底部時(shí)，根據(jù)相應(yīng)的光源和接收器的間隔關(guān)系，探測器應(yīng)當(dāng)接收到差異最大的兩束回波在兩個(gè)不同的血液含氧量狀態(tài)之間。為了接收到這種差異的回波，這個(gè)最佳距離，根據(jù)蒙特-卡羅仿真的結(jié)果，所有參數(shù)的選擇應(yīng)該是波長在940nm左右［4］。

（2）心率監(jiān)測設(shè)備

前端PPG傳感器是由一個(gè)光電二極管和四個(gè)雙波長LED，為了避免設(shè)備色彩的干擾，我們選用黑色為設(shè)備的背景色。

整個(gè)系統(tǒng)后臺(tái)硬件原理框圖如圖2-1所示。傳統(tǒng)上LED驅(qū)動(dòng)模塊和信號(hào)處理模塊是使用各自的電子模塊，但是這種方法不僅會(huì)使功耗增高，而且在信號(hào)采集的過程中會(huì)有噪聲信號(hào)噪聲，為了避免這種情況，我們使用集成的微型單片機(jī)（MCU）為主控芯片，該芯片有豐富的內(nèi)置資源，集成了SPI等標(biāo)準(zhǔn)通信模塊，重要的是此芯片內(nèi)部集成了PWM定時(shí)器和ADC。激發(fā)光源采用38KHz的方波，這樣做可以有效的降低干擾，光電二極管在接收到反射光信號(hào)以后，會(huì)產(chǎn)生電流信號(hào)，對此電流信號(hào)進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換處理。然后對處理過的信號(hào)用低通濾波器進(jìn)行處理的同時(shí)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為20倍，我們采用TLC2262芯片，這是一種單電源供電的軌對軌運(yùn)算放大器。之后對信號(hào)進(jìn)行采樣，使用單片機(jī)內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換器。然后對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，最后顯示在LCD顯示屏上，同時(shí)還可以通過串口傳送至上位機(jī)。

圖2-1　系統(tǒng)原理框圖

為了使采樣得到的數(shù)字信號(hào)更真實(shí)的反映人體脈搏波，我們對采樣的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，原理如圖2-2所示。

圖2-2　低通IIR濾波器

濾除信號(hào)中的高頻干擾后，再對信號(hào)乘以一定的數(shù)值，相當(dāng)于對信號(hào)進(jìn)行放大處理，最終輸出較高質(zhì)量的波形。

3　結(jié)語

在光電容積脈搏波（PPG）理論的基礎(chǔ)上，本文討論了，選用穿透方式和反射方式進(jìn)行脈搏波的測量的優(yōu)劣性問題，并如何選取光源和接收器之間的間隔問題進(jìn)行了研究。同時(shí)完成了整個(gè)測量裝置的設(shè)計(jì)，通過光電傳感器接收人體微弱的脈搏信號(hào)，經(jīng)過模擬電路處理，再由MCU進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的濾波和放大，完成了對人體脈搏波的提取，最后通過液晶顯示器進(jìn)行顯示。

［1］Chao-Ting Chu，Huann-Keng Chiang，Jian-Jie Hung“Dynamic Heart Rate Monitors Algorithm for Reflection Green Light Wearable Devic”e，2015 International Conference on Intelligent Informatics and Biomedical Sciences （ICIIBMS），28-30 Nov.2015.

［2］陳斌.光電容積脈搏波描記法原理、應(yīng)用及其電路設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2014（18）.

［3］石屏，喻洪流.光電容積描記技術(shù)原理及其應(yīng)用［J］.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2013，8，4（30）.

［4］Fulai Peng，Weidong Wang， Hongyun Liu “Development of a Reflective PPG Signal Sensor” International Conference on BioMedical Engineering and Informatics（BMEI 2014），7th 2014.

周一峰（1989－），男，河南商丘人，碩士，現(xiàn)就讀于成都理工大學(xué)，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。