光电脉搏检测电路设计报告
天津大学精仪学院生物医学工程一班
张静翀3004202334
脉搏波的概述
1.脉搏波的定义
脉搏波是以心脏搏动为动力源, 通过血管系的传导而产生的容积变化和振动现象。

当心脏收缩时, 有相当数量的血液进入原已充满血液的主动脉内, 使得该处的弹性管壁被撑开,此时心脏推动血液所作的功转化为血管的弹性势能; 心脏停止收缩时, 扩张了的那部分血管也跟着收缩, 驱使血液向前流动, 结果又使前面血管的管壁跟着扩张, 如此类推。

这种过程和波动在弹性介质中的传播有些类似, 因此称为脉搏波(pulse wave) 。

2.脉搏信息
血液在人体内循环流动过程中，经历过心脏的舒张、内脏流量的涨落、血管各端点的阻滞、血管内波的折一反射以及血管壁的黏弹等过程。

脉搏波不仅受到心脏状况的影响，同时要受到内环境调控功能器官(脏器) 状态所需血液参数以及系统状态参数等的影响。

所以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富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息，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。

3.脉搏测量的意义
脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象，包含了反映心脏和血管状态的重要生理信息。

人体内各器官的健康状态、病变等信息将以某种方式显现在脉搏中即在脉象中。

人体脉象中富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息。

通过对脉搏波检测得到的脉波图含有出许多有诊断价值的信息，可以用来预测人体某些器脏结构和功能的变换趋势，如:血管几何形态和力学性质的变异会引起脉搏波波形和波速等性质的改变，而脉搏的病理生理性改变常引发各种心血管事件，脉搏生理性能的改变可以先于疾病临床症状出现，通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。

同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号。

设计目的与意义
目的
应用光电式传感器、放大滤波电路组成的脉搏测量电路
通过示波器显示人体指端动脉脉搏信息
意义
通过观测到的脉搏的次数、跳动的波形为临床提供部分
诊断价值的信息，为人体某些器脏结构和功能的变换趋势提供生理参考信号
系统设计
1.测量信号的特征
人体信息本身具有不稳定性、非线性和概率特性。

脉搏波的频率属于低频，且信息微弱，噪声强，因而信噪比低。

脉搏波频率范围是0.1~60Hz，主要频率分量一般在20Hz内。

人体手指末端含有丰富的小动脉，它们和其它部位的动脉一样, 含有丰富的信息。

2.测量原理
随着心脏的跳动手指尖的微血管发生相应的脉搏的容积变化，光发射电路发出的特定波长的光透过手指到光电器件，此过程被检测生理量(人体的脉搏)转换成光信号，通过光电器件转换为电信号，送入前级放大电路将信号适当放大，经过滤波电路除去其中的噪声得到需要频率范围内的信号，再将脉搏信号进行放大和后级的处理，通过示波器显示出来，进一步进行观测。

3.系统结构
总体框图:
电源:实验室5V、12V直流电源
光电传感器:
滤波放大电路部分:
4.可能存在的干扰
环境光对脉搏传感器测量的影响
测量过程人体运动的噪声
人体其他信号的干扰
检测电路的噪声
50Hz工频干扰
单元电路设计
1.光电传感器:
光发射电路
采用发射波长范围在600~700nm 的红色发光二极管,发光二极管的压降一般为1.5~2.0
V ，其工作电流一般取10~20 mA 为宜，所以选取R1=150欧姆。

光转换电路
比较光电池、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管后，决定采用光敏三极管，因为在光源范围内有较高的灵敏度，随光线变换有较好的线性，且对光电流有放大作用。

实验中采用型号为3DU31的NPN 型光敏三极管，主要技术参数： 反向击穿电压/V ≥15 最高工作电压/V 10 暗电流/μA ≤0.3 光电流/mA ＞2 最大耗散功率/mW 30 峰值波长/nm 880
R2主要起分压限流作用，3DU31阻值在十几千欧至几百千欧范围，所以选取R2=100k 欧姆。

