光电容积脉搏波描记法原理、应用及其电路设计

摘 要

本文简述了光电容积脉搏波描记法原理及其应用，介绍了人体外周血管中光电脉搏信号检测电路设计。

【关键词】光电容积脉搏波描记法 脉搏信号

1 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。

2 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。

3 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。

参考文献

[1]杨福生.生物医学信号处理[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1997.

作者简介

陈斌（1972-），男，安徽省怀宁县人。大学本科学历。现为中国电子科技集团公司第四十一研究所高级工程师、研发部部长。研究方向为自动化。

作者单位

中国电子科技集团公司第四十一研究所 山东省青岛市 266555endprint

摘 要

本文简述了光电容积脉搏波描记法原理及其应用，介绍了人体外周血管中光电脉搏信号检测电路设计。

【关键词】光电容积脉搏波描记法 脉搏信号

1 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。

2 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。

3 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。

参考文献

[1]杨福生.生物医学信号处理[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1997.

作者简介

陈斌（1972-），男，安徽省怀宁县人。大学本科学历。现为中国电子科技集团公司第四十一研究所高级工程师、研发部部长。研究方向为自动化。

作者单位

中国电子科技集团公司第四十一研究所 山东省青岛市 266555endprint

摘 要

本文简述了光电容积脉搏波描记法原理及其应用，介绍了人体外周血管中光电脉搏信号检测电路设计。

【关键词】光电容积脉搏波描记法 脉搏信号

1 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。

2 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。

3 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。

参考文献

[1]杨福生.生物医学信号处理[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1997.

作者简介

陈斌（1972-），男，安徽省怀宁县人。大学本科学历。现为中国电子科技集团公司第四十一研究所高级工程师、研发部部长。研究方向为自动化。

作者单位

中国电子科技集团公司第四十一研究所 山东省青岛市 266555endprint