光電容積脈搏波描記法原理、應用及其電路設計

摘 要

本文簡述了光電容積脈搏波描記法原理及其應用，介紹了人體外周血管中光電脈搏信號檢測電路設計。

【關鍵詞】光電容積脈搏波描記法 脈搏信號

1 前言

從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據，歷來都受到中外醫學界的重視。脈搏波所呈現出的形態、強度、速率和節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學價值和應用前景。

隨著科學技術的發展，脈搏測試不再局限于傳統的人工測試法或聽診器測試法。利用血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點，可通過傳感器對脈搏信號進行檢測，這種技術具有先進性、實用性和穩定性，同時也是生物醫學工程領域的發展方向。

2 光電容積脈搏波描記法原理及應用簡述

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檢測方法。當一定波長的光束照射到指端皮膚表面時，光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過程中由于受到檢測端皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用，檢測器檢測到的光強度將減弱，其中皮膚肌肉、組織等對光的吸收在整個血液循環中是保持恒定不變的，而皮膚內的血液容積在心臟作用下呈搏動性變化，當心臟收縮時外周血容量最多，光吸收量也最大檢測到的光強度最小；而在心臟舒張時，正好相反，檢測到的光強度最大，故光接收器接收到的光強度隨之呈脈動性變化，將此光強度變化信號轉換成電信號，便可獲得容積脈搏血流的變化。由此可見，容積脈搏血流中包含有血液流動等諸多心血管系統的重要生理信息。同時，容積脈搏血流主要存在于外周血管中的微動脈、毛細血管等微血管中，所以容積脈搏血流同樣包含有豐富的微循環生理病理信息，是我們研究人體循環系統重要的信息來源。

PPG信號中包含有人體循環系統、呼吸系統等許多生理病理信息。在人體血壓、血流、血氧、腦氧、肌氧、血糖、脈率、微循環、血管阻力、呼吸率、呼吸量等參數的無創檢測中都有很好的應用前景。雖然由于紅光、紅外光與人體組織相互作用的機理十分復雜，影響它的因素也比較多。我們對容積脈搏血流本身的機理了解和研究得還很不夠。加上對血流標定工作的困難，因而在臨床上真正應用PPG 開發的醫療儀器還十分有限。目前應用得最為廣泛和成功的是監護儀中的血氧和脈率檢測。

3 光電脈搏信號檢測電路設計

由于血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）在紅光和紅外光區（600～1000nm）有獨特的吸收光譜，因而使PPG 成為研究組織中血液成分尤其是血氧狀態的簡單而有效的方法。許多國家的研究人員對無創測量動脈血氧飽和度和組織血氧飽和度的裝置進行了各自的研究。在他們所采用的無論是透射光法和反射光法中都以朗伯 比爾定律（The Lam-bert-Beer Law）和光散射理論為基礎，利用氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收系數的差異來進行，在紅光區（600～700nm）HbO2 和Hb的吸收差異很大，而在紅外光譜區（800～1000nm）其吸收差異較小。當血氧飽和度變化時，也就HbO2 相對Hb的濃度發生變化時，血氧飽和度應該和光檢測器上的660nm 和940nm 兩個波長的相對光強之間存在較好的線性關系。

血氧飽和度：SpO2=A+BR 其中，A、B為標定常數

由此原理設計出的無創脈搏血氧儀，是一種快速測量血氧飽和度的有效方法，成為當今國際上廣泛采用的監護儀器。廣泛用于手術室 監護室 急救病房 運動和睡眠等各種臨床應用中。

人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號，脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號，必需經過放大和后級濾波以滿足采集的要求，脈搏檢測電路設計框如圖1所示。

3.1 信號輸入、傳感器選擇

利用指套式光電傳感器，指套式光電傳感器的換能元件用硅光電池，由于心臟的跳動，引起手指尖的微血管的體積發生相應的變化，當光通過手指尖射到硅光電池時，產生光電效應，兩極之間產生電壓由于指尖的微血管內的血液隨著心臟的跳動發生相應于脈搏的容積變化，因而使光透過指尖射到硅光電池時也發生相應的強度變化，而非血液組織（皮膚、肌肉、骨格等）的光吸收量是恒定不變的，這樣就把人體的脈搏（非電學量）轉換為相應于脈博的電信號，方便檢測。

3.2 差分放大

這里選用低噪聲的集成儀器放大器INA114作為放大器的核心元件。最低2.3V的工作電源電壓滿足電源要求，INA114的失調電壓不到0.1mV，因此取其電壓增益100，根據INA114的增益計算公式可得RG=500Ω，INA114的內部結構圖，如圖2所示。

