光电容积脉搏波描记法原理及其在临床上的应用
罗志昌张松杨益民李旭雯
本文作者罗志昌先生北京工业大学生物医学工程中心教授张松先生副研究
员
杨益民先生助理研究员李旭雯女士助理研究员
关键词: 光电容积脉搏波描记法
一前言
光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmoGraphy 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当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器在此过程中由于受到指端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用检测器检测到的光强度将减弱其中皮肤肌肉组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的而皮肤内的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化当心脏收缩时外周血容量最多光吸收量也最
大检测到的光强度最小; 而在心脏舒张时正好相反检测到的光强度最大
使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化将此光强度变化信号转换成电信号便可获得容积脉搏血流的变化由此可见容积脉搏血流中包含有心搏功能血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息同时容积脉搏血流主要存在于外周血管中的微动脉毛细血管等微血管中所以容积脉搏血流同样包含有丰富的微循环生理病理信息是我们研究人体循环系统重要的信息来源由于光电容积
脉搏波描记法并不需要复杂而昂贵的仪器设备且操作简便性能稳定具有无创伤和适应性强等诸多优点因而受到国内外医学界的普遍重视引起工程科技
人员的广泛兴趣自1938年Hertzman首次提出光电容积脉搏波描记法原理以来的半个多世纪中国内外的许多科研人员在此领域中做了大量的基础研究和临床应用研究工作应用领域亦由人体循环系统发展到呼吸系统在人体血压血流血氧脑氧肌氧血糖微循环外周血管脉率呼吸率和呼吸容量等的无创检测中都有很好的应用前景并由此开发出许多在临床上有实用价值的医疗仪器
新产品本文将对此作一综述
二与PPG有关的基础性研究工作
1. 皮肤与血液光学性质的研究
PPG是一种利用皮肤对光的反射或透射来评价皮肤血流灌注有关信息的方法为了深入了解PPG的信息实质就需要有关于皮肤与血液光学性质的知识1981年Anderson等人对皮肤的光学性质进行了系统的研究认为在皮肤的表皮真皮和皮下组织的三层结构中各有不同的光学性质并由此提出皮肤的光学模型: 在50~150μm薄薄的表皮层中只吸收光而不散射在其下的1~4mm的真皮层中骨胶原产生的散射光将起主要作用光的穿透深度主要由它决定体内血液中的血小板氧合血红蛋白和胆红素是真皮中可见光的主要吸收者研究表明不同波长的入射光对皮肤的穿透深度是不同的如波长为250nm的光束对皮肤的穿透深度仅为2μm而当波长为1000nm红外光时其穿透深度可达到1600μm见图1所示因而Giltvedt等人指出以往PPG都是用红外光束作光源在此波长下记录到的信号代表了整个皮肤厚度上的动脉搏动信息它分辨不出皮肤不同深度的动脉血管床的变化因而就难以解释许多有关生理病理和药物对所得结果
的影响他们提出在PPG的测量中可以用不同波长的光束来记录皮肤不同深度动脉搏动信息并由此记录到皮肤的血压值和皮肤血管的特征频率
血液的光学特性研究表明血液对光束的吸收主要决定于血红蛋白中的氧饱
和程度血液中的血红蛋白主要以氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)两种
形式存在在波长为600~1000nm的连续光谱中HbO2和Hb 的光吸收系数存在显著的差异见图2其中吸收最大的差异发生在波长630~660nm之间1979年Challoner用650nm和805nm两种光束比较其PPG信号得出805nm光束的PPG信号与血中的氧含量无关1983年Yoshiya等人首次利用人体血液中HbO2和Hb对660nm的红光和940nm的红外光不同波长光吸收峰值不同的特点用PPG信号测出人体的血氧饱和度理论上只要找到光通过血液时某一成分的本征吸收峰值就可应用PPG技术对血液成分实现无创检测
2. 光源波长对PPG信号的影响
在PPG的应用中由光源和光电接收器组成的探头将与皮肤相接触发射光束将在皮肤组织和血液中反射吸收和散射目前已成为商品的PPG仪器其光源通常都使用波长范围为800~ 960nm的光发射二极管(LED)到达光电接收器上的光信号被转换成PPG电信号它与探头下皮肤血流容积变化相关并包含以下两个分量:
(1) 缓慢变化的直流分量(DC)它一般可以假设为探头下皮肤的总血容量
实际是由动脉血的非脉动部分静脉血和毛细管血部分以及肌肉组织等三部分的
光吸收组成
(2) 脉动变化的交流分量(AC)它同步于心率可假设为与动脉血容量相关主要反映脉动血的吸收情况
交流分量一般其幅值为直流分量的1~2%且叠加在直流分量上如图3所示
1984年Giltvedt等人在950和560nm两种波长下研究了其PPG信号的差别
由于不同波长光束的穿透深度不同不同波长光束的PPG信号反映出不同深度血管床的信息其中950nm反映出的是皮肤深部小动脉信息而560nm反映出的是浅部微动脉信息为了研究光源波长在不同皮肤温度下对PPG信号的影响
1991年Lindberg等人在四种不同波长(480560633和825nm)和在冷水(13oE)及热水(42oE)刺激导致两种局部皮肤温度下对人体皮肤血流灌注进行了详细的研究实验结果表明在温度刺激下皮肤在较深层次的组织与表面间建立起温度梯度在皮肤不同血管层水平的血流灌注将依次给出不同的变化如短波长有较浅的穿透深度在此层次水平上容易受温度的影响PPG信号中的交流分量可以检测到皮肤灌注的较大变化而在长波光束的作用下有较深的穿透深度在此层次组织
的血流灌注较少受温度的影响发生在皮肤浅表处的血流灌注变化将被深层次的
血流变化所掩盖研究同时表明温度刺激对PPG信号中的直流分量不太敏感可以认为温度刺激对PPG交流分量变化的百分比将比直流分量变化的百分比大得多因而大部分应用PPG检测血流容积变化的医学仪器其光源都是采用波长较长的红外光发光二极管
3. PPG信号波形特征的研究
PPG信号波形特征主要指交流分量幅值与波形变化的特征由于它是在显示器屏幕上能直接观察到的波形信号因而很多人就把它当作PPG信号的全部来研究而对同样重要的PPG信号的直流分量往往反而被忽视研究表明PPG信号波形特征主要应由心血管状态决定同时它又会受到检测时的环境温度呼吸
姿势运动负荷甚至一些心理因素如焦虑和恐惧等的影响检测时应该控制这
些因素使对波形的影响减至最小如环境温度最好保持在23oE手指温度保持在32oE这是血管舒张的最佳指标为了保持呼吸有规律被检测个体应松弛吸气不要太深还应安排一个轻松的环境以消除异常波形与基线漂移1990年Sherebin等人在仔细控制了这些影响因素后得出在年青健康的个体中PPG波形特征为上升沿陡峭下降沿出现重搏波切迹随着年龄的增加上升沿开始变
