光电脉搏传感器的研制和噪声分析

制电路

在脉搏信号测量过程中, 为了尽量减少光源供电波动对测量脉搏信号的影响, 需要恒流电路 来控制光源的稳定供电, 使在脉搏测量过程中, 发射光源发出的光强是恒定的。

图6 为恒流源电路, 在电路中R1 两端的电压值恒等于稳压二极管D1 的稳压值,因此流经R1 的电流值恒定,控制使三极管Q1 处于放大状态, 那么流过发光二极管D3 的电流值恒定,因此发光二极管D3 能输出稳定光强的光。

3.4 　脉搏信号调理电路

芯片OPT101 中输出的脉搏信号为直流和交流叠加的混合电压信号, 其中交流信号中包含了脉搏信息, 因此信号调理电路先要滤除叠加的直流信号, 再对交流信号进行放大。滤除直流信号可以通过一个电容来实现, 但是电容在隔直流的同时可能造成脉搏信号的部分失真。较为理想的方式是采用一个减法器来实现绝大部分直流电平的滤除, 由于不同受试者的手指的透光率不同, 测量到的直流电平不同, 因此需要一个来实现相应的直流电平的滤除,本文就是采用可控直流电平输出和减法器来实现脉搏信号的提取。在得到包含有脉搏信号的交流信号后, 只要通过简单的放大电路和低通滤波电路即可实现脉搏信号的提取。

4 光电式脉搏传感器的实验测量和噪声分析

在测量过程中, 前端测量到的脉搏信号十分微弱, 容易受到外界环境干扰, 因此需要对脉搏传感器的干扰噪声进行分析, 从光电式脉搏传感器设计的技术角度减少干扰, 使之能够准确测量到脉搏信号。光电式脉搏传感器的干扰主要有测量环境光干扰、电磁干扰、测量过程运动噪声, 下面对上述情况结合实验测量做进一步的分析。

4.1 　环境光对脉搏传感器测量的影响

在光电式脉搏传感器中, 光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏信息的透射光信号, 而且包含测量环境下的背景光信号, 由于动脉搏动引起的光强变化比背景光的变化微弱得多, 因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定, 减少背景光的干扰。

测量环境下的背景光包含环境光和在测量过程中引起的二次反射光。为了减少环境光对脉搏信号测量的影响, 同时考虑到传感器使用的方便性, 采用密封的指套式的包装方式, 整个外壳采用不透光的介质和颜色, 尽量减小外界环境光的影响。为了避免测量过程中的二次反射光的影响, 在指套式传感器的内层表面涂上一层吸光材料, 这样能有效减少二次反射光的干扰。

由图7 的图形明显可知, 加上指套式外壳后的脉搏传感器测量到的脉搏波形比较平滑。这是因为加指套式的脉搏传感器中环境光在测量过程中基本上不受外界环境光的影响, 而且能够有效减少二次反射光, 使照射到手指上的光波长单一, 所以得到的脉搏信号较为稳定, 没有明显的重叠杂波信号, 能够很好地体现出脉搏波形的特征。

4.2 　电磁干扰对脉搏传感器的影响

通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一般比较微弱, 容易受到外界电磁信号的干扰, 在传统的光电式脉搏传感器电路中, 由于光敏器件和一级放大电路是分离的, 那么在信号的传递过程就很容易受到外界电磁干扰,通常在一级放大电路采用电磁屏蔽的方式来消除电磁干扰。本系统采用了新型的光敏器件, 在芯片内部集成光敏器和一级放大电路, 有效地抑制了外界电磁信号对原始脉搏信号的干扰。

工频干扰是电路中最常见的干扰, 脉搏信号变化缓慢, 特别容易受到工频信号的干扰, 因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度的主要措施之一。通常脉搏信号的频率范围在013～30 Hz 之间, 小于工频50 Hz ,因此通过低通滤波器可以有效滤除工频干扰, 这在信号调理电路中容易实现; 同时可以在控制电路中对光源进行脉冲调制。这样不但能够降低系统的功耗, 而且能够在一定程度上减小外界的电磁干扰。在脉搏信号数据采集后, 可以通过数据处理法方法进一步滤除工频信号的干扰。

4.3 　测量过程中运动噪声

在测量过程当中, 通常情况下手指和光电式脉搏传感器可能产生相对的运动, 这样对脉搏测量产生误差, 可以通过2 个方面减少运动噪声误差: 一是改善指套式传感器的机械抗运动性, 比如说使指套能够更紧的夹在手指上, 不易松动; 二是从脉搏信号处理的角度, 通过算法来减小误差,对于传感器的设计, 现在采用的主要是第一个途径。

5 结　语

无创伤监护技术将是未来医学工程发展的重要方向,而人体脉搏信号中包含丰富的生理信息, 也逐渐引起了临床医生的很大兴趣。光电容积法( PPG) 是当今测量脉搏信号的一种有效途径, 也可以通过这种方法测量血氧饱和度, 氧分压、心搏出量等生理信号, 为临床诊断提供了强有力的技术支持。最近, 日本学者又提出了以脉搏波传导速度与血压的相关性来间接测