一种光电检测频谱分析高分辨率指端脉搏波检测系统

摘要

本发明涉及一种指端脉搏波检测系统。探头内部用两种发光二极管作为光源，使用光电二极管做探测器。测量时将手指放在光源和探测器中间。检测主机电路包括：系统放大电路和数据采集电路两部分。通过电脑控制信号采集，并使用专用软件对采集数据进行分析，利用频谱分析的手段对脉搏波信号进行处理。该检测系统采用光电检测频谱分析方法，可以达到很高的分辨率。

说明书

所属领域：

本发明属于医学物理领域，涉及一种检测和分析生理参数的仪器。

背景技术：

人体脉搏波中含有大量关于人体健康状况的有用信息。脉搏波特征量的定义方法有很多种，例如使用K值作为脉搏波的一个参数，就是一种有效的定义方法。参见图1，

K值的定义式如下： $>>K>=>>>>P>m>>->>P>d>\; >>>P>n>>->>P>d>\; >\; >s>$

(式中Pn为波形的极大值，Pd为波形的极小值，Pm波形的直流分量。)

K值大小反映了人体血管壁弹性好坏和外周阻力大小。随着人年龄、心血管情况不同，K值会有变化，一般在0.3-0.5之间。

检测脉搏波直接或间接的方法主要有以下几种：

1.接触式压力测量法：中医诊脉本质上就属于这种方法。模拟诊脉设计的脉搏波检测仪虽然结构简单，但是抗干扰能力很差。由于使用压力传感器作为探头，在测量过程中容易受到肢体运动的影响，并且探头施加的压力会改变脉搏波的形态，使测量的精度和分辨率大大降低。

2.电桥测量法：脉搏波传播过程中人体电阻将产生变化。将人体电阻作为电桥的一个桥臂，通过测量电桥桥路之间的非平衡电压检测脉搏波。这种测量方法受空间电磁场和接触电阻的影响很大，只能依靠良好的屏蔽条件提高精度。实际测量中得到的信号往往是脉搏波信号和人体其他生物电信号(如心电)的叠加。

3.激光或超声多普勒测量法：利用多普勒效应分别感知血细胞和血管壁的运动速度，间接测量脉搏波，是一种效果比较好的测量方法；但是需要昂贵、庞大的仪器装置，一般单位和个人很难接受。

4.光电测量法：根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)法则，通过透过指端的光强变化反映血管横截面积的变化，间接测量脉搏波。这种方法物理图像清晰，设备简单，精度高，抗干扰能力强，便于测量及推广至一般家庭使用。

发明目的：

综上可见，目前的脉搏波检测仪往往存在抗干扰能力差、分辨率低、数据重复性差的缺点，因此大多侧重脉律的测量，或是只有测量血氧饱和度单项功能，从而大大限制了这种优秀的医学测量方法的应用。

本发明针对上述问题，设计采用光电检测和频谱分析方法。采用特殊设计的探头，使用光电二极管检测信号。通过基于声卡的数据采集和放大系统，配合自行开发的数据采集分析软件。采用频谱分析的方法对脉搏波进行高分辨率检测和处理。在提取指端脉搏波的同时还可以测量血氧饱和度这一重要的生理参数。发明的技术方案：

本发明设计的检测系统包括探头、检测主机、电脑(笔记本或台式计算机)。计算机内置声卡一块，同时包括对信号进行处理的专用软件。

1.探头：采用透射式光电检测方法，用两种发光二极管作为光源，光电二极管做探测器，测量时将手指放在光源和探测器中间。探头的机械结构参见图2，主要由光源、探测器、底座与调节轴、外罩这四部分组成。主体采用铝材料，底座采用铜材料，各部分之间的连接都由标准螺丝、螺母完成。探测器采用中国发明专利申请01123428.8所涉及的PIN光电二极管。探头的光源、探测器分布参见图3，其中图3(a)为光源部分，由红光和红外光两种发光二极管(LED)各两只组成，图3(b)是由光电二极管(PD)及其保护罩组成的探测器部分。

下面对各部分的结构及作用分别说明如下：

A.光源部分[1]：作用是固定所需光源。其主要结构是一个凹槽[15]，用以固定相应尺寸的线路板[17]，并在凹槽底部设计留有电线接孔，以引入焊接连线。在线路板上可按实际需要，添加各种不同功率、不同波长、不同排列方式的发光二极管，构成所需光源；线路板和凹槽之间由标准螺丝[9]固定。

