光电容积脉搏波描记法原理、应用及其电路设计

一 前言

从脉搏波中提取人体的生理病理信息作 为临床诊断和治疗的依据,历来都受到中外医 学界的重视。脉搏波所呈现出的形态、强度、 速率和节律等方面的综合信息,在很大程度上 反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流 特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医 学价值和应用前景。

随着科学技术的发展,脉搏测试不再局 限于传统的人工测试法或听诊器测试法。利用 血液是高度不透明的液体,光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍的特点,可通 过传感器对脉搏信号进行检测,这种技术具有 先进性、实用性和稳定性,同时也是生物医学 工程领域的发展方向。

二 光电容积脉搏波描记法原理及应用 简述

光电容积脉搏波描记法(Photo Plethysmo Graphy,下文简称 PPG)是借光电手段在活 体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方 法。当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时, 光束将通过透射或反射方式传送到光电接收 器,在此过程中由于受到检测端皮肤肌肉和血 液的吸收衰减作用,检测器检测到的光强度将 减弱,其中皮肤肌肉、组织等对光的吸收在整 个血液循环中是保持恒定不变的,而皮肤内的 血液容积在心脏作用下呈搏动性变化,当心脏收缩时外周血容量最多,光吸收量也最大检测 到的光强度最小;而在心脏舒张时,正好相反, 检测到的光强度最大,故光接收器接收到的光 强度随之呈脉动性变化,将此光强度变化信号 转换成电信号,便可获得容积脉搏血流的变化。 由此可见,容积脉搏血流中包含有血液流动等 诸多心血管系统的重要生理信息。同时,容积 脉搏血流主要存在于外周血管中的微动脉、毛 细血管等微血管中,所以容积脉搏血流同样包 含有丰富的微循环生理病理信息,是我们研究 人体循环系统重要的信息来源。

PPG 信号中包含有人体循环系统、呼吸 系统等许多生理病理信息。在人体血压、血流、 血氧、脑氧、肌氧、血糖、脉率、微循环、血 管阻力、呼吸率、呼吸量等参数的无创检测中 都有很好的应用前景。虽然由于红光、红外光 与人体组织相互作用的机理十分复杂,影响它的因素也比较多。我们对容积脉搏血流本身的 机理了解和研究得还很不够。加上对血流标定 工作的困难,因而在临床上真正应用 PPG 开 发的医疗仪器还十分有限。目前应用得最为广 泛和成功的是监护仪中的血氧和脉率检测。

三 光电脉搏信号检测电路设计

由 于 血 液 中 氧 合 血 红 蛋 白(HbO2) 和脱氧血红蛋白(Hb)在红光和红外光区 (600~1000nm)有独特的吸收光谱,因而使 PPG 成为研究组织中血液成分尤其是血氧状态 的简单而有效的方法。许多国家的研究人员对 无创测量动脉血氧饱和度和组织血氧饱和度的 装置进行了各自的研究。在他们所采用的无论 是透射光法和反射光法中都以朗伯 比尔定律 (The Lam-bert-Beer Law)和光散射理论为基 础,利用氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的光吸 收系数的差异来进行,在红光区(600~700nm) HbO2 和 Hb 的吸收差异很大,而在红外光谱 区(800~1000nm)其吸收差异较小。当血氧 饱和度变化时,也就 HbO2 相对 Hb 的浓度发 生变化时,血氧饱和度应该和光检测器上的 660nm 和 940nm 两个波长的相对光强之间存 在较好的线性关系。

血氧饱和度:SpO2=A+BR 其中,A、B 为标定常数

由此原理设计出的无创脉搏血氧仪,是 一种快速测量血氧饱和度的有效方法,成为当 今国际上广泛采用的监护仪器。广泛用于手术 室 监护室 急救病房 运动和睡眠等各种临床应 用中。

人体的生物信号多属于强噪声背景下的 低频的弱信号,脉搏波信号更是低频微弱的非 电生理信号,必需经过放大和后级滤波以满足 采集的要求,脉搏检测电路设计框如图 1 所示。

3.1 信号输入、传感器选择

利用指套式光电传感器,指套式光电传 感器的换能元件用硅光电池,由于心脏的跳动, 引起手指尖的微血管的体积发生相应的变化, 当光通过手指尖射到硅光电池时,产生光电效 应,两极之间产生电压由于指尖的微血管内的 血液随着心脏的跳动发生相应于脉搏的容积变 化,因而使光透过指尖射到硅光电池时也发生 相应的强度变化,而非血液组织(皮肤、肌肉、 骨格等)的光吸收量是恒定不变的,这样就把 人体的脉搏(非电学量)转换为相应于脉博的 电信号,方便检测。

3.2 差分放大

这里选用低噪声的集成 仪器放大器 INA114 作为放 大器的核心元件。最低 2.3V 的工作电源电压满足电源要 求,INA114 的 失 调 电 压 不 到 0.1mV,因此取其电压增 益 100, 根 据 INA114 的 增 益计算公式可得 RG=500Ω, INA114 的内部结构图,如图 2 所示。

3.3 低通滤波器

利用归一化的方法设计 低通滤波器。这里用四阶巴 特沃斯低通滤波器,其优点 是在通带内幅频特性曲线比 较平坦,而且四阶也可以达 到较陡的衰减的特性:其截 止频率为 20Hz 时,到频率为 40Hz 时其衰减幅度为 9%。 它的作用是滤除频率为 20Hz 以上的信号分量。如图3所示。

设 截 至 频 率 为 20Hz, 符合采样要求同时滤除工频 干扰,根据归一化公式,取 R1=R2=R3=R4=100KΩ, 可 算 得 C1=C2=C3= C4=0.25μF。

4 结束语

相信随着 PPG 基础研究工作的进一步开 展和人们对这项技术的更深入了解,它必将开 拓出更为广泛的应用领域。PPG 方法所具有的 无创性,且检测方便、操作简单、性能稳定、 重复性好、安全无交叉感染等许多优点,使其 不仅可用于医院中的临床检测、监护、急救体 能测试,还可应用于社区和家庭医疗保健,并 具备联网扩展功能,可以组建家庭社区和医院 的医疗网络,在这些方面将都会有很好的应用前景。