3.3 低通濾波器

利用歸一化的方法設計低通濾波器。這里用四階巴特沃斯低通濾波器，其優點是在通帶內幅頻特性曲線比較平坦，而且四階也可以達到較陡的衰減的特性：其截止頻率為20Hz時，到頻率為40Hz時其衰減幅度為9%。它的作用是濾除頻率為20Hz以上的信號分量。如圖3所示。

設截至頻率為20Hz，符合采樣要求同時濾除工頻干擾，根據歸一化公式，取R1=R2=R3=R4=100KΩ，可算得C1=C2=C3= C4=0.25μF。

4 結束語

相信隨著PPG基礎研究工作的進一步開展和人們對這項技術的更深入了解，它必將開拓出更為廣泛的應用領域。PPG方法所具有的無創性，且檢測方便、操作簡單、性能穩定、重復性好、安全無交叉感染等許多優點，使其不僅可用于醫院中的臨床檢測、監護、急救體能測試，還可應用于社區和家庭醫療保健，并具備聯網擴展功能，可以組建家庭社區和醫院的醫療網絡，在這些方面將都會有很好的應用前景。

參考文獻

[1]楊福生.生物醫學信號處理[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2]康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1997.

作者簡介

陳斌（1972-），男，安徽省懷寧縣人。大學本科學歷。現為中國電子科技集團公司第四十一研究所高級工程師、研發部部長。研究方向為自動化。

作者單位

中國電子科技集團公司第四十一研究所 山東省青島市 266555endprint

摘 要

本文簡述了光電容積脈搏波描記法原理及其應用，介紹了人體外周血管中光電脈搏信號檢測電路設計。

【關鍵詞】光電容積脈搏波描記法 脈搏信號

1 前言

從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據，歷來都受到中外醫學界的重視。脈搏波所呈現出的形態、強度、速率和節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學價值和應用前景。

隨著科學技術的發展，脈搏測試不再局限于傳統的人工測試法或聽診器測試法。利用血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點，可通過傳感器對脈搏信號進行檢測，這種技術具有先進性、實用性和穩定性，同時也是生物醫學工程領域的發展方向。

2 光電容積脈搏波描記法原理及應用簡述

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檢測方法。當一定波長的光束照射到指端皮膚表面時，光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過程中由于受到檢測端皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用，檢測器檢測到的光強度將減弱，其中皮膚肌肉、組織等對光的吸收在整個血液循環中是保持恒定不變的，而皮膚內的血液容積在心臟作用下呈搏動性變化，當心臟收縮時外周血容量最多，光吸收量也最大檢測到的光強度最小；而在心臟舒張時，正好相反，檢測到的光強度最大，故光接收器接收到的光強度隨之呈脈動性變化，將此光強度變化信號轉換成電信號，便可獲得容積脈搏血流的變化。由此可見，容積脈搏血流中包含有血液流動等諸多心血管系統的重要生理信息。同時，容積脈搏血流主要存在于外周血管中的微動脈、毛細血管等微血管中，所以容積脈搏血流同樣包含有豐富的微循環生理病理信息，是我們研究人體循環系統重要的信息來源。

PPG信號中包含有人體循環系統、呼吸系統等許多生理病理信息。在人體血壓、血流、血氧、腦氧、肌氧、血糖、脈率、微循環、血管阻力、呼吸率、呼吸量等參數的無創檢測中都有很好的應用前景。雖然由于紅光、紅外光與人體組織相互作用的機理十分復雜，影響它的因素也比較多。我們對容積脈搏血流本身的機理了解和研究得還很不夠。加上對血流標定工作的困難，因而在臨床上真正應用PPG 開發的醫療儀器還十分有限。目前應用得最為廣泛和成功的是監護儀中的血氧和脈率檢測。

3 光電脈搏信號檢測電路設計

由于血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）在紅光和紅外光區（600～1000nm）有獨特的吸收光譜，因而使PPG 成為研究組織中血液成分尤其是血氧狀態的簡單而有效的方法。許多國家的研究人員對無創測量動脈血氧飽和度和組織血氧飽和度的裝置進行了各自的研究。在他們所采用的無論是透射光法和反射光法中都以朗伯 比爾定律（The Lam-bert-Beer Law）和光散射理論為基礎，利用氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收系數的差異來進行，在紅光區（600～700nm）HbO2 和Hb的吸收差異很大，而在紅外光譜區（800～1000nm）其吸收差異較小。當血氧飽和度變化時，也就HbO2 相對Hb的濃度發生變化時，血氧飽和度應該和光檢測器上的660nm 和940nm 兩個波長的相對光強之間存在較好的線性關系。