缓慢在同样变得缓慢的下降沿中重搏波切迹逐渐消失使波形更加圆滑这是由于年龄增加粥状硬化与血小板斑块积累而引起动脉树分叉点处反射能量变化造成的此外在静止和运动状态下对PPG 波形进行了频谱分析得出不同次数的谐波功率谱有明显的差异从频域特性中可以获得比时域特性更多的有用信息
4. 容积脉搏血流的模型研究
国内外对PPG 的研究目前大多只是集中在检测方法与实验结果的分析上对容积脉搏血流所可能包含的信息特征研究得较少更没有从容积脉搏血流模型机理方面对PPG 信号作较为深入的理论分析由于过去在建立心血管模型时模型的输出一般只考虑到中小动脉时为止其下游的小动脉微动脉和毛细血管往往简单地用一集中参数的外周阻力来表示而容积脉搏血流实际上是描述这些小动脉微动脉和毛细血管微循环内血液流动的总体情况因而单纯的集中参数外周阻力反映不出容积脉搏血流的流动特征与生理特征从而丢失了许多有关容积脉搏血流与微循环的信息虽然国内外对由此建立起来的心血管模型(弹性腔模型
弹性管模型)进行了大量有关桡动脉脉搏波传播与血流机理的研究工作在时域和频域中提取出桡动脉压力的各种生理病理信息并开发出一系列的血流参数无创检测仪器在临床上获得较好的应用但由于已有的心血管模型中缺少一个能反
映容积脉搏血流的环节使容积脉搏血流的研究工作落后于桡动脉脉搏压力的研
究工作从而限制了容积脉搏血流机理及其应用的进一步发展1994年北京工业大学生物医学工程中心罗志昌等人根据弹性腔理论建立起一个容积脉搏血流的微循环模型它由R L C 两阶线性系统组成见图4所示其中R 表示血液由
大动脉进入小动脉微动脉以及流经毛细血管进入静脉时所受到的全部阻力L
代表血液在小动脉和微动脉中的流动惯性它反映了血液在微循环中流动变化的
难易程度C 表征毛细血管网的顺应性是一个度量毛细血管可扩张度的生理指
标模型的输入P in 是桡动脉的脉搏压力模型的输出Q out 是容积脉搏血流模型的数学表达式为
in out out out P RLC Q LC dt dQ RC dt Q d 1112
2=++ 用脉搏压力传感器和光电容积脉搏传感器分别对不同年龄和不同生理条件个体测量其桡动脉压力P in 和指端容积脉搏血流Q out 作为模型的输入和输出对模型进行参数辨识得出不同年龄生理条件下的模型参数R L C 可能的数值范围通过对不同参数的血流模型进行数值计算可得出不同生理状态下的容积脉搏血流波形与数值与实测的容积脉搏血流相比较两者相当接近说明模型是可信
的见图5 根据血流模型可对容积脉搏血流机理进行分析得出它包含两个分量其
中直流分量反映心搏出量的大小是心输出量外周阻力血管弹性等血流参数的主要度量交流分量虽然较小但其波形变化却能反映出微循环的优劣程度
模型研究表明在临床上通过直接检测容积脉搏血流来监测心血管心搏出量外
周阻力和血管弹性等血流参数是可能的从而为开发一种新型多功能多参数监护仪器提供一种新的方法
三 PPG 的各种临床应用
1. 人体组织血氧状态的测量
由于血液中氧合血红蛋白(HbO 2)和脱氧血红蛋白(Hb)在红光和红外光区(600~1000nm)有独特的吸收光谱(见图2)因而使PPG 成为研究组织中血液成分尤其是血氧状态的简单而有效的方法早在1940年MilliKan 即已开始研究从人体前额无创检测动脉血氧饱和度的原理性装置随后许多国家的研究人员对无创测量动脉血氧饱和度和组织血氧饱和度的装置进行了各自的研究在他们所采用的无论是透射光法和反射光法中都以朗伯比尔定律(The Lam-bert-Beer Law)和光散射理论为基础利用氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的光吸收系数的差异来进行在红光区(600~700nm) HbO 2和Hb 的吸收差异很大而在红外光谱区
(800~1000nm)其吸收差异较小当血氧饱和度变化时也就是HbO 2相对Hb 的浓度发生变化时血氧饱和度应该和光检测器上的660nm 和940nm 两个波长的相对光强之间存在较好的线性关系见图6
血氧饱和度: SpO 2=A+BR 其中R=940
940660660//DC AC DC AC ;A B 为标定常数 由此原理设计出的无创脉搏血氧计由于成本低安装维护方便使用时不
需要校正是一种快速测量血氧饱和度的有效方法已成为当今国际上广泛采用的监护仪器可广泛用于手术室监护室急救病房运动和睡眠等各种临床应用中 在脉搏血氧计发展的同时利用PPG 法测量重要器官和组织血氧的研究工作也取得进展90年代初Mocormick 利用反射光谱及独特的深浅双光路对比检测的传感器设计完成了实用化的脑血氧饱和度测量装置的研制1994年由
Somanetics 公司改进后推出第一种商品化的脑血氧计(INVOS3100)这种脑血氧
计使用时将探头贴到前额偏离中心线处探头的LED 发光波长分别为730和
810nm 两个接收器分别接收来自表层(头皮头骨)和深部脑组织的信息它所提供的结果告诉神经外科医生在神经外科手术前后的脑氧基础值及其动态变化情况
使神经外科医生获得一个观测内脑氧水平的窗口提供有价值的颅内甚至麻醉状态下的信息脑血氧计为深低温停循环等情况下脑代谢活动的有效监测手段
当循环停止几乎所有监护仪都不能正常工作时唯有脑血氧计仍能正确显示脑血氧值在其它脑供血监护方面也表现出可喜的应用前景
肌血氧计是90年代由宾夕法尼亚大学Britton Chance提出并发展起来的一项高科技产品它检测的是生物组织尤其是骨骼肌中的含氧量检测时将探头贴放在肌肉表面双波长选择在760nm和850nm这两个波长对皮肤都有很好的穿透性利用两个不同波长光密度的和差来表示肌肉含氧量百分比和肌肉中血红蛋
白肌红蛋白的浓度变化而肌红蛋白和血红蛋白的氧合程度共同决定肌血氧饱
和度它是检测肌肉代谢功能和诊断肌肉病变的有力工具特别适用于运动过程中骨骼肌的检测
利用PPG技术对血液成分的测量除了上述动脉血氧脑血氧肌血氧外近年来对人体血糖浓度也进行了许多研究工作1990年国内莫希等人利用葡萄糖的本征吸收光谱理论建立起人体血糖浓度的数学模型由于生物体组织对葡萄糖本征吸收峰值波长λg的幅射吸收很少而血液和血管周围组织液中的葡萄糖却容易吸收λg的幅射于是λg的容积脉搏血流信号中包含有血糖浓度信息通过对非葡萄糖物质的对照检测并根据数学模型即可计算出血糖浓度和最终实现连续无创定量地提取出人体的血糖浓度信息从理论上说人体血糖浓度的PPG方法可以推广到任何生物体中感兴趣的血液成分检测只要找到该成分的本征吸收峰值就有可能实现对其进行无创检测
2. 外周血液循环功能的检测
外周血管疾病与人体健康密切相关目前国内尚无无创诊断外周血管疾病的有效手段采用PPG原理通过检测皮下血流状态可以推导出外周动脉或静脉循环的功能状态由于人体皮肤中血液是主要的吸光物质其吸光因子大大超过周围非血组织的吸光因子心脏搏动时皮肤中的非血组织体积是不变的只有血液
容积发生变化肢体静息状态下静脉血对光的吸收变化很小只有动脉血的容
积随心脏搏动而周期变化因而产生的光吸收信号亦随心动周期而变化当肢体
作功能试验时静脉血的容积随血液的排出与灌注变化很大而动脉容积这时的变化反而可以忽略因而所产生的光吸收信号将随静脉血的排出和灌注而变化
从这些变化中可以得出外周动脉或静脉循环的功能状态为了能利用同一波长的光检测动脉血和静脉血的容积变化一般选取发光峰值波长为940nm的光作光源这时获得的动脉血脉搏波形和静脉血回流波形都较为理想目前国内林淑娟等人利用PPG原理已开发出外周血管功能测试仪可以检测出动脉系统疾病(如动脉硬化闭塞症等)和静脉系统疾病(如原发性深静脉瓣膜功能不全等)并可用于
