一 前言
從脈搏波中提取人體的生理病理資訊作 為臨床診斷和**的依據，歷來都受到中外醫 學界的重視。脈搏波所呈現出的形態、強度、 速率和節律等方面的綜合資訊，在很大程度上 反映出人體心血管系統中許多生理病理的血流 特徵，因此對脈搏波採集和處理具有很高的醫 學價值和應用前景。
隨著科學技術的發展，脈搏測試不再局 限於傳統的人工測試法或聽診器測試法。利用 血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點，可通 過感測器對脈搏訊號進行檢測，這種技術具有 先進性、實用性和穩定性，同時也是生物醫學 工程領域的發展方向。
二 光電容積脈搏波描記法原理及應用 簡述
光電容積脈搏波描記法（photo plethysmo graphy，下文簡稱 ppg）是借光電手段在活 體組織中檢測血液容積變化的一種無創檢測方 法。當一定波長的光束照射到指端**表面時， 光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收 器，在此過程中由於受到檢測端**肌肉和血 液的吸收衰減作用，檢測器檢測到的光強度將 減弱，其中**肌肉、組織等對光的吸收在整 個血液迴圈中是保持恆定不變的，而**內的 血液容積在心臟作用下呈搏動性變化，當心臟收縮時外周血容量最多，光吸收量也最大檢測 到的光強度最小；而在心臟舒張時，正好相反， 檢測到的光強度最大，故光接收器接收到的光 強度隨之呈脈動性變化，將此光強度變化訊號 轉換成電訊號，便可獲得容積脈搏血流的變化。 由此可見，容積脈搏血流中包含有血液流動等 諸多心血管系統的重要生理資訊。同時，容積 脈搏血流主要存在於外周血管中的微動脈、毛 細血管等微血管中，所以容積脈搏血流同樣包 含有豐富的微迴圈生理病理資訊，是我們研究 人體迴圈系統重要的資訊**。
ppg 訊號中包含有人體迴圈系統、呼吸 系統等許多生理病理資訊。在人體血壓、血流、 血氧、腦氧、肌氧、血糖、脈率、微迴圈、血 管阻力、呼吸率、呼吸量等引數的無創檢測中 都有很好的應用前景。雖然由於紅光、紅外光 與人體組織相互作用的機理十分複雜，影響它的因素也比較多。我們對容積脈搏血流本身的 機理了解和研究得還很不夠。加上對血流標定 工作的困難，因而在臨床上真正應用 ppg 開 發的醫療儀器還十分有限。目前應用得最為廣 泛和成功的是監護儀中的血氧和脈率檢測。
三 光電脈搏訊號檢測電路設計
由 於 血 液 中 氧 合 血 紅 蛋 白（hbo2） 和脫氧血紅蛋白（hb）在紅光和紅外光區 （600~1000nm）有獨特的吸收光譜，因而使 ppg 成為研究組織中血液成分尤其是血氧狀態 的簡單而有效的方法。許多國家的研究人員對 無創測量動脈血氧飽和度和組織血氧飽和度的 裝置進行了各自的研究。在他們所採用的無論 是透射光法和反射光法中都以朗伯 比爾定律 （the lam-bert-beer law）和光散射理論為基 礎，利用氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸 收係數的差異來進行，在紅光區（600~700nm） hbo2 和 hb 的吸收差異很大，而在紅外光譜 區（800~1000nm）其吸收差異較小。當血氧 飽和度變化時，也就 hbo2 相對 hb 的濃度發 生變化時，血氧飽和度應該和光檢測器上的 660nm 和 940nm 兩個波長的相對光強之間存 在較好的線性關係。
血氧飽和度：spo2=a+br 其中，a、b 為標定常數
由此原理設計出的無創脈搏血氧儀，是 一種快速測量血氧飽和度的有效方法，成為當 今國際上廣泛採用的監護儀器。廣泛用於手術 室 監護室 急救病房 運動和睡眠等各種臨床應 用中。
人體的生物訊號多屬於強雜訊背景下的 低頻的弱訊號，脈搏波訊號更是低頻微弱的非 電生理訊號，必需經過放大和后級濾波以滿足 採集的要求，脈搏檢測電路設計框如圖 1 所示。
3.1 訊號輸入、感測器選擇
利用指套式光電感測器，指套式光電傳 感器的換能元件用矽光電池，由於心臟的跳動， 引起手指尖的微血管的體積發生相應的變化， 當光通過手指尖射到矽光電池時，產生光電效 應，兩極之間產生電壓由於指尖的微血管內的 血液隨著心臟的跳動發生相應於脈搏的容積變 化，因而使光透過指尖射到矽光電池時也發生 相應的強度變化，而非血液組織（**、肌肉、 骨格等）的光吸收量是恆定不變的，這樣就把 人體的脈搏（非電學量）轉換為相應於脈博的 電訊號，方便檢測。
3.2 差分放大
這裡選用低雜訊的整合 儀器放大器 ina114 作為放 大器的核心元件。最低 2.3v 的工作電源電壓滿足電源要 求，ina114 的 失 調 電 壓 不 到 0.1mv，因此取其電壓增 益 100， 根 據 ina114 的 增 益計算公式可得 rg=500ω， ina114 的內部結構圖，如圖 2 所示。
3.3 低通濾波器
利用歸一化的方法設計 低通濾波器。這裡用四階巴 特沃斯低通濾波器，其優點 是在通帶內幅頻特性曲線比 較平坦，而且四階也可以達 到較陡的衰減的特性：其截 止頻率為 20hz 時，到頻率為 40hz 時其衰減幅度為 9%。 它的作用是濾除頻率為 20hz 以上的訊號分量。如圖3所示。
設 截 至 頻 率 為 20hz， 符合取樣要求同時濾除工頻 干擾，根據歸一化公式，取 r1=r2=r3=r4=100kω, 可 算 得 c1=c2=c3= c4=0.25μf。
4 結束語
相信隨著 ppg 基礎研究工作的進一步開 展和人們對這項技術的更深入了解，它必將開 拓出更為廣泛的應用領域。ppg 方法所具有的 無創性，且檢測方便、操作簡單、效能穩定、 重複性好、安全無交叉感染等許多優點，使其 不僅可用於醫院中的臨床檢測、監護、急救體 能測試，還可應用於社群和家庭醫療保健，並 具備聯網擴充套件功能，可以組建家庭社群和醫院 的醫療網路，在這些方面將都會有很好的應用前景。
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