2.前级处理、放大电路
由一个隔直低通反相放大器组成，去除直流电压，抑制高频信号，对50Hz 工频干扰进行初步衰减，同时对有用的脉搏信号进行了初步的放大。

设置处级放大倍数为10倍，截止频率范围为0.05-20Hz 。

根据3
4
R R A =
，选取R3=100K ，R4=1M 。

同时为消除偏置电压，在正输入端和地间接入R5，大小为R3与R4并联的阻值，选取91K 。

根据RC
πω21
=
，低端截止频率设为0.05Hz,因为R3为100K ，所以选取C1=4.7uF 。

低端截止频率大致在0.03Hz 。

低通滤波截止频率设为20Hz ，因为R4=1M ，所以选取C2=6800Pf ，截止频率大致为23Hz 。

3.滤波电路
该滤波部分采用三阶巴特沃斯低通滤波器，设置截止频率f=10Hz 。

根据归一化方法选择R6=R7=R8=100K,C3=0.56uF,C4=0.22uF,C5=0.033uF
该低通滤波电路保留了有用的脉搏低频信号，对50Hz 工频等噪声进行了较大的衰减，能基本达到实验的要求。

4.后级放大电路
采用可变增益反相放大电路
反相放大器由于电阻的最大取值不能超过10M 欧姆，如果要提高反相放大器的输入阻抗，则电路的增益就压要受到限制。

我采用的这种的反相放大器可以避免这种限制，既有较高的输入阻抗又可取得足够的增益。

如果选取R10远大于R11、R12，则放大器的增益可用下式近似计算：
⎪⎭
⎫
⎝⎛+-
=12111910R R R R A 设R9=100K ，R10=1M ，R11：量程为10K 的电位器，R12=1K ，R13=91K 。

C6与R12构成低通滤波，截止频率为20Hz ，根据公式增益范围为11-110。

总体电路设计
补充：
如果进一步提高电路的稳定度和减少噪声的来源，可考虑为发光二极管电路增设恒流源电路，使LED发出稳定的光源，增加测量精度。

电路图如下：
此电路可以给发光二极管提供恒定的电压，以发出恒定光强的光。

D为稳压管，作为恒流源加在晶体管Q1的基极上，由于基极偏压稳定，集电极电流Ic≈Ie也稳定，根据Ic≈Ie=(V0-Vbe)/R2即使电源电压变化Ic=Ie也不会改变，从而使发光二极管法稳定的光。

可将传感器部分做成可固定在手指上的指套式传感器，减少相对环境噪声和相对运动带来的噪声。

噪声处理及注意事项
光敏三极管采用金属封装类型，避免手指外环境光的干扰
放大器采用LM347，高信噪比，低偏置电流
电路中尽量避免采用大于1uF的电容
测量时测量者尽量保持稳定，减少手指与传感器间的相对运动
小结
应用透射式光电传感器：红色发光二极管发出光线，透过手指照射到光敏三极管上进行光电转换
从传感器出来的脉搏信号为几毫伏至十几毫伏，设置共放大100-1100倍，放大分为前级放大和后级放大，前者放大10倍，后者放大10~110倍，最后将脉搏信号放大到伏级供示波器观察，对不同的测量者可调节电位器到合适的幅度进行观察。

脉搏信号主要能量区域集中在20Hz以下，滤波通过隔直电容和低通滤波器完成，前者消去直流和部分超低频信号的影响，后者将高频信号滤除，对50Hz工频干扰进行主要的衰减，设定其范围在0.05~10Hz，此外，两级放大电路也对20Hz以上的信号进行了衰减。

发展前景
无创伤检测技术将是未来医学工程发展的重要方向，而人体脉搏信号中包含丰富的生理信息，对临床具有重大的意义，光电检测脉搏是一种有效的途径，例如：光电容积法（检测手指血容量的变化）是当今测量脉搏信号的一种有效方法，也可以通过这种方法测量血氧饱和度，氧分压、心搏出量等生理信号，为临床诊断提供了强有力的技术支持。

最近，日本学者又提出了以脉搏波传导速度与血压的相关性来间接测量血压，用检测分析脉搏波的方法估计血压的课题，足见脉搏检测的应用有着良好的发展前景。

而且脉搏检测可以做的简单轻便，易于普及，相信将来会有更大的应用。