光電技術在醫(yī)學領域的應用.doc

精品文檔光電技術在醫(yī)學領域的應用 光電式脈搏傳感器（09電信本2 xxxxxxxxxxxx 壞水 qq:xxxxxxxxxx）摘 要：傳統(tǒng)的脈搏測量采用診脈方式，中醫(yī)脈象診斷技術就是脈搏測量在中醫(yī)上卓有成效的應用, 但是受人為影響因素較大,測量精度不高。為了克服上述測量方法的不足，脈搏測試不再局限于傳統(tǒng)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，可通過光電傳感器對脈搏信號進行檢測，并通過計算機的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)智能化的脈搏測試技術。本文將詳細介紹一種光傳導式的脈搏信號檢測電路，并說明所涉及到的問題和方法。關鍵詞：光電傳感器；脈搏測量；測量方法；Abstract：The pulse of the traditional measuring the ways pulse, pulse condition of traditional Chinese medicine diagnosis technology is measuring pulse in Chinese medicine on the application of effective, but by man-made influence is bigger, measurement accuracy is not high. In order to overcome the shortcomings of the methods measuring, pulse test is no longer confined to the traditional manual testing method, or the stethoscope test. Using the blood is highly not transparent liquid, illumination in the general organization of penetrating than in the blood of a few times the characteristics, the photoelectric sensor to pulse signal through testing, and through the computer data processing to realize intelligent pulse test technology. This paper will introduce a detailed light transmission type pulse signal detection circuit, and explain the problem relating to and methods.Key words:photoelectric sensor; pulse measurement; measurement method；一引言光電式脈搏傳感器作為是根據(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構簡單、無損傷、可重復好等優(yōu)點。通過光電傳感器對脈搏信號進行檢測，并用單片機技術進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)智能化的脈搏測試技術。這種技術具有先進性、實用性和穩(wěn)定性，同時也是生物醫(yī)學工程領域的發(fā)展方向。二光電式脈搏傳感器的原理和結構 1光電式脈搏傳感器的原理 （1）根據(jù)郎伯比爾（lamberbeer）定律，物質在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比，當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在一定程度上反映了被照射部位組織的結構特征。脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產生的，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。（2）傳感器：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(fā)生相應的變化（當心臟收縮時，微血管容積增大；當心臟舒張時,微血管容積減少），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(fā)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(fā)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。