药物疗效观察和疗效机理研究
3. 血压血流脉率等血流参数的无创检测
容积脉搏血流包含丰富的心血管生理信息早在1973年Penaz根据容积补偿法原理首次发明了一种指端光电容积法非直接测量动脉血压的专利装置在此之后Yamakoshi和Wesseling等人先后分别成功地将红外光电容积脉搏描记仪(PPG)与手指袖带自动加压控制系统相结合间接地检测出人体的动脉收缩压和
平均压其结果与常规的臂动脉内直接测量结果有很好的相关性这种指端动脉压力连续检测装置已在临床上实际应用随后Kawarado在上述成果基础上开发出一种便携式连续无创血压检测装置成功地观测到人体运动过程中血压的变化情况除动脉血压外动脉血流中的心搏出量更是重要的血流参数由于血流是
在血管内流动要在人体外部无创地直接检测到它并不是很容易的目前一般都是通过检测出与血流相关而又比较容易检测到的一些物理量如压力温度阻抗等再经间接换算而得到如稀释法阻抗法脉波法等等由于PPG方法测出的信号本身就是动脉血流在循环系统封闭管路的特定情况下这动脉血流经标
定后即代表心搏出量的大小因而用PPG方法去测量心搏出量应该说是简单而直接的也是很有吸引力的关键问题是如何对它进行标定由于用PPG方法测出的容积脉搏血流中包含有交流分量和直流分量两部分其中交流分量比较容易检测出它约占心搏出量的10~20%直流分量中不仅包含有动脉血还有静脉血
和肌肉骨骼对它的影响而心搏出量的大部分又是由直流分量组成的这就给标
定工作带来很大的困难所以目前用PPG测量心搏出量在临床上还没有得到真正的应用1996年北京工业大学罗志昌等人通过容积脉搏血流模型和不同人群的实际测量对血流进行标定所得结果表明在临床上用PPG方法检测心搏出量及其它血流参数是完全可能的这将为心血管血流参数的无创检测和临床监护提供一
种新的更为简便的方法将会有良好的应用前景
4. PPG在微循环研究中的应用
PPG信号是由光电容积脉搏传感器中光源发出的光束透过皮肤浅表部位微循环的微血管(微动脉毛细血管等)并被其中的血液吸收或散射而得出检测
到的透射光或反射光的强度将随微循环的变化而变化从而反映出微循环中血液的流动特征1994年中国中医研究院王怡等人利用PPG原理开发出能自动测定分析人体微循环状态的实用仪器该仪器能对PPG信号自动采集保存复现和分析得出包括主波高度切迹高度重搏波高度上升时间和下降时间等20
余项参数其主要参数与甲襞微循环总积分密切相关因而能较全面地反映微循环的生理病理特征其中以时间或周期一类参数主要反映机体的生理机能故在
健康人与患者之间和在微循环异常程度不同的患者之间均未见有明显的差异
而以高度或速度为代表的一类参数则主要反映机体受到不同程度的病理损害状况它与患者的微循环和心功能异常程度密切相关表现出对机体病理变化的敏感性和对其异常程度良好的识别性1998年罗志昌等人通过对容积脉搏血流模型的理论分析和临床实际检测得出容积脉搏血流的波形特征能反映微循环的优劣
程度并提出容积脉搏血流的波形特征系数K 来作为微循环优劣的度量其定
义为K =
d s d m M M M Q ??其中Q m =∫T 0Q(t)dt Q(t)为测量得到的指端容积脉搏波M s 为Q(t)的波峰M d 为Q(t)的波谷T 为心动周期临床检测表明K 与甲襞微循环的总积分有很好的相关性如K <0.45时微循环状况良好0.45
5. PPG 估计呼吸容量
呼吸率与呼吸容量是呼吸系统的重要参数
对运动员选材与危重病人的监护等都十分重要目前PPG 的大部分应用都集中在心血管系统方面1992年Lindberg 等人提出应用PPG 可以监测呼吸率与心率在PPG 信号的功率谱中包含有明显
的分别与心率呼吸率相关的峰值同时指出在PPG 信号中除与心率同步变化外它还包含一个所谓呼吸诱发强度变化信息(Respiratory-Induced Intensity Variations RIIV)它反映由呼吸引起的使静脉回流到胸廓和右心时的变化这个调制作用借助于静脉系统传递到外周血管床并在PPG 信号中观察到1992年Lindberg 已经用RIIV 信息监护呼吸率1998年Johasson 和?berg 从16个正常志愿者的PPG 信号中提取到RIIV 通过与呼吸速度记录仪同步得到的呼吸容积相比较发现RIIV 信号幅值与呼吸容积间存在相关性由于目前记录呼吸容积所用的方法如肺活量计呼吸速度记录器等都不适用于临床长时间监护因而从PPG 信号中获取呼吸容量信息的方法将使许多人感兴趣从监护的角度看PPG 方法可以免除将通气管插入病人体内进行呼吸监护将会大大减少病人的痛苦因而受到医护人员的欢迎目前呼吸容量PPG 的实验与模型研究都在进行相信不久的将来有望开发出实用型仪器用于临床
四 结束语
由上可见PPG 信号中包含有人体循环系统呼吸系统等许多生理病理信息
在人体血压血流血氧脑氧肌氧血糖脉率微循环血管阻力呼吸率呼吸量等参数的无创检测中都有很好的应用前景虽然由于红光红外光与人体组织相互作用的机理十分复杂影响它的因素也比较多我们对容积脉搏血流本身的机理了解和研究得还很不够加上对血流标定工作的困难因而在临床上真正应用PPG开发的医疗仪器还十分有限目前应用得最为广泛和成功的是监护仪中的血氧和脉率检测成为所有监护仪中PPG所能检测到的两项常规指标相信随着PPG基础研究工作的进一步开展和人们对这项技术的更深入了解它必将开拓出更为广泛的应用领域PPG方法所具有的无创性且检测方便操作简单性能稳定重复性好安全无交叉感染等许多优点使其不仅可用于医院中
的临床检测监护急救体能测试还可应用于社区和家庭医疗保健并具备联网扩展功能可以组建家庭社区和医院的医疗网络在这些方面将都会有很好的应用前景
(全文完)
基于E MD的指端光电容积脉搏波中呼吸波提取方法研究 李文彪1,陈真诚1,刘福彬2 (1.中南大学信息物理工程学院生物医学工程研究所,湖南长沙410083;2.武警江苏省总队医院设备科,江苏扬州225003) 摘要:目的通过人体指端的脉搏波,提取人体呼吸波信号。方法使用多参数临床生理监护仪,同步采集人体指端光电容积脉搏波信号和胸阻抗法检测的呼吸波信号,对光电容积脉搏波信号做各层的经验模式分解,选择合适频率的本征模函数,与采集的呼吸波信号做相关性分析。结果经验模式分解由脉搏波中所提取的呼吸波与采集的呼吸波有很好的相关性。结论经验模式分解法可有效提取人体指端光电容积脉搏波中所包含的呼吸波成分,对改进医疗监护设备设计、实现生理信号的多参数提取和精确分析有重要意义。 