基于光电二极管的动脉血压信号无损监测技术*

熊元姣

（深圳职业技术学院 计算机工程学院，广东 深圳 518055）

基于光电二极管的动脉血压信号无损监测技术*

熊元姣

（深圳职业技术学院 计算机工程学院，广东 深圳 518055）

用红外发光二极管和光电二极管组成的光耦合指套，放置在人身体的指尖部位，通过检测人体末梢组织在动脉舒张和收缩时对红外光的吸收度变化率，来检测人体动脉血压信号的异常．红外发射二极管的驱动采用PWM信号调制的恒流驱动，光电二极管接收穿透人体后的红外光并转换成微弱的电信号，再经过前置放大、倒相、压控二阶低通滤波、陷波电路、A/D转换等处理后，MCU从采集的数据中提取有关动脉血压信号的特征值，实现血压信号异常的无损连续监测．

光电二极管（Photo-Diode）；PWM；倒相；二阶滤波；A/D采集

1 监测方案

传统的肌血氧的检测是通过采血检测血氧乳酸浓度来估计肌肉中血氧含量，这种测量方法尽管准确，但会给患者带来痛苦，而且不便于连续监测．波段为780-1100nm的近红外光对皮肤，脂肪和颅骨有很好的穿透性，同时在脉动舒张和收缩期间所吸收的光量与血液中的氧含量有关，可以透过人体末梢组织，无损地检测到动脉血压信号的异常．本文介绍了一种指套式血氧参数无损测量方案，此方案中用PWM调制红外二极管的驱动电流，通过前置放大、倒相、滤波等处理后可以消除光电二极管暗电流引起的偏差、环境带来的噪声．有源滤波的运算放大器选用的是低噪声的LMV792，A/D转换芯片采用了多通道16位的MAX1167芯片，最后MCU对采集的数据进行处理提取动脉血压信号的特征值．

图1是动脉血压信号无创连续监测系统的原理框图，其功能是连续监测动脉血压信号的异常，实时显示数据，出现异动时能够报警提示．系统采用8.4V/2500mA锂电池供电，电源模块包括DC-DC的5V、3.3V电压输出和充电电路．系统还包含MCU及其外围接口电路，通过MCU采集的初级信号自动调整PWM的脉宽，使系统能够根据被测对象的不同来调整信号，保证信号处于合适的范围[1]．

人体血液的浓度、血氧的含量、血液成分等因素都会影响对红外光的吸收，本系统的工作原理是利用红外发光二极管和光电二极管再加上一些特殊工艺制造的光耦合探测指套，放置于被测对象的指尖部位，红外光通过指尖后的透射光照在光电二极管上，光照强度的变化引起光电二极管上的反向电流产生变化，此变化能够真实地反映血液成分的含量，但这种变化只是十几微安的电流微弱信号，通过光导电路将其转化成电压信号．光电二极管上的电压信号机器微弱，很容易受到环境噪声和传输线路上的干扰，且由于人体个体的差异，如骨骼、肌肉、血液等因素，对红外光的吸收都有所不同．因此要得到完善的检测信号，首先要根据个体差异控制前端红外二极管的驱动电流，MCU通过采集的初级信号来调节PWM的脉宽，从而使电流处于合适的大小．光信号转换成的电压信号包含环境噪声和工频干扰，并且其强度与透射光的强度成反比，所以要经过前置放大、倒相、滤波、50Hz限波等处理，最后通过16位的A/D转换送到MCU进行处理，提取血液中的特征值来判断动脉血液异常情况[2]．

图1 监测仪硬件原理框图

2 红外管驱动电路和光导电路

光电二极管（Photo-Diode）和红外发光二极管组成一个模块，被称为光电耦合元件．将指尖放在耦合模块中间，当红外管发光透过手指，另一侧的光电二极管根据接收到的光强度转换成电信号．由于指尖部位充血和回流时对光的吸收率不同，透射过来的光强也不同，引起的电压信号也随之变化，根据这些变化的特征就能提取动脉血压的特征值，从而判断是否异常．图2是PWM红外驱动和光导原理图[3]．

图2中PWM是用MCU输出的50 kHz脉冲宽度调制信号，通过R1，C1，R2，C2构成的二阶滤波后，得到一个直流分量电压加在三极管Q1的基极上，此电压的大小与PWM的脉宽有关，脉宽越宽基极电压就越高，2N3904的基极电流就越大，根据三极管的特性，流过发射极的红外二极管D1的电流就会增大；反之，则减小．通过PWM就可以有效控制D1的光强．表1是实测的有一组PWM脉宽和D1的驱动电流的数据．波长830～950nm的红外发光二极管正向电压为1.4～1.65V，电流20～50mA．由此可见，PWM在50%～70%之间可以很好地控制电流大小．

图2中电阻R4和光电二极管D2组成光导电路．光电二极管是把光信号转换成电信号的光电传感器件．有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小[4]．D2在最大光照时的电流约为50μA，R4为51kΩ的电阻，此时out-1的输出约为0.7V，没有光照时，out-1的输出约为3.3V，忽略暗电流．