血氧飽和度：SpO2=A+BR 其中，A、B為標定常數

由此原理設計出的無創脈搏血氧儀，是一種快速測量血氧飽和度的有效方法，成為當今國際上廣泛采用的監護儀器。廣泛用于手術室 監護室 急救病房 運動和睡眠等各種臨床應用中。

人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號，脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號，必需經過放大和后級濾波以滿足采集的要求，脈搏檢測電路設計框如圖1所示。

3.1 信號輸入、傳感器選擇

利用指套式光電傳感器，指套式光電傳感器的換能元件用硅光電池，由于心臟的跳動，引起手指尖的微血管的體積發生相應的變化，當光通過手指尖射到硅光電池時，產生光電效應，兩極之間產生電壓由于指尖的微血管內的血液隨著心臟的跳動發生相應于脈搏的容積變化，因而使光透過指尖射到硅光電池時也發生相應的強度變化，而非血液組織（皮膚、肌肉、骨格等）的光吸收量是恒定不變的，這樣就把人體的脈搏（非電學量）轉換為相應于脈博的電信號，方便檢測。

3.2 差分放大

這里選用低噪聲的集成儀器放大器INA114作為放大器的核心元件。最低2.3V的工作電源電壓滿足電源要求，INA114的失調電壓不到0.1mV，因此取其電壓增益100，根據INA114的增益計算公式可得RG=500Ω，INA114的內部結構圖，如圖2所示。

3.3 低通濾波器

利用歸一化的方法設計低通濾波器。這里用四階巴特沃斯低通濾波器，其優點是在通帶內幅頻特性曲線比較平坦，而且四階也可以達到較陡的衰減的特性：其截止頻率為20Hz時，到頻率為40Hz時其衰減幅度為9%。它的作用是濾除頻率為20Hz以上的信號分量。如圖3所示。

設截至頻率為20Hz，符合采樣要求同時濾除工頻干擾，根據歸一化公式，取R1=R2=R3=R4=100KΩ，可算得C1=C2=C3= C4=0.25μF。

4 結束語

相信隨著PPG基礎研究工作的進一步開展和人們對這項技術的更深入了解，它必將開拓出更為廣泛的應用領域。PPG方法所具有的無創性，且檢測方便、操作簡單、性能穩定、重復性好、安全無交叉感染等許多優點，使其不僅可用于醫院中的臨床檢測、監護、急救體能測試，還可應用于社區和家庭醫療保健，并具備聯網擴展功能，可以組建家庭社區和醫院的醫療網絡，在這些方面將都會有很好的應用前景。

參考文獻

[1]楊福生.生物醫學信號處理[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2]康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1997.

作者簡介

陳斌（1972-），男，安徽省懷寧縣人。大學本科學歷。現為中國電子科技集團公司第四十一研究所高級工程師、研發部部長。研究方向為自動化。

作者單位

中國電子科技集團公司第四十一研究所 山東省青島市 266555endprint

摘 要

本文簡述了光電容積脈搏波描記法原理及其應用，介紹了人體外周血管中光電脈搏信號檢測電路設計。

【關鍵詞】光電容積脈搏波描記法 脈搏信號

1 前言

從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據，歷來都受到中外醫學界的重視。脈搏波所呈現出的形態、強度、速率和節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學價值和應用前景。

隨著科學技術的發展，脈搏測試不再局限于傳統的人工測試法或聽診器測試法。利用血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點，可通過傳感器對脈搏信號進行檢測，這種技術具有先進性、實用性和穩定性，同時也是生物醫學工程領域的發展方向。

2 光電容積脈搏波描記法原理及應用簡述

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檢測方法。當一定波長的光束照射到指端皮膚表面時，光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過程中由于受到檢測端皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用，檢測器檢測到的光強度將減弱，其中皮膚肌肉、組織等對光的吸收在整個血液循環中是保持恒定不變的，而皮膚內的血液容積在心臟作用下呈搏動性變化，當心臟收縮時外周血容量最多，光吸收量也最大檢測到的光強度最小；而在心臟舒張時，正好相反，檢測到的光強度最大，故光接收器接收到的光強度隨之呈脈動性變化，將此光強度變化信號轉換成電信號，便可獲得容積脈搏血流的變化。由此可見，容積脈搏血流中包含有血液流動等諸多心血管系統的重要生理信息。同時，容積脈搏血流主要存在于外周血管中的微動脈、毛細血管等微血管中，所以容積脈搏血流同樣包含有豐富的微循環生理病理信息，是我們研究人體循環系統重要的信息來源。