B.探测器部分[2]：作用是固定所需探测器。主要结构也是通过凹槽[16]嵌入相应尺寸的线路板[14]，同时在线路板上焊接探测器[2]而形成。与光源部分有一点不同，考虑到延长探测器的寿命，避免测量时人手指与探测器表面反复摩擦，同时为了减小噪声和由于人体肢体运动造成的影响，本发明设计了一个探测器保护罩[13]兼作光阑。保护罩、线路板与凹槽之间的固定也由标准螺丝[9]固定。光源和探测器的分布参见图3，图3(a)为光源部分，由红光和红外光两种发光二极管(LED)各两只组成；图3(b)是探测器部分，由光电二极管(PD)及其保护罩兼作光阑(DIA)组成。保护罩在光电二极管上方。

C.底座与调节轴部分：是整个探头装置的骨架，也是连接各部分的核心，同时对整个装置起到了固定作用。[4]是底座的支撑足，其质量相对较大，这是为了使整个探头稳定，同时满足了此种微测量要求相对静止的特殊要求。与底座相连的调节轴[5]由铜材料制成，设计成螺纹结构[12]。同时与之相配的还有高度调节螺母[6]、固定螺母[7]及弹簧[8]，以完成对测量主体与基准平面相对位置的调整。

D.外罩部分[3]：这部分不仅对探头的核心部分进行了保护，同时还屏蔽了影响测试结果的外界杂散光，并使探头整体更加简单美观。各部分的组装如图所示：

A.首先将实验所需的光源[1]及探测器[2]焊接到与设计尺寸大小相匹配的光源线路板[17]和探测器线路板[14]上；

B.利用图示标准螺丝[9]将光源线路板[17]固定在光源部分的凹槽[15]之中；

C.利用图示标准螺丝[9]将保护罩[13]固定在探测器线路板[14]上；

D.利用图示标准螺丝[9]将探测器线路板[14]固定在探测器部分的凹槽[16]之中；

E.对线路板引线进行整理，以使其不影响下一步组装；

F.将光源部分与探测器部分进行对接：光源部分[15]在上，探测器部分[16]在下，二者凹槽相对，对接时应使两部分按照设计好的槽口进行咬合，以使二者接合后达到避光固定的目的；

G.将图中标示的调节探头垂直高度的螺丝[6]拧在底座的调节轴[5]上；

H.按照光源与探测器组装好的顺序，光源在上、探测器在下，将留出的孔心套过底座的调节轴；

I.将弹簧[8]套过底座的调节轴[5]；

J.将固定螺母[7]拧在底座调节轴的顶端；

K.将防脱螺丝[10]拧在光源与探测器联合体侧面滑槽处，以使二者不至于分开；注意勿拧过紧，应留有一定调节空间；

L.将外罩[3]套在前面完成的探头上，并如图所示，用固定螺丝[11]将其固定在探头上。

2.检测主机电路：包括系统放大电路和数据采集电路两部分。其中数据采集电路采用基于计算机声卡的数据采集系统；系统放大电路由低通滤波器、2000倍比例放大电路、微分电路电路、数据采集电路等组成。检测系统的电路框图参见图4，P是探头电路，L.P是低通滤波器，M.A是主放大器，A.A是辅助放大器，D.A是数据采集系统，W是示波器，C是计算机，D是微分控制电路。

(1)低通滤波器：采用二阶有源压控低通滤波器，核心元件是一块OP07集成运算放大器，截至频率10赫兹，Q值为20～30。

(2)主放大器：核心是2000倍比例运算放大器，由两块OP07集成电路组成，配合一些周边电路，完成对信号的主放工作。由于放大倍数很大，容易形成自激振荡，可加负反馈旁路电容消振震。

(3)辅助放大器：是为了适应不同测量部位而增加的、放大倍数可调的比例运算放大器。在一般测量时可将放大倍数调为1；在对弱信号部位进行测量时，则可以将放大倍数加大。

(4)微分控制电路：在以往的脉搏波监测系统中，由于人体运动产生的伪差是一个长期以来没有解决的问题，一般都是采用先采集后处理的方法。由于运动伪差信号有时会比原始信号大许多倍，以至于超出采集范围，使得采集系统不能正常工作。因此我们采用微分控制电路，先用微分电路将伪差信号突出出来，再经过低通滤波滤去。

(5)数据采集电路：采用中国发明专利申请03100490.3所涉及的基于计算机声卡的数据采集系统。其基本原理是将声卡不可能直接采集的频率很低的信号经过斩波、双边带生成和波形复合等处理，变成完全的交流信号，用声卡采集这样的信号是很方便的。

