3.2脉搏信号采集
目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。近年来, 光电检测技术在临床医学应用中发展很快, 这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰, 具有很高的绝缘性, 且可非侵入地检测病人各种症状信息,具有结构简单、无损伤、精度高、可重复好等优点[6]。用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。 3.2.1光电传感器的原理
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[7]。
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。
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[7]。 3.2.2光电传感器的结构
传感器由红外发光二级管和红外接收三极管组成。采用GaAs红外发光二极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移。红外接收三极管在红外光的照射下能产生电能，它的特性是将光信号转换为电信号。在本设计中，红外接收三极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。
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2种[8]。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。因此本系统采用了指套式的透射型光电传感器, 实现了光电隔离,减少了对后级模拟电路的干扰。结构如图3.5所
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示。
图3.5 透射式光电传感器
3.2.3 光电传感器检测原理
检测原理是: 随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变：当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小，当血液流回心脏，组织半透明度则增大；这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显[5]。因此本设计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的手指部位，经过手指组织的反射和衰减由装在该部位旁边的光敏三管来接收其透射光并把它转换成电信号。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的, 于是红外接收三极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。故只要把此电信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示[9]，即可实时的测出脉搏的次数。 3.2.4信号采集电路
图3.6是脉搏信号的采集电路，L2，L3分别是红外发射和接收装置，由于红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，所以对R6阻值的选取要求较高。R6选择330Ω同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度考虑的。R6过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收三极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R6过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线时，输入端的直流电压会出现很大变化，为了使它不致泄露到U2B输入端而造成错误指示，用C2耦合电容把它隔断[10]。
当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是由于红外接收三极管中存在暗电流，会造成输出电压略低。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收三极管中的暗电流减小，输出电压上升。但该传感器输出信号的频率很低，如当脉搏只有为50次/分钟时，只有0.78Hz，200次/分钟时也只有3.33Hz，信号首先经C6滤除高频干扰，再由耦合电容C2加到线性放大输入端。
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图3.6 信号采集电路
3.3信号放大
由于人体的脉搏通常为50~200次/分钟，对应的频率范围在0.83Hz~3.33Hz之间，因此经红外检测采集到并转换得到的电信号频率就非常低。为了防止信号因外界高频信号干扰而使检测结果有误，信号就必须先进行低通滤波，以便滤出绝大部分的高频干扰。而且脉搏仪所使用的地点不能保证是阴暗的室内，所以要考虑到强光对其测量的干扰。此外，低频信号需要经过多倍放大和整形，才能被主控模块所接受和处理。
信号转换模块会使用到LM358运算放大器。主要参数和特性如下： LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。[3]
特性(Features): ? 内部频率补偿
? 直流电压增益高(约100dB) ? 单位增益频带宽(约1MHz)
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? 电源电压范围宽：单电源(3—30V) ? 双电源(±1.5 ——±15V) ? 低功耗电流，适合于电池供电 ? 低输入偏流
? 低输入失调电压和失调电流 ? 共模输入电压范围宽，包括接地 ? 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
? 输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)[4]
表 3.2 LM358引脚功能说明
引脚序号 英文 缩写 集成电路 引脚功能 电阻参数（KΩ） 正笔 接地 负笔 接地 7 7.5 4.9 0 4.9 8 6.9 0.43 直流电压参数（V） 有信号 6.5 6.5 6.3 0 6.3 6.4 6.4 12 无信号 6.5 6.5 6.3 0 6.3 6.4 6.4 12 1 2 3 4 5 6 7 8 AMPout1 放大信号（1）输出 IN1- IN1+ GND IN2- IN2+ 反向信号（1）输入 同向信号（1）输入 接地 反向信号（2）输入 同向信号（2）输入 17 19 4.9 0 4.9 58 18 0.43 AMPout2 放大信号（2）输出 Vcc 电源电压+12V
3.3.1 放大电路
按人体脉搏在运动后跳动次数达200次/分钟的计算来设计低通放大器，如图3.7所示。RW1、C2，C3,C4组成低通滤波器以进一步滤除残留的干扰，截止频率由R4、C2，C3,C4决定，运放U2A将信号放大，放大倍数由R4和RW1的比值决定。
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图3.7 低通放大电路
根据一阶有源滤波电路的传递函数，可得：
A(s)?V0(s)A0?V(s)i1?swc
放大倍数为：H=R4/RW1 =20 截止频率为：fH = 7.7Hz
按人体的脉搏跳动为200次/分钟时的频率是3.3 Hz考虑，低频特性是令人满意的
经过低通放大后输出的信号是叠加有噪声的脉动正弦波。波形如图3.8所示。
图3.8放大后波形
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