关键词:光电容积脉搏波;经验模式分解;本征模函数;呼吸波 中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:1002 0837(2010)04 0279 04 Ex traction of Res p iratory Wave fro m F inger T i p Photolet h ys m ography Si g nals Based on EMD M ethod LI W en b i a o,C HEN Zhen cheng,LIU Fu bin.Space M edic i n e&M ed ical Eng ineeri n g,2010,23(4):279~282 Abst ract:Objective To extract resp iratory w ave i n for m ation fr o m photo lethys m ography(PPG)si g na ls.M et h ods U si n g a cli n ica lm ulti para m eter physi o log ica lm on ito r,the fi n ger ti p PPG si g nals w ere acqu ired synchro nousl y and the resp iratory wave w as detected by the tho rac ic i m pedance m ethod.Then e m p irica lm ode deco m position w as conducted for the PPG si g na ls,se lecting the i n tri n sic m ode functi o n(I M F)w ith appr opriate fre quency to carry out corre lation analysis togetherw ith respirato r y w ave signals.R esults The resp iratory w ave di rectly acqu ired had a good co rre l a ti o n w ith t h at deri v ed fr o m photo lethys m og raphy signals by e m p irica lm ode deco m position m ethod.Conclusi o n It is indicated that e m pirical mode deco m positi o n m ethod can effectively ex tract t h e respiratory infor m ati o n conta i n ed i n PPG si g na ls.Th is a ll o w s for i m prov i n g the desi g n o fm ed ica l m on ito ri n g dev ices and is useful i n physi o l o g ica lmu lti para m eter ex tracti o n and accurate ana l y sis. K ey w ords:photo lethys m ography;e mp iricalm ode deco m positi o n;i n trinsic m ode function;resp iratory w ave Address repr i n t requests to:L I W en b iao.I nstit u te of B i o m edical Eng i n eering,Schoo l o f Info physics& Geo m atics Eng i n eering,C entra l South U niversity,Changsha H unan410083,China 近年来,在任意时间、任意地点、对人们日常生活影响最小的情况下提供健康诊断或治疗服务,特别是无创、简易、舒适地获取人体生命体征信号(如心电、血压、心率、呼吸等)的方法,越来越受到科研人员的关注。 作为无创检测典型应用之一的光电容积描记法(photo lethys m og raphy,PPG)是采用光电传感器,在人体指端、耳垂、额部位等,利用红外或近红外光在人体内透射或反射的原理,检测由心脏搏动引起的血管内血容量的脉动性变化而获得相关生理信号。PPG信号中含有多种生理参数信息[1],如心率、血压、血氧、呼吸等。由于其无创、多参数、操作简单、低成本的特点,日益为生物医学工作者所青睐,但受到检测手段和分析方法的局限,目前仅在血氧饱和度检测方面得到了广泛的应用。呼吸波(resp iratory w ave,R W)是睡眠监测的重要内容,目前获取呼吸波的方法主要 修回日期:2010 03 19 通讯作者:李文彪 ti ger830611@163.co m 有热敏传感器和胸阻抗检测法等,操作繁琐,检测不便。如果能提取PPG信号中所蕴含的呼吸波,将大大降低仪器成本,增加检测舒适度。文献[2 3]中提到了在脉搏波信号中呼吸波成分的形成机理,却忽视了其临床应用价值,仅将其作为干扰而去除,文献[4]提出了由PPG信号中提取呼吸参数的3种方法,但其基本原理都是线性平滑滤波,而PPG是典型的生物医学信号,在呼吸运动缓变的调制作用下,表现为非平稳随机性的特征,故其参数提取的效果或有效性非常有限。目前,针对非平稳信号通常的分析方法主要有短时傅里叶变换、小波变换等。短时傅里叶变换的基础是傅里叶变换,无法摆脱傅里叶变换的局限性[5]。小波分析本质上也是一组可调的窗口傅里叶变换,并且在信号分析过程中存在小波基选择、分解层数选取、阈值确定等问题,通过小波分析得到的小波分量和小波谱只相对于所选的小波基有意义,不具自适应性和广泛通用性。经验模式分解(e m pirical m ode deco m positi o n,E MD)是 第23卷 第4期 航天医学与医学工程 V o.l23 N o.4 2010年 8月 Space M edic i ne&M edical Eng i neer i ng A ug.2010
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910154992.6 (22)申请日 2019.03.01 (71)申请人 西安理工大学 地址 710048 陕西省西安市金花南路5号 (72)发明人 陈剑虹 雷苏力 何菲 刘泽晨 林志强 朱凌建 (74)专利代理机构 北京国昊天诚知识产权代理 有限公司 11315 代理人 杨洲 (51)Int.Cl. A61B 5/02(2006.01) (54)发明名称 一种光电容积脉搏波的特征参数的采集方 法 (57)摘要 一种光电容积脉搏波的特征参数的采集方 法，包括以下步骤：1)采集手指端的光电容积脉 搏波信号，对光电容积脉搏波信号低通滤波，放 大后传送给上位机；2)使用数字滤波器对采集到 的信号进行滤波处理并获取其中一个心动周期 的脉搏波信号；3)使用3个高斯项叠加进行脉搏 波波形拟合；4)给拟合函数设定系数限定条件； 5)根据最小二乘原则，列出误差平方和函数以求 解该高斯函数的系数；6)对式(3)中的每一项系 数求偏导数；7)使用BFGS的方法迭代求解方程 组；8)根据高斯函数的每一个平移分量和交点信 息确定脉搏波特征值的位置；解决了对于脉搏波 波形生理特征位置不明显的情况下特征值的确 定问题。权利要求书2页 说明书4页 附图3页CN 110025296 A 2019.07.19 C N 110025296 A