2光電式脈搏傳感器的結構 1光電信號轉換電路 圖1 光電信號轉換電路如圖1，換能元件為硅光電池，脈搏信號的拾取實際上是光透過指尖射到硅光電池時發(fā)生相應的強度變化,從而產生硅光電池電流的微弱變化，再經過放大而得到的。所拾取的信號為電壓信號。電路的輸出為：R1過大，穩(wěn)定性差，容易產生漂移誤差，影響增益精度，考慮到靈敏度和線性度的協(xié)調，選R1=22K，使得輸出達到mv級。為了抑制高頻干擾和消除運放輸入偏置電流的影響 ，接入電容C1、電阻R2和電容C2。電容的取值是基于脈搏信號的頻率考慮的。 2一級反向放大電路 圖2 一級放大為了與前面匹配，并使選用器件簡便，選擇R3=22K，為滿足放大20倍，選用R4=500K。得理想放大倍數(shù)倍C3用來隔直；C4用以防止放大器自激并起到低通作用，為了不影響有用信號又能濾掉50HZ干擾 ，C4不能太大也不能太小，取C4=0.01F將頻率截止到31HZ恰好。 3后置二階低通放大電路圖3 為二級低通放大電路。按人體脈搏在最高跳動次數(shù)240 次/min 計算，據(jù)歸一化法設計低通放大器，如圖3 所示。轉折頻率由R6、C5 、R7 和C6 決定，放大倍數(shù)由R7 和R5的比值決定，R8用來減小輸入阻抗不平衡的影響。圖3二級低通放大器二價低通濾波器的傳遞函數(shù)：理想放大倍數(shù)為倍。0.707倍零頻增益高頻轉折頻率：fH=14Hz，低頻特性滿足條件，不影響有用信號。4整體電路為： 圖4 整體電路3、 光電式脈搏傳感器分析 1、靜態(tài)工作點的測量 將輸入兩端短路，接入工作電壓，用萬用表測得輸出電壓為390mv,低于500mv基本滿足條件。2、硅光電池特性測量 如圖5連接電路，用普通臺燈當光源照射， 圖5 硅光電池測量圖測得輸出約為3V，所以硅光電池輸出短路電流變化量約為12A。 圖6 一級放大 表 1 信號源輸入20mv電壓，改變輸入信號頻率，測得數(shù)據(jù)表f(HZ)510152025303540Vo1(mv)448.9433.1410.1383.4355.6328.6303.5280.7根據(jù)觀察可得在脈搏信號強的部分如5HZ時放大22倍，且截止頻率在30HZ左右，與理想值基本吻合。4、 后級濾波加放大圖7二級低通放大器表2 信號源輸入224mv電壓，改變輸入信號頻率，測得數(shù)據(jù)表為：f(Hz)510152025303550Vo(mv)1898.4998.7668.6498.9395.1325.0274.3181.2據(jù)觀察得截止頻率在10HZ左右，且在50HZ時輸出只有5HZ（脈搏信號較強時）時的大約十分之一，可見濾波效果較好。四、結 論 脈搏信號的主峰頻率在1HZ左右，但由于示波器的缺陷，不能觀察放大器和濾波器在低頻時的放大情況，使得數(shù)據(jù)有點模糊。 由于示波器為直流耦合,所以直流電平漂移很嚴重,這就要求受試者一定要平靜,身體自然放松,使漂移降到最低程度。光照射指尖部, 使硅光電池中心正對著微血管床。 由于放大倍數(shù)較大，入射光強不要太強，否則會使輸出飽和，且不同的人脈搏波強度不同，為適應不同條件下的檢測，最好的辦法是把一級放大電路的反饋電阻用一個可調電阻和普通電阻串聯(lián)。在未來無創(chuàng)傷監(jiān)護技術將是未來醫(yī)學工程發(fā)展的重要方向，人體脈搏信號中包含豐富的生理信息，也逐漸引起了臨床醫(yī)生的很大興趣，光電容積法是當今測量脈搏信號的一種有效途徑，也可以通過這種方法測量血氧飽和度，氧分壓、心搏出量等生理信號，為臨床診斷提供了強有力的技術支持。脈搏檢測中關鍵技術是傳感器的設計與傳感器輸出的微弱信號提取問題，本文對脈搏傳感器的設計進行了初步的探討并取得了可喜的實驗結果。實驗證明：采用本文這種方法能夠較好的測量出脈搏信號，為脈搏信息的進一步提取提供了有利的前提。脈搏測量屬于檢測有無脈博的測量，有脈搏時遮擋光線，無脈搏時透光強，所采用的傳感器是紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管。用于體育測量用的脈搏測量方法有指脈這種方式。指脈測量比較方便、簡單，但因為手指上的汗腺較多，指夾常年使用，污染可能會使測量靈敏度下降。本文設計的脈搏傳感器目前僅能提供脈搏的振幅及頻率，尚不能用于醫(yī)學實踐。若對傳感器采集的信號經過進一步的波形分析及借助醫(yī)生的經驗，可對臨床診斷提供幫助。 參考文獻1 王延林,謝少良 光電傳感器的技術性能與應用J.清華大學學報 1999.12（3）：22-242 閻石 .數(shù)字電子技術基礎M.北京：高等教育出版社，2006.3 王慶有 光電傳感器應用技術M.北京：機械工業(yè)出版社，2007.4 趙負圖 光電檢測控制電路手冊M.北京：化學工業(yè)出版社，2001.5 侯文軍 王飛.工程制圖與計算機繪圖M.北京：人民郵電出版社，2009.