图2 PWM红外驱动和光导原理图

表1 PWM脉宽和D1驱动电流的关系

3 前置放大和二阶滤波

图3是倒相、前置放大、二阶滤波、消除工频干扰等处理电路的原理图．

3.1 噪声分析

由于脉搏信号十分微弱，用光电二极管测量的方法，很容易受到外界环境干扰．例如环境光、电磁干扰、测量过程运动噪声、工频干扰等．人体脉搏信号的频率在1～30Hz之间，所以很容易通过低通滤波器将噪声消除．虽然脉搏频率很低，但血液舒张和收缩时的变化率很大，这样就不能将截止频率调得过低，否则会使信号失真，损失尖峰值．50Hz的工频干扰，可以通过陷波器有效滤除．图4是处理前后信号的对比图，由曲线1可以看出，光导电压和光照强度成反比，即血液吸收率大时，电压越低，而且包含有各种频率的高频噪声，如果不进行处理．此信号无法使用．电路中选用了低噪声、低功耗、低电压、低压差的运算放大器LMV792．它常用在这种微弱信号的医疗设备中．从图4的对比图可以看出经过处理后的信号有非常明显的改善．

图3 置放大和二阶滤波电路原理图

图4 滤波处理后的动脉信号波形

3.2 前置放大与倒相电路

根据红外光谱的吸收原理，血液浓度大，透射到光电管上的光强减弱，D2的反向电流减小，光导输出的电压增大，即D2接收的光越强，out-1就越低，所以图4的波形与D2的感光量是反相的．实际计算时需要倒相电路．

虽然动脉血压信号的频率范围为1～30Hz之间，由图4可见，D2上的光照强度变化率是非常大的，故截止频率设计为212Hz．Uref是3.0V的基准电压，它与信号out-1相减使得信号的相位翻转，此电路的放大倍数约为1.3．

3.3 二阶滤波和限波电路

光导电压输出信号弱、噪声大，前置放大滤波电路的放大倍数不能太大，且滤波也不能过于严格，否则会损失有用信号．U1还有一个很重要的作用就是与光导输出进行隔离，增强信号的抗干扰能力．图3的U2才是主要的中级滤波部分，它是一个压控式二阶滤波电路，是对典型的巴特沃斯型低通滤波进行了改进．此电路的优点是在给定的频段内，信号可以无衰减地通过，截止频率为202Hz，电阻R13是为了使放大倍数为1，即不放大也不衰减．

由运算放大器U3构成的是一个双T型的50Hz陷波电路，用以消除叠加在测试信号中所包含的50Hz工频信号．因为双T网络只有在离中心频率较远时才能达到较好的衰减特性，因此滤波器的Q值不高．引入由R17、R18分压后的反馈电压，是为了提高Q值，调节R17、R18的阻值，来控制陷波器的滤波特性，即带阻滤波的频带宽度和Q值的高低．

4 A/D采集电路

MCU对两路信号进行了采集，如图5所示．采集out-2的目的是为了确定PWM的脉宽，计算方法是启动系统后，根据采集到的out-2的最小值（基线）来确定PWM，当基线高于1V时，说明红外二极管的光强太弱，需加宽PWM；反之，则减小．A/D转换和采集采用了MAX1167，采样频率的确定是根据信号的特征来确定．根据前面的分析，电路中滤波的频率约为200Hz，单路采样频率定位5ksps，两路的采样频率就为10ksps．从MCU采集到的out-4的数据中，经过血压信号异常检测算法，提取舒张末期斜率和慢速射血期斜率等特征，得到动脉血压异常的无创连续检测[5]．

图5 A/D采集电路

5 结束语

用红外发光二极管和光电二极管组成的光耦合探测器可以精确地检测动脉舒张和收缩时对红外光吸收率的变化．这种光电二极管输出的微弱信号包含很多噪声，通过本文介绍的前置放大、倒相、滤波、限波等处理，能够得到很好的动脉血压信号，从而使无损监测人体血压信号的异常成为可能．

采用本文介绍的技术研制出来的无损监测仪具有低成本、精度高、低功耗的特点．系统工作时电流约为100mA，待机模式50μA，可以用充电锂电池供电，体积小、便于携带．

[1] 周宇，李殿立，徐文栋. 一种新的电外科仪器输出参数测量系统[J]．生物医学工程学杂志, 2014(2）：421-425.

[2] 秦钊，李凯阳，杨宣东. 近红外无损脑血氧监测仪的研制[J]. 生物医学工程学杂志．200，24（6）：1220-1223.

[3] 龚仁喜，张义门.光导开关工作与偏置电压的关系[J].半导体学报，2001, 22（9）：1165-1169.

[4] 王乐新，赵志敏，姚红兵,等.血液的红外吸收光谱分析及应用研究[J]. 光谱学与光谱分析，2002,22（6）：980-982.

[5] 张攀登，刘嘉，吴新宇. 一种新的特征提取方法在无创动脉血压信号异常识别中的应用[J]. 中国医学物理学杂志，2010（5）：2128-2132.

Non-invasive Technology for Arterial Blood Pressure Signal Based on Photo-diode

XIONG Yuanjiao

（School of Computer Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

An optical coupling finger stall, composed of IR LED and photo-diode, is placed at fingertip, when the IR transmission light intensity across a finger changes with the diastole and systole of arterial blood pressure, the inverter current of photo-diode varies. Therefore, the arterial blood pressure anomalies can be detected according to the changes. The drive current of IR LED, controlled by PWM is constant in the process of detection. The voltage signal converted by photo-diode is very week, so that it can easily be disturbed. The signal must be processed by the pre-amplification circuit, second order filter circuit, and wave trap. Finally, the data from A/D converter is collected and processed by MCU.

photo-diode; PWM; signal inverter; second order filter; A/D converter

TP342

A

1672-0318（2015）01-0023-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2015·01, 005

2014-11-02

*项目来源：中国科学院深圳先进技术研究院合作项目（6014.26K201164991）

熊元姣（1967-），女，湖北人，硕士，高级工程师，主要研究方向：嵌入式系统开发．