基于光电容积脉搏波描记法的反射型PPG信号传感器的设计

成都理工大学 周一峰　刘超英　黄　虎　郭一鸣　邹林方

基于光电容积脉搏波描记法的反射型PPG信号传感器的设计

成都理工大学 周一峰刘超英黄虎郭一鸣邹林方

光电容积描记法（PPG）有效利用了光电技术的最新发展及应用成果，借助光电手段，通过检测生物组织血液容积的变化来获得人体生理学信号及特征。它是一种非侵入式测量技术，可广泛用于个人、家庭及大规模人群的生理健康检测和监测。本文简述了光电容积脉搏波描记法原理及其应用，介绍了人体外周血管中光电脉搏信号检测电路设计。

PPG；心率监测；传感器

1　前言

心血管领域的研究人员普遍认为，在早期检测、早期干预的情况下，很多流行性心血管疾病是可以得到有效的避免或者缓解的，因此测心率就成为体检的必要环节。医院中使用传统的ECG传感器医疗设备监测病人的心率，来判断病人是否健康［1］。虽然从临床医疗的角度来说，这种方法非常实用和精确，但不适合个人和家庭对心率进行实时的测量情况。脉搏波作为一种可以反映心率的数据，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，在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，因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景［2］。

目前，主流的脉搏波测量方法有两种：压力脉搏波和容积脉搏波。光电容积脉搏波描记法（Photo Plethysmo Graphy，下文简称 PPG）是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。这种技术利用HbO2和Hb对红光和红外光的吸收率各不相同的特性，通过测量穿过血液的不同光线的衰减程度可以换算出它们在血液中的含量。该方法可以实现对人体连续无损伤测量，且使用简便、反应快速，受到广泛的研究和重视［3］。按照光源和光电传感器的相对位置，将PPG信号接收传感器分为穿透方式和反射方式。穿透方式通常会选择人体外部圆柱形的位置作为测量区域。这种方式由于可以捕捉到高质量的信号，而被广泛应用。然而，这种方式对个体而言，在长时间的佩戴下，会造成不适感和行动不便。反射方式使用光源和光电传感器在皮肤表面的同一边的方式，这种方式可以有效地解决以上问题，同时，可以使传感器的佩戴位置更灵活和舒适。然而，这样的设计面临着两个问题：（1）由于向人体组织下方的散射较高，造成了反射信号质量没有穿透型的质量高；（2）如何决定光源和光电传感器之间的距离。

对于这两个主要的问题，本文采用LED阵列的方式改善信号质量较弱的问题。对于第二个问题，本文采用蒙特·卡罗方法仿真的方式，非常接近光线在人体组织中的反射状态。

2　反射型传感器研究

（1）光源和光电传感器分离

为了解决光源和传感器分离，我们需要知道，光在人体组织中是如何传播的。传播方式有两种，一种是基于漫射原理，另一种是基于蒙特·卡罗方法仿真。漫射原理中光源、接收器的距离和探测深度之间的关系近似于公式：

这里z表示探测深度，d表示光源与接收器之间的距离［4］。

我们使用蒙特-卡罗模拟方法来模拟光线在多层介质中传播的路径，以此为基础我们确定光源与光电传感器之间的距离。当光线有效的穿透深度达到血液层的底部时，根据相应的光源和接收器的间隔关系，探测器应当接收到差异最大的两束回波在两个不同的血液含氧量状态之间。为了接收到这种差异的回波，这个最佳距离，根据蒙特-卡罗仿真的结果，所有参数的选择应该是波长在940nm左右［4］。

（2）心率监测设备

前端PPG传感器是由一个光电二极管和四个双波长LED，为了避免设备色彩的干扰，我们选用黑色为设备的背景色。

整个系统后台硬件原理框图如图2-1所示。传统上LED驱动模块和信号处理模块是使用各自的电子模块，但是这种方法不仅会使功耗增高，而且在信号采集的过程中会有噪声信号噪声，为了避免这种情况，我们使用集成的微型单片机（MCU）为主控芯片，该芯片有丰富的内置资源，集成了SPI等标准通信模块，重要的是此芯片内部集成了PWM定时器和ADC。激发光源采用38KHz的方波，这样做可以有效的降低干扰，光电二极管在接收到反射光信号以后，会产生电流信号，对此电流信号进行电流-电压转换处理。然后对处理过的信号用低通滤波器进行处理的同时进行放大，放大倍数为20倍，我们采用TLC2262芯片，这是一种单电源供电的轨对轨运算放大器。之后对信号进行采样，使用单片机内部自带的AD转换器。然后对数字信号进行滤波和放大，最后显示在LCD显示屏上，同时还可以通过串口传送至上位机。

图2-1　系统原理框图

为了使采样得到的数字信号更真实的反映人体脉搏波，我们对采样的数字信号进行低通滤波处理，原理如图2-2所示。

图2-2　低通IIR滤波器

滤除信号中的高频干扰后，再对信号乘以一定的数值，相当于对信号进行放大处理，最终输出较高质量的波形。

3　结语

在光电容积脉搏波（PPG）理论的基础上，本文讨论了，选用穿透方式和反射方式进行脉搏波的测量的优劣性问题，并如何选取光源和接收器之间的间隔问题进行了研究。同时完成了整个测量装置的设计，通过光电传感器接收人体微弱的脉搏信号，经过模拟电路处理，再由MCU进行数字信号的滤波和放大，完成了对人体脉搏波的提取，最后通过液晶显示器进行显示。

［1］Chao-Ting Chu，Huann-Keng Chiang，Jian-Jie Hung“Dynamic Heart Rate Monitors Algorithm for Reflection Green Light Wearable Devic”e，2015 International Conference on Intelligent Informatics and Biomedical Sciences （ICIIBMS），28-30 Nov.2015.

［2］陈斌.光电容积脉搏波描记法原理、应用及其电路设计［J］.电子技术与软件工程，2014（18）.

［3］石屏，喻洪流.光电容积描记技术原理及其应用［J］.生物医学工程学杂志，2013，8，4（30）.

［4］Fulai Peng，Weidong Wang， Hongyun Liu “Development of a Reflective PPG Signal Sensor” International Conference on BioMedical Engineering and Informatics（BMEI 2014），7th 2014.

周一峰（1989－），男，河南商丘人，硕士，现就读于成都理工大学，研究方向：嵌入式系统设计。