一文讀懂光電式脈搏傳感器的原理

1 引言

人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動脈的收縮和舒張，使血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播，這種波稱為脈搏波。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，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。

傳統(tǒng)的脈搏測量采用脈診方式，中醫(yī)脈象診斷技術(shù)就是脈搏測量在中醫(yī)上卓有成效的應(yīng)用，但是受人為的影響因素較大，測量精度不高。無創(chuàng)測量（noninvasive measurements）又稱非侵入式測量或間接測量，其重要特征是測量的探測部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，通常在體外，尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數(shù)[1]。

生物醫(yī)學(xué)傳感器是獲取生物信息并將其轉(zhuǎn)換成易于測量和處理信號的一個關(guān)鍵器件。光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，通過對手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號，光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、可重復(fù)好等優(yōu)點。本文討論的就是基于光電式脈搏傳感器的設(shè)計和具體實現(xiàn)。

2 光電式脈搏傳感器的原理和結(jié)構(gòu)

2.1 光電式脈搏傳感器的原理

根據(jù)郎伯－比爾（lamber－beer）定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比，當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時，通過人體組織吸收、反射衰減后測量到的光強(qiáng)在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。

脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖，組織中的動脈成分含量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強(qiáng)相對較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。

手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定的，而在血液中，靜脈血的搏動相對于動脈血是十分微弱的，可以忽略，因此可以認(rèn)為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長的光源的照射下，通過檢測透過手指的光強(qiáng)可以間接測量到人體的脈搏信號。

2.2 光電式脈搏傳感器的結(jié)構(gòu)

從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出來。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射形式和反射式2種[2]，其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置，接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時間關(guān)系，但不能精確測量出血液容積量的變化；反射式的發(fā)射光源和光敏器件位于同一側(cè)，接收的是血液漫反射回來的光，此信號可以精確地測得血管內(nèi)容積變化。本文討論的是透射式脈搏傳感器，側(cè)重于脈搏信號的測量。

3 光電式脈搏傳感器的制作

3.1 光敏器件

光電式脈搏傳感器由于采用不同的光敏元件有著多種實現(xiàn)方法，其中光敏元件主要有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和硅光電池，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器設(shè)計中，通常采用的是獨立光敏元件，利用半導(dǎo)體和光電效應(yīng)改變輸出的電流，通常光敏元器件輸出的電流極低，容易受到外界干擾，而且對后續(xù)的放大器的要求比較嚴(yán)格，需要放大器空載時的電流輸出較小，避免放大器空載輸出電流對脈搏信號測量的干擾，這樣對于普通的放大器就不能直接應(yīng)用在光敏元件的后端。

在本文中，采用一種新型的光敏元件opt101[3]，該元件將感光部件和放大器集成在同一個芯片內(nèi)部，這種集成化的設(shè)計方式有效地克服了后端運(yùn)算放大器空載電流輸出對光敏部件輸出電流的影響，而且芯片輸出的電壓信號可以通過外部的精密電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于芯片適應(yīng)整體的電路設(shè)計，同時芯片的集成化設(shè)計也能夠減小系統(tǒng)的功耗。