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(guò)檢測(cè)生物組織血液容積的變化來(lái)獲得人體生理學(xué)信號(hào)及特征。它是一種非侵入式測(cè)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(cè)和監(jiān)測(cè)。本文簡(jiǎn)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(cè)電路設(shè)計(jì)。

PPG；心率監(jiān)測(cè)；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(cè)、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(cè)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(cè)病人的心率，來(lái)判斷病人是否健康［1］。雖然從臨床醫(yī)療的角度來(lái)說(shuō)，這種方法非常實(shí)用和精確，但不適合個(gè)人和家庭對(duì)心率進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)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(duì)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(cè)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(jiǎn)稱 PPG）是借光電手段在活體組織中檢測(cè)血液容積變化的一種無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法。這種技術(shù)利用HbO2和Hb對(duì)紅光和紅外光的吸收率各不相同的特性，通過(guò)測(cè)量穿過(guò)血液的不同光線的衰減程度可以換算出它們?cè)谘褐械暮俊Ｔ摲椒梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)人體連續(xù)無(wú)損傷測(cè)量，且使用簡(jiǎn)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(duì)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(cè)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(duì)個(gè)體而言，在長(zhǎng)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(wèn)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(wèn)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(méi)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(duì)于這兩個(gè)主要的問(wèn)題，本文采用LED陣列的方式改善信號(hào)質(zhì)量較弱的問(wèn)題。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)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(cè)深度之間的關(guān)系近似于公式：

這里z表示探測(cè)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(lái)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(cè)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(zhǎng)在940nm左右［4］。

（2）心率監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(guò)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(duì)此電流信號(hào)進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換處理。然后對(duì)處理過(guò)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(duì)軌運(yùn)算放大器。之后對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)信號(hào)乘以一定的數(shù)值，相當(dāng)于對(duì)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(yǔ)

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(cè)量的優(yōu)劣性問(wèn)題，并如何選取光源和接收器之間的間隔問(wèn)題進(jìn)行了研究。同時(shí)完成了整個(gè)測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)，通過(guò)光電傳感器接收人體微弱的脈搏信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(duì)人體脈搏波的提取，最后通過(guò)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)。