1.一种光电容积脉搏波的特征参数的采集方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，基于朗伯比尔定理的原理，使用红外波段的光源照射人体指端，由光电探测器采集透射过指端的光信号，对含有高频噪声的光电容积脉搏波信号采用模拟滤波器进行低通滤波，并使采集到的光电容积脉搏波信号通过放大电路进行放大，再对其进行A/D转换后将数据传送给上位机； 步骤2，使用数字滤波器对光电容积脉搏波信号中由采集卡、人体呼吸、抖动带来的噪声再进行滤波处理，以获得更好的信噪比，获得去噪后的光电容积脉搏波信号并采用差分阈值法获取其中一个心动周期的脉搏波信号； 步骤3， 使用3个高斯函数叠加进行脉搏波波形拟合： 其中，V i 分别对应为其中一个高斯函数的峰值，T i 分别对应了其中一个高斯函数的主峰相对于横坐标零点的偏移量，U i 表征了每一个高斯峰的宽度； 步骤4， 给拟合函数设定系数限定条件： 其中，a i 、b i 、c i 分别为非线性拟合的限定条件； 步骤5，根据最小二乘准则求解，要求拟合的方程与原信号的误差平方和最小，暨式(2)取得最小值时，便获得了V i 、T i 、U i 的最优解， 式中，sig为输入信号，Q为误差平方和函数； 步骤6，对式(2)中的每一项系数求偏导数， 令： 使得偏导数为0的解：V i ，T i ，U i 则构成了误差平方和Q的最优解； 步骤7，求解F(V i ,T i ,U i )，对于多元非线性方程而言，很难得到其解析解，故使用基于牛顿秩_2迭代法的BFGS算法对非线性方程进行迭代求取其最优解， 权 利 要 求 书1/2页2CN 110025296 A
工业大学研究生开题报告 学位级别：□博士■硕士□工程硕士 学号：S200915049 研究生：王东明 指导教师：松、益民 专业名称：生物医学工程 所在学院：生命科学与生物工程学院开题报告时间：2010年12月06日 工业大学研究生部制表
一、基本情况
二、报告正文
1）采样精度：大于等于10位 2）采样间隔：5ms 3）频率响应：0.05Hz到200Hz 4）电源供电：直流5V供电（电源适配器或USB供电）或手机锂电池供电 5）电源功耗：不大于1.5W（即电路小于300mA） 6）电池供电待机时间不小于10小时 拟采取的研究方案及可行性分析 本选题主要涉及到硬件系统的设计与制作、软件部分的设计、理论研究及临床验证四大部分。1．系统硬件设计与制作 在实验室研究成果的基础上，继承以往仪器小型便携等优点，选用TI定点DSP(采用TMS320VC5402)[12]~[14]，进一步改进传感器采集电路，在传感器电路部分让脉搏波信号不失真的送到F330单片机，使脉络中最大限度的包含心血管信息，通过DSP的控制和处理显示检测结果，设计相应的硬件采集系统。 本系统将针对指脉容积脉搏波的采集和分析设计相应的指脉采集处理电路，根据指脉信号幅值小、频率响应围主要集中在低频段（0.05Hz到200Hz）的特点，设计新的放大和采集电路，最大限度不失真地反映脉搏波波形形态，满足后续对波形分析的要求。 系统的硬件结构如图1所示： 图1 系统硬件结构图 2．软件部分设计 软件的设计主要分为以下三部分：单片机采集控制程序、主从机通讯及控制和计算机软件设计（实现计算结果存储和远程发送）。 单片机软件部分完成数据采集、电池电量采样和数据传送，主要包括定时、A/D转换、平滑滤波、自适应滤波[20]~[21]、串口数据发送等功能的实现。 主从机通讯控制和计算机软件设计完成主机和从机之间的通讯控制，实现主机对从机的访问以及对液晶、flash存储芯片的访问和控制、波形分析计算工作流程的控制等。 计算机软件部分是软件的辅助功能部分，要完成数据接收、波形和检测结果显示、数据分析处理、数据存取等。该软件将采用Microsoft Visual C++进行开发[22]~[24]。
本文通过文献复习［1-7］，综合分析不同血压脉搏波特征变化，提出针对不同脉搏特征下的传导时间提取算法，通过逐步回归分析建立血压模型，并据此模型实时测量人体收缩压与舒张压,实现血压的便捷、无创连续测量并可彻底摆脱袖套束缚。 1基本原理 血流动力学研究表明，动脉中血液从心脏向外周传播时，由于人体末端很多小动脉、微动脉和毛细血管起着阻力血管的作用，所以血管中血液是存在向心的反射作用的，这些往返脉搏波的线性组合构成动脉中脉搏波的特征形状［8］。对于动脉硬化的情况而言,其血管弹性降低,血管中血液流速加快,使人体末端的反射血液提前返回心室,这些反射波与推进波的叠加效应,使人体脉压抬升；而动脉状况较好的情况下,血管弹性较好,血液流速较慢,反射波的到来将延迟,收缩期压力将减少。因此,反射波与推进波汇合的时间,是可以反映脉搏波传导时间的,并可作为反映血压状况的参数。 Hiroshi等［9］在对由容积脉搏波进行二次微分后的加速脉搏波进行研究时发现,加速脉搏波各特征点能很好地反映血液微循环过程。从加速脉搏波中, 可以清晰看到波形呈现很有规律的上升和下降（图1）。这些上升支和下降支可以很好地解释心脏搏动引起的血液迸出、血液反射等血液微循环过程,且微循环过程有如下解释。 O-A段：由心脏逬出的血液在20~30mmHg的血压作用下,推进至人体末端的某个小动脉（如手指端）,并流进毛细血管,但是毛细血管极其细微而密集的特性,使推进至此的血液无法快速通过静脉流回心脏,因此,毛细血管中血液容量便急剧增加。 图1 光电容积脉搏波（a）和对应加速脉搏波（b）的图解说明 Fig.1 Illustration of PPG pulse wave（a）and accelerated pulse wave（b）A-B段：上述增加的血液在经过一定时间不断向前推进后,会出现一个快速下降过程。 B-C段：随着血液到达末端终点,会遇到静脉的阻碍,因此,来自静脉的反射血液便停留在毛细血管中,再次产生的结果就是毛细血管中血液容量再次有所增加。 C-D段：上述由静脉回流的血液在经过一定时间不断向前推进后,会再次出现一个下降过程。 以上过程会出现多次,因此毛细血管中血液容积也会有微弱的增加和减少,在加速脉搏波中,则如D-E段和E-F段表现的微弱的上升和下降。直到这种变化几乎可以忽略不计了,则一次心脏搏动过程结束,正如加速脉搏波中G点所示。 根据血液微循环机理分析可知脉搏波传导时间可通过A-C段时间间隔表示,它能比较准确地反映血液从心脏搏出到传递至手指末端毛细血管并反射汇合的时间［10］。Bazzett［11］发现脉搏波传导时间（pulse wave transittime, PWTT）和动脉血压值有关,也同血管容积和血管壁弹性量有关。在一定范围内, PWTT和动脉血压之间呈线性相关,且这种关系在某一个体,在一段时间内相对稳定。因此,如果能准确的获取推进波与反射波的传导时间,建立动脉血压与传导时间的血压估算模型,计算人体实时血压值,将可极大地简化检测流程, 降低检测复杂度,实现无创连续测量并能彻底摆脱袖套的束缚。 2 软件设计及提取算法 本文提出的无创连续血压测量方法,本质在于找出血压与脉搏波传导时间之间的关系,因此首要 的是准确提取脉搏波传导时间。
