基于光电传感器的脉象分析仪

　　1　脉象仪系统基本原理及组成

　　心脏收缩搏动将血液射入动脉血管使动脉血管的压强、容积和血流状态产生变化,形成脉搏信号。传感器中发光二极管发出的光照射到动脉上,被动脉组织的血液吸收和衰减后由光敏三极管接收。由于动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化,对光的吸收和衰减成周期性,于是光敏三极管输出信号的变化也是周期性的。输出信号的变化反映了动脉血的变化,完成了光信号到电信号的转变;之后信号经后置电路滤波、放大、A/D转换,最后进行计算机处理,得到脉象的定量化指标和分类。

　　脉象仪由脉搏传感器、信号预处理装置、A/D转换器、计算机组成。如图1所示。系统的关键部分是光电式脉搏传感器和信号处理装置。

　　2　脉搏传感器的电路设计与分析

　　脉搏传感器所采信息量将直接影响后面的信息分析,并最终决定系统检测性能的优劣。光电传感器由光源、光路系统和光电探测器3部分组成,这里采用指套式的透射型传感器,它可以很好地防止周围环境光源的干扰和因光源移动对信号波形的影响。光电传感器电路的任务有:产生发光二极管的激励信号;实现光电信号的转换;滤除和减弱光电检测中存在的内、外部干扰噪声,输出准确可靠的信号。

　　脉搏波是低频微弱的生理信号,电路的核心元件光电探测器选用了灵敏度较高、响应快、转换效率高的硅光电池。硅光电池具有较小内阻的恒流源特性,当负载电阻小时,其光电流随入射光照度成好的线性变化关系,线性关系的范围也较宽。因此,电路中将硅光电池用作电流源,同时选择小负载。本传感器电路包括光信号产生电路、光电信号转换电路和补偿显示电路。

　　2.1　光信号产生电路

　　此电路采用GaAs红外发光二极管作为信号光源。红外二极管是冷光源,而且带宽很窄,光波波长为860nm,有效的抑制了脉搏波漂移现象。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。所以采用如图2所示的恒流源电路。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,三极管Q处于放大状态。流过发光二极管D3的电流值也恒定,控制发光二极管D3能输出稳定光强的光。调整R1即可得到流过发光二极管所需的电流,D2用来平移电位,防止三极管截止。负温度系数的测温二极管D4置于测试匣内,可检测出光电探器的环境温度,其端电压为后面放大电路提供温度补偿信号。

　　2.2　光电信号转换电路

　　这一部分的关键是改善信噪比和保持线路良好的线性度。因此采用低噪声放大器,尽量降低放大过程中的噪声。同时选用低噪声光敏器件及电阻、低电平供电(以减少电阻上的过剩噪声)。除此之外,要根据传感器输出源阻抗特性,确定低噪声工作点和进行噪声匹配,以获得最小的噪声系数。如图3所示,硅光电池的两极分别与运算放大器的正相输入端和反相输入端相连,运算放大器处于电流放大状态。由于电路的输入电阻近似为零,即使光电池的内阻变到很低,也不会产生很大的电流输出误差,仍然能保证光电池的转换线性。