3.软件部分：集成有数据采集、分析、保存、打印等功能模块，利用频谱分析的手段对脉搏波进行处理，可以测量心律、K值和血氧饱和度。有益效果：

本发明可供医学物理研究部门开展有关人体脉搏波的科学研究，可用于临床检测，也可以用于家庭保健监测等。该检测系统具有以下优点：

1.分辨率高，可以清晰地反映出脉搏波的细微差异；

2.采用光电检测法，对人体无损害，简单易行；

3.检测灵敏度高，抗干扰能力强，数据重复性好；

4.采用基于计算机声卡的数据采集系统，价格便宜，有利于降低成本；

5.检测功能强，一机多用；

6.仪器体积小，可与笔记本电脑连机，便于携带到现场检测。

附图说明：

图1脉搏波K值含义示意图

图2探头机械结构示意图

                                探头示意图各部分说明    1  光源    2    探测器    3    外罩    4  底座支撑足    5    高度调节轴    6    高度调节螺母    7  固定螺母    8    弹簧    9    标准螺丝(固定)    10  防脱螺丝    11    外罩固定螺丝    12    调节轴螺纹    13  探测器保护罩    14    探测器线路板    15    光源部分凹槽    16  探测部分凹槽    17    光源线路板

图3探头光源、探测器分布示意图

图4检测主机电路框图

图5整机实物图

图6软件界面图

图7实验结果图——年轻学生，男，20岁左右，身体健康。

图8实验结果图——年轻学生，女，20岁左右，患过心肌炎。

图9实验结果图——中年男性，35岁左右，身体健康。

图10实验结果图——老年男性，70岁左右。

图11实验结果图——图9的同一受试者，间隔一个月再次测量

实施例：

制作探头时，首先加工出探头的各个部分，然后组合起来。探头外罩进行黑色喷漆。探头内部使用黑色海绵填充，起到避光和缓冲的作用。在实施中，应注意以下几点：

(1)探头的光源部分与探测器部分可以相对活动：根据被测人手指的大小自动进行调节，不至于过紧或过松。利用探头自身自重，使手指与光源、探测器之间的接触达到最佳测量状态；

(2)探头部分的垂直高度可以调节：利用底座调节轴上的调节螺母，根据被测人的实际身高、手长、姿势对探头的高低进行调整，主要是使被测人的测量手处于功能位，基本放松，这样的测量结果才更加科学有效；

(3)测量时应尽量减少被测肢体的移动：由于测量对象的特殊性，要求被测者尽量处于静止状态；因此探头的底座具有一定质量，可以较好地稳固被测肢体。

(4)电路制作时用普通的双面印刷线路板就可以实现。集成电路可以采用OP07，电阻采用1/16w的碳质电阻，个别采用温度系数小的金属膜电阻。电容采用一般的小型瓷质电容即可。传输线采用4芯屏蔽电缆。电源采用±12V供电，无特殊要求。

(5)仪器调试时，将信号输入端短路，将微分控制电路关上，辅助放大电路的放大倍数调为1，用信号源产生6赫兹、10mv的正弦交流信号，从末级开始调试，使输出信号为标准的正弦波，并且看不到明显的自激震荡为止。然后改成同参数三角波，从前端输入，如果输出也基本是正弦波的话，说明仪器调试成功。

使用该检测系统测量时，受试者应该尽量保持身体不动，心情平静，呼吸均匀。调节探头上的升降螺栓，使受试者感觉最为舒适。应调节检测主机的放大倍数和电平，以适应特定的采集系统的要求。采集时间取20～30秒为宜。

实际测量可按以下步骤进行：

(1)先打开检测主机的电源开关，并将放大器的放大倍数置为最低。

(2)再打开计算机，运行专用监测系统软件。

(3)将食指放入探头内，逐渐调节放大倍数和波形平移旋钮，使输出信号在采集系统的采集范围内尽可能的被放大，这样得到的信号，其分辨本领最高。然后放松，调节手指的位置和光源的高度，到感觉不到压迫为止。仪器设有外接示波器监视端口，可外接示波器以监视波形变化。

(4)设定好采集时间和采样率，开始采集(一般取10秒至20秒为宜)。如果在采集过程中，手指有大幅度运动，应重复采集。

(5)采集结束后，程序自动计算出K值，心律和波形的FFT变换。

(6)保存数据，供日后分析处理。几例测量报告参见实验结果图：

(1)图7为一年轻学生，男，20岁左右，身体健康，K＝0.32，心律＝94.5；

(2)图8为一年轻学生，女，20岁左右，患过心肌炎，K＝0.55，心律＝56.0；

(3)图9为一中年男性，35岁左右，身体健康，K＝0.43，心律＝92.5；

(4)图10为老年男性，70岁左右，K＝0.53，心律＝78；

(5)图11与图9为同一受试者，两次测量间隔一个月，目的在于进行重复性检验。

从测量结果可以看出，脉搏波的许多细节成分明显体现出来，并且重复性很好。