收稿日期：2011－01－10作者简介：章伟（1986—），男，重庆永川人，硕士研究生，主要研究方向为集成电路设计；高博（1975—），男，山东人，讲师，主要研究方向为集成电路设计；龚敏，男，四川成都人，教授，主要研究方向为集成电路设计、新型半导体材料与器件工艺。 基于LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系统 章 伟，高 博，龚 敏 （四川大学物理科学与技术学院，四川成都610064） 摘要：光电容积脉搏波包含了人体丰富的生理、病理信息，对其进行实时监测可为临床研究和诊断提供 科学的指导。开发了一套基于图形化虚拟仪器工程设计平台LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系 统， 可完成对该信号的实时采集、显示和数据存储。经过指端光电容积脉搏波信号的透射式采集实验，在LabVIEW 前面板上准确显示出了该信号的波形，有助于对光电容积脉搏波进行深入分析。关键词：光电容积脉搏波；采集系统中图分类号：R543文献标识码：A 文章编号：1000－8829（2011）12－0016－04 A Photoplethysmograph Signal Acquisition System Based on LabVIEW ZHANG Wei，GAO Bo，GONG Min (College of Physical Science and Technology，Sichuan University，Chengdu 610064，China) Abstract:Photoplethysmograph(PPG)includes abundant information of physiology and pathology．Real-time monitoring on it can provide scientific guidance for clinical research and diagnosis．A PPG signal acquisition system is introduced．This system is developed on an engineering design platform named LabVIEW，which is a virtual instrument based on graphic language．PPG signal acquisition system is used to collect，display and store data in real time．One experiment is carried out for this research，which gathers PPG signal from fingertip in transmission way．PPG waveform is exactly displayed on LabVIEW s front-panel．These display results are helpful to analyze PPG in depth． Key words:photoplethysmograph;acquisition system 光电容积脉搏波（PPG ， photoplethysmograph ）信号是人体重要的生理信号， 包含着人体心脏器官和血液循环系统丰富的生理、病理信息。当一定波长的光束照射到皮肤表面时，光束将通过投射或反射方式传送到光电传感器。由于受到皮肤肌肉组织和血液的吸收衰减作用，光电传感器检测到的光电强度会有一定程 度的减弱。当心脏收缩时， 外周血管扩张，血容量最大，光吸收最强，因此检测到的光信号强度最小；当心脏舒张时，外周血管收缩，血容量最小，光吸收最弱，因此检测到的光信号强度最大，使得光电传感器检测到的光强度随心脏搏动而呈现脉动性变化。将此光强度 变化信号转换为电信号， 再经放大后即可反映出外周血管血流量随心脏搏动的变化［1］ 。PPG 信号对于临 床诊断和救护有重要的指导意义，但是由于PPG 信号 在采集过程中易受体内、 体外各种因素干扰，信号波形容易受到影响，为信号特征参数的提取带来很大困难，因此目前对PPG 信号的应用还主要限于提取其振幅 来计算血氧饱和度、 根据频率来得到心率上。可见，获取高质量的PPG 信号是其在临床上得到推广的重要基础。 LabVIEW 是美国国家仪器公司（NI ）推出的虚拟仪器开发平台，是计算机辅助测试（CAT ）领域的一项重要技术。基于图形化编程语言（G 语言）的Lab-VIEW 提供了功能强大的函数模块库，包含数学、仪器I /O 和信号处理等方面的函数。利用LabVIEW 软件可直接对经由PPG 信号硬件采集系统采集到的数字信号进行处理，利用软件的功能来设计低通滤波器，避免了滤波器硬件电路的设计，在降低设计难度的同时增加了滤波处理的精度，更可有效避免在滤波过程中引入的噪声和信号失真，使信号保持较高的真实性。因此，基于LabVIEW 来开发PPG 信号采集系统具有广阔的应用前景。
光电容积脉搏波描记法原理及其在临床上的应用 罗志昌张松杨益民李旭雯 本文作者罗志昌先生北京工业大学生物医学工程中心教授张松先生副研究 员 杨益民先生助理研究员李旭雯女士助理研究员 关键词: 光电容积脉搏波描记法 一前言 光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmoGraphy 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当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器在此过程中由于受到指端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用检测器检测到的光强度将减弱其中皮肤肌肉组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的而皮肤内的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化当心脏收缩时外周血容量最多光吸收量也最 大检测到的光强度最小; 而在心脏舒张时正好相反检测到的光强度最大 使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化将此光强度变化信号转换成电信号便可获得容积脉搏血流的变化由此可见容积脉搏血流中包含有心搏功能血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息同时容积脉搏血流主要存在于外周血管中的微动脉毛细血管等微血管中所以容积脉搏血流同样包含有丰富的微循环生理病理信息是我们研究人体循环系统重要的信息来源由于光电容积 脉搏波描记法并不需要复杂而昂贵的仪器设备且操作简便性能稳定具有无创伤和适应性强等诸多优点因而受到国内外医学界的普遍重视引起工程科技 人员的广泛兴趣自1938年Hertzman首次提出光电容积脉搏波描记法原理以来的半个多世纪中国内外的许多科研人员在此领域中做了大量的基础研究和临床应用研究工作应用领域亦由人体循环系统发展到呼吸系统在人体血压血流血氧脑氧肌氧血糖微循环外周血管脉率呼吸率和呼吸容量等的无创检测中都有很好的应用前景并由此开发出许多在临床上有实用价值的医疗仪器 新产品本文将对此作一综述 二与PPG有关的基础性研究工作