PPG信號中包含有人體循環系統、呼吸系統等許多生理病理信息。在人體血壓、血流、血氧、腦氧、肌氧、血糖、脈率、微循環、血管阻力、呼吸率、呼吸量等參數的無創檢測中都有很好的應用前景。雖然由于紅光、紅外光與人體組織相互作用的機理十分復雜，影響它的因素也比較多。我們對容積脈搏血流本身的機理了解和研究得還很不夠。加上對血流標定工作的困難，因而在臨床上真正應用PPG 開發的醫療儀器還十分有限。目前應用得最為廣泛和成功的是監護儀中的血氧和脈率檢測。

3 光電脈搏信號檢測電路設計

由于血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）在紅光和紅外光區（600～1000nm）有獨特的吸收光譜，因而使PPG 成為研究組織中血液成分尤其是血氧狀態的簡單而有效的方法。許多國家的研究人員對無創測量動脈血氧飽和度和組織血氧飽和度的裝置進行了各自的研究。在他們所采用的無論是透射光法和反射光法中都以朗伯 比爾定律（The Lam-bert-Beer Law）和光散射理論為基礎，利用氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收系數的差異來進行，在紅光區（600～700nm）HbO2 和Hb的吸收差異很大，而在紅外光譜區（800～1000nm）其吸收差異較小。當血氧飽和度變化時，也就HbO2 相對Hb的濃度發生變化時，血氧飽和度應該和光檢測器上的660nm 和940nm 兩個波長的相對光強之間存在較好的線性關系。

血氧飽和度：SpO2=A+BR 其中，A、B為標定常數

由此原理設計出的無創脈搏血氧儀，是一種快速測量血氧飽和度的有效方法，成為當今國際上廣泛采用的監護儀器。廣泛用于手術室 監護室 急救病房 運動和睡眠等各種臨床應用中。

人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號，脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號，必需經過放大和后級濾波以滿足采集的要求，脈搏檢測電路設計框如圖1所示。

3.1 信號輸入、傳感器選擇

利用指套式光電傳感器，指套式光電傳感器的換能元件用硅光電池，由于心臟的跳動，引起手指尖的微血管的體積發生相應的變化，當光通過手指尖射到硅光電池時，產生光電效應，兩極之間產生電壓由于指尖的微血管內的血液隨著心臟的跳動發生相應于脈搏的容積變化，因而使光透過指尖射到硅光電池時也發生相應的強度變化，而非血液組織（皮膚、肌肉、骨格等）的光吸收量是恒定不變的，這樣就把人體的脈搏（非電學量）轉換為相應于脈博的電信號，方便檢測。

3.2 差分放大

這里選用低噪聲的集成儀器放大器INA114作為放大器的核心元件。最低2.3V的工作電源電壓滿足電源要求，INA114的失調電壓不到0.1mV，因此取其電壓增益100，根據INA114的增益計算公式可得RG=500Ω，INA114的內部結構圖，如圖2所示。

3.3 低通濾波器

利用歸一化的方法設計低通濾波器。這里用四階巴特沃斯低通濾波器，其優點是在通帶內幅頻特性曲線比較平坦，而且四階也可以達到較陡的衰減的特性：其截止頻率為20Hz時，到頻率為40Hz時其衰減幅度為9%。它的作用是濾除頻率為20Hz以上的信號分量。如圖3所示。

設截至頻率為20Hz，符合采樣要求同時濾除工頻干擾，根據歸一化公式，取R1=R2=R3=R4=100KΩ，可算得C1=C2=C3= C4=0.25μF。

4 結束語

相信隨著PPG基礎研究工作的進一步開展和人們對這項技術的更深入了解，它必將開拓出更為廣泛的應用領域。PPG方法所具有的無創性，且檢測方便、操作簡單、性能穩定、重復性好、安全無交叉感染等許多優點，使其不僅可用于醫院中的臨床檢測、監護、急救體能測試，還可應用于社區和家庭醫療保健，并具備聯網擴展功能，可以組建家庭社區和醫院的醫療網絡，在這些方面將都會有很好的應用前景。

參考文獻

[1]楊福生.生物醫學信號處理[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2]康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1997.

作者簡介

陳斌（1972-），男，安徽省懷寧縣人。大學本科學歷。現為中國電子科技集團公司第四十一研究所高級工程師、研發部部長。研究方向為自動化。

作者單位

中國電子科技集團公司第四十一研究所 山東省青島市 266555endprint