脉搏波检测系统电路设计报告

脉搏波检测系统电路设计报告

电路系统设计与实践

脉搏波监测系统

电路设计报告

指导教师：

脉搏波检测系统电路设计报告

精仪系61班 张帆

学号：2006010500

2008年9月11日

目录

一． 题目介绍 ——————————————— 3

(一) 设计背景

(二) 实验任务

(三) 预期目标

二． 总体方案设计 ——————————————6 三． 具体内容 ————————————————7

(一) 各部分电路具体分析

(二) 电路整体工作原理

四． 实验数据分析 ——————————————15 五． 总结 ——————————————————16 六． 附录 ——————————————————19

(一) 器件参数汇总

(二) 管脚图汇总

(三) 电路实物照片

七． 参考文献 ———————————————24

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一． 题目介绍

1. 设计背景

1) 光电容积法测量脉搏的发展背景

人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张, 使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播, 这种波称为脉搏波。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, 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。

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传统的脉搏测量采用脉诊方式, 中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用, 但是受人为的影响因素较大, 测量精度不高。无创测量(Noninvasive Measurements) 又称非侵入式测量或间接测量, 其重要特征是测量的探测部分不侵入机体, 不造成机体创伤, 通常在体外, 尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。 生物医学传感器是获取生物信息并将其转换成易于测量和处理信号的一个关键器件。光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器, 通过对手指末端透光度的监测, 间接检测出脉搏信号。光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复性好等优点。

2) 脉搏波检测传感器原理

根据朗伯比尔(Lamber Beer) 定律, 物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。当恒定波长的光照射到人体组织上时, 通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。

脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的, 在人体指尖, 组织中的动脉成分含量高, 而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄, 透过手指后检测到的光强相对较大,因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。

下图为手指的血液流动情况与光吸收量的关系：

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手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织, 其中非血液组织的光吸收量是恒定的, 而在血液中, 静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的, 可以忽略, 因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的, 那么在恒定波长的光源的照射下, 通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。

3) 脉搏波检测传感器结构

从光源发出的光除被手指组织吸收以外, 一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出来。光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式两种，其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置,接收的是透射光, 这种方法可较好地反映出心律的时间关系, 但不能精确测量出血液容积量的变化; 反射式的发射光源和光敏器件位于同一侧, 接收的是血液漫反射回来的光, 此信号可以精确地测得血管内容积变化。

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反射式光电传感器和透射式光电传感器

实验中采用的传感器是透射式光电传感器，如图：

2. 实验任务

主要任务

设计完成发光电路，接收信号放大电路，滤波整形电路，计数显示电路。用两位数码管显示脉搏频率。

技术指标

频率范围：0.1-9.9Hz

精度：3%

3. 实验预期目标

根据实验任务书上的总体要求，在理解传感器原理、结构和应用实例后，

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我们在实验前期基本确定了电路设计的具体功能目标：

以十秒钟为一个计数周期，自动连续计数并在每个周期末显示最终心跳

频率（显示范围0.1-9.9）

可以随时开始/停止计数，并锁存当前结果

可以控制是否显示心跳的计数累加过程（即数码管跳变过程）

这一点是基于普通测量和长时间监测的不同要求而决定的。例如，临床上给患者监控脉搏的时候，是需要不断更新心率示数但不显示累加过程的。而普通脉搏计数过程，为了更直观的显示脉搏跳动，需要数码管连续跳动来显示这一计数过程。

二． 总体方案设计

根据电路的功能要求，我们总体上设计了以下几个模块，电路原理框图如下：

从功能上分，电路可分为三部分：

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信号采集部分：发光与接收电路；

信号的处理部分：隔直；放大；滤波；整形；

计数显示部分：计数电路；数码管显示电路。

从特点上划分，电路有可以分为两大部分：

模拟电路部分

数字电路部分 （这两部分以整形电路为界。）

三． 具体内容

分电路具体分析 (一) 各部

1. 信号采集电路

根据光电二极管的工作原理，我们使用如下电路实现信号的采集，输出的脉搏信号是一个直流分量在4V左右变化的交变电压。

通过改变R2的阻值，可以改变

信号电压的直流分量。实验中我们

采用R2=20k 作为信号输出端的串

联电阻，使得传感器在透光和夹手

指两种情况下电压之差达到4V以

上，而不是饱和的5V。

选择4V电压作为直流分量的原因是：如果夹上手指后，信号电压达到5V饱和，那么脉搏引起的微小变化就会被过高的直流电压掩埋，这样放大电路将得不到任何脉搏的信号。如下图：

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2. 隔直、放大、滤波电路

信号隔直电路是利用两个10μF的电容实现的，除去了传感器信号中的直流部分，送入放大电路。10μF的电容还可以对脉搏信号自行起振。

信号放大电路主要利用运算放大器的级联放大功能实现。将输入的微小交流信号送入第一级进行8.5倍的放大，再进入第二级相似的放大电路放大100倍，并通过两级电路中47nF的电容滤去10Hz以上的高频信号，得到被放大约850倍，幅值4V左右的脉搏信号，实现与整形电路部分的输入匹配

。

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为保证信号达到数字电路翻转值以上，同时不被截止，放大电路的放大倍数理想值应在1000倍左右。但实验中由于个体差异，我们组设置的放大倍数略小（850倍）就可以满足这一要求。对于不同的测试对象，放大电路需要重新调整放大倍数，给其他同学测量脉搏时，我们更换R4 和R5。为更好的完善电路针对不同测试者的性能要求，这一功能可由一个电位器（代替运放负极与地间的10k 电阻）实现，但遗憾的是时间关系，在实验中没有付诸实践。

经过放大和滤波的信号波形如图：

3. 整形电路

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