第1章绪论 1.1 研究背景和意义 随着社会和科学技术的不断进步，人们对生命现象的认识也越来越深入，生物医学信号的检查是对人体健康状况评估的手段。在医院里，通过检查必要的生物医学数据，医生可以对病人健康程度做一个评估，并且根据数据诊断出病患所得的疾病以及康复状况。同时，医药保健类产品早已经不是医院的专利，以家庭为单位，几乎每个家庭都配备了必要的医疗保健类用品[1-3]。在适宜的医疗设备条件下，病人可以不依靠医生的辅助，自己采集医学生理数据，通过医学根据对此参数分析，评估健康水平或者诊断自身是否有疾病。现代的医疗仪器给人民生活带来了便捷，在智能化、便携式、可靠性、安全性等方面都有了很大的提高。仪器在实现功能的同时都有不同的特点，有的仪器便于携带，有的仪器操作简单。当然，结合众多优点的仪器无疑受到消费者的青睐。以医院为单位，因为测量出来的数据可以直接提供给医生作为诊断或评估病人身体状况的参考，所以这类医疗仪器性能高、功能强大、测量数据准确。而对于以家庭或个人来说，在保证功能的同时，方便测量生理数据、便于携带、价格低廉、智能化这些特点是此类医疗仪器发展的趋势。 作为诸多生理信号的一种，脉象信号蕴含着丰富的信息，从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)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[4]。许多中医文献分析脉象的形成和西医分析虽然表、述各有不同，但是有相同的科学原理。 人体循环系统由心脏、血管、血液所组成，负责人体氧气、二氧化碳、养分及废物的运送。血液经由心脏的左心室收缩而挤压流入主动脉，随即传递到全身动脉。当大量血液进入动脉将使动脉压力变大而使管径扩张，在体表较浅处动脉即可感受到此扩张，即所谓的脉搏[1]。 正常人的脉搏和心跳是一致的。脉搏的频率受年龄和性别的影响，婴儿每分钟
盘点可穿戴设备心率监测那点事 来源：互联网 [导读]在此之前，包括三星 Gear Fit、Fitbit Surge、Microsoft Band等手环上也都配备的是光电式心率计，它们从原理和本质上与Apple Watch是没有差别。 关键词：Apple Watch智能硬件可穿戴设备 Apple Watch所采用的心率监测是“光电容积脉搏波描记法”，简称光电式或透射法，它的原理非常简单——通过Apple Watch背面配备的绿色LED灯，搭配感光光电二极管照射血管一段时间，由于血液是红色的，它可以反射红光而吸收绿光，而在心脏跳动时，血液流量增多，绿光的吸收量会随之变大，处于心脏跳动的间隙时血流会减少，吸收的绿光也会随之降低，基于此，就可以根据血液的吸光度来测量心率。 在此之前，包括三星 Gear Fit、Fitbit Surge、Microsoft Band等手环上也都配备的是光电式心率计，它们从原理和本质上与Apple Watch是没有差别的，这也就使得它们的问题也同样是共性的——设备都需要紧贴手腕，并且毛发不能过于旺盛、不能出汗、也不能在运动时测量。这也就是为何苹果会建议用户在进行心率监测时让手表贴紧皮肤的原因，此外，苹果在介绍中也表示在天冷的情况下，用户手腕部位的血流量可能不足以监测到心率，而且用户在进行节率性运动（如：跑步和骑行）时，心率测量的准确性会比无规则运动（如：网球和拳击）更加的准确——这些亦都是光电式心率监测的局限性所在。 不过可能更令人沮丧的是，由于当血液经过毛细血管流入手腕时，血液流动速度实际上已经减缓了，因此最终的结果也不一定能够真实反映心率——也就是说，使用 Apple Watch 监测出的心率数据，最后可能还不如一些手机准确，特别是在手握机器的情况下，由于人的食指指尖有一个动脉血管，而后者能够和心脏基本保持一样的频率。 除了光电式监测之外，另一种心率监测方式也在一些穿戴设备上普及开来，这就是生物电式，它的核心是借助于生物电阻抗传感器，通过生物肌体自身阻抗来实现血液流动监测，
第３３卷 第１期２０１６年 ２月生物医学工程学杂志 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．３３ Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１６基于光电容积脉搏波描记法的心率变异性分析系统 前端装置设计＊ 石 磊１△ 孙 朋２ 庞 宇１ 罗志勇１ 王 伟１ 王延项１ １（重庆邮电大学光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室，重庆４０００６５ ）２（解放军３０９医院，北京１０００９１ ）摘 要：心率变异性（ＨＲＶ）是指逐次心跳周期差异的变化情况，它产生于自主神经系统对心脏窦房结的调制，是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个很有价值的指标。传统对ＨＲＶ的分析多是基于心电信号，而心电信号的采集过程较为复杂，因此我们设计了一种基于光电容积脉搏波（ＰＰＧ）描记法的ＨＲＶ分析系统，ＰＰＧ信号通过单片机从人体手指端采集，数据经过ＵＳＢ转串口模块发送给上位机，上位机软件将采集到的数据绘成波形图并将数据存储下来，以便日后ＨＲＶ分析使用。该系统尺寸小、功耗低、操作简单，适用于家庭和医院的日常监护。关键词：心率变异性；心电图；光电容积脉搏波描记法；低功耗 中图分类号 Ｒ－３３ 文献标志码 Ａ ＤＯＩ １ ０．７５０７／１００１－５５１５．２０１６０００４Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ Ｈｅａｒｔ Ｒａｔｅ Ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄ ｏｎ Ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ ＳＨＩ Ｌｅｉ １ ＳＵＮ Ｐｅｎｇ２ ＰＡＮＧ Ｙｕ１ ＬＵＯ Ｚｈｉｙｏｎｇ１ ＷＡＮＧ Ｗｅｉ １ ＷＡＮＧ Ｙａｎｘｉａｎｇ １ １（Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｌｅｖｅｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ ＴｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６５，Ｃｈｉｎａ）２（ＰＬＡ３０９ｔｈ Ｈｏｓｐｉｔａｌ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１ ０００９１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ（ＨＲＶ）ｉｓ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｈｅａｒｔｂｅａｔ ｃｙｃｌｅ，ａｎｄ ｉｔｉｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｕｔｏｎｏｍｉｃ ｎｅｒｖｏｕｓ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｕｓ ｎｏｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｒｔ．Ｔｈｅ ＨＲＶ ｉｓ ａ ｖａｌｕａｂｌｅ ｉｎｄｉ－ｃａｔｏｒ ｉｎ ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｕｄｄｅｎ ｃａｒｄｉａｃ ｄｅａｔｈ ａｎｄ ａｒｒｈｙｔｈｍｉｃ ｅｖｅｎｔｓ．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＨＲＶ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｍｕｌｔｉ－ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ（ＥＣＧ），ｂｕｔ ｔｈｅ ＥＣＧ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｓｏ ｗｅ ｈａｖｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎ ＨＲＶ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＰＧ）．ＰＰＧ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｂｙ ａ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｒｏｍ ｈｕｍａｎ’ｓ ｆｉｎｇｅｒ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓｓｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｖｉａ ＵＳＢ－Ｓｅｒｉａｌ ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｃｏｌｌｅｃｔｓ ｔｈｅ ｄａｔａ ａｎｄ ｐｌｏｔ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ，ｂｕｔａｌｓｏ ｓｔｏｒｅｓ ｔｈｅ ｄａｔａ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ＨＲＶ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｍａｌｌ ｉｎ ｓｉｚｅ，ｌｏｗ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ａｎｄ ｅａｓｙ ｆｏｒｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｄａｉｌｙ ｃａｒｅ ｎｏ ｍａｔｔｅｒ ｗｈｅｔｈｅｒ ｉｔ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｔ ｈｏｍｅ ｏｒ ｉｎ ａ ｈｏｓｐｉｔａｌ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ；ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ；ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ；ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ＊国家自然科学基金资助（ ６１４７１０７５）；重庆高校创新团队建设计划（智慧医疗系统与核心技术创新团队） △通信作者。Ｅ－ｍａｉｌ：１４０３９５５３５８＠ｑｑ ．ｃｏｍ引言 心血管系统疾病是威胁人类生命安全的重大疾 病，具有高发病率、高致残率和高死亡率等特点［ １］ 。根据世界卫生组织统计，全世界每年死于心脑血管疾病的人数高达１ ５００万人，居各种死因首位。心率变异性（ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ，ＨＲＶ）指逐次心跳周期差异的变化情况，它产生于自主神经系统对心脏窦房结的调制，反映了自主神经系统的活性，是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个很有价值的指标。光学容积描记（ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａ－ｐｈｙ ，ＰＰＧ），也叫光电容积脉搏波描记法，是一种用来检测组织微血管中血容量变化的光学测量方 法［２－ ５］。传统对ＨＲＶ的分析多是基于心电信号，但是随着光电技术在医疗应用中的扩大，人们对利用 光电技术测量人体生理参数的研究也逐渐加强。１９８１年，Ｎｉｊｂｏｅｒ等提出影响ＰＰＧ信号强度的因素包括血液容量、红血球的位置和血管运动等。２０１１
光电式指脉搏波心率检测仪实验报告一．实验目的 ①掌握光电法脉搏信号检测、心律检测显示原理，电路设计、制作、调试方法； ②初步掌握电子电路读图、分析方法； ③初步掌握电子电路设计、计算方法； ④掌握电子电路连接、焊接、制作、调试技术； ⑤掌握常用电子元器件的辨识、参数、使用注意事项； ⑥初步了解电路的实验板电路制作和PCB板设计制作； ⑦掌握电路制作常用工具及其使用。 二．实验器材 电路板，各种电子元器件，电焊笔，焊锡丝，焊铁架，尖嘴钳，剥线钳，铜丝，镊子，十字螺丝刀，一字螺丝刀等 三．实验原理 人体手指末端微血管随动脉搏动发生容积变化，若用一束光透过指端的血管其输出光强也将随之变化；利用光敏元件可将光信号转换成电信号输出,即可获得指端容积脉搏波信号。 光电传感器根据其接收光的方向又分为反射式和透射式，透射式的光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，从光源发出的光穿过皮肤进入深层组织，除被皮肤、色素、指甲、血液等吸收外，一部分被血液漫反射，其余则透射出来，这种方法可较好地指示心律的时间关系，并可用于脉搏测量，但不利于精确度量容积；反射式的测量原理与透射式的基本相同，所不同的是探测头中的发射光源和光敏器件位于同一侧，接收的是漫反射回来的光，此信号可精确地测得血管内容积变化。
四．实验电路图 1.信号检测电路 包括光电转换电路、滤波 放大电路、以及滞回比较器 电路。如图1。 图1 信号检测电路 1.1光电转换电路 光电转换电路由光电传感器、1R 、2R 、4R 组成，1R 的作用是限流，提供光电转换器中发光二极管稳定的正向电流，使发光二极管发出稳定的光，光电三极管受到发光二极管的光照后，产生光电流，2R 的作用是分压，4R 的作用是将光电转化后的电流变化转化为电压的变化，便于进行进一步处理。 1.2前级放大 由R 3、R 5、R 6以及N 1构成同相比例运算放大电路，此时测量N 1的输入电压及4R 的端电压约为0.1V （该电压因传感器的灵敏度不同稍有变化）。 由I ???? ? ?+=u R R u 6501 可算出放大倍数11101001=+=u A 1.3高通滤波电路 高通滤波电路由C 1、R 7、R 8、R 9、R 10、N 2组成， 其截止频率=p f 1821C R π=110 22105.72163=????-πHZ ， 放大倍数=up A 1+109 R R =10 3001+=31 注：滤波放大的效果可以通过示波器观察。 1.4低通滤波电路 低通滤波电路由R 11、C 2、R 12、R 13、N 3组成，