一種三角波調制光電容積脈搏波測量裝置和測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光電容積脈搏波測量領域，尤其涉及一種三角波調制光電容積脈搏波 測量裝置和測量方法。
【背景技術】
[0002] 光電容積脈搏波（Photo Plethysmo Graphy，以下簡稱PPG)是一種重要的生理信 號，廣泛地應用對心血管系統和血液成分進行分析。如對血氧飽和度的測量中就是采用2 種或2種以上的LED (發光二極管）測量PPG而實現的。在這些測量中通常采用時分方式 采集PPG并消除背景光的干擾。
[0003] 發明人在實現本發明的過程中發現，現有技術中至少存在以下缺點和不足：
[0004] 現有的采用正弦波或方波激勵多波長PPG的測量方法存在電路結構復雜、器件和 工藝要求高、調試困難、可靠性低、計算量大以及結果不夠準確等缺點。
【發明內容】
[0005] 本發明提供了一種三角波調制光電容積脈搏波測量裝置和測量方法，本發明實現 了高精度測量，且電路結構簡單、器件和工藝要求低、調試容易、可靠性高、計算量小等優 點，詳見下文描述：
[0006] -種三角波調制光電容積脈搏波測量裝置，所述光電容積脈搏波測量裝置包括： 微處理器、至少4種發光二極管、光敏器件、電流/電壓轉換放大器和模數轉換器
[0007] 所述微處理器輸出不同頻率且成2倍比率關系的三角波，所述三角波驅動至少4 種發光二極管；
[0008] 發光二極管發出的光經被測手指后被所述光敏器件接收，所述光敏器件轉換成電 壓信號，所述電壓信號經所述電流/電壓轉換放大器轉換成預設幅值電壓信號；
[0009] 所述模數轉換器將所述預設幅值電壓信號轉換成數字信號，所述微處理器對所述 數字信號進行處理獲取光電容積脈搏波及其谷值和峰值，通過所述谷值和所述峰值得到光 譜值。
[0010] 其中，所述微處理器采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一種。
[0011] 一種三角波調制光電容積脈搏波測量裝置的測量方法，所述方法包括以下步驟：
[0012] (1)微處理器采用不同頻率且成2倍比率關系的三角波驅動至少4種發光二極 管；
[0013] (2)發光二極管發出的光經過被測手指后由光敏器件接收轉換成電壓信號，所述 電壓信號經過電流/電壓轉換放大器放大成預設幅值電壓信號；
[0014] (3)所述預設幅值電壓信號經模數轉換器轉換成數字信號送入所述微處理器；
[0015] (4)所述微處理器對所述數字信號進行鎖相計算、分離處理得到光電容積脈搏波 并消除背景光的干擾；
[0016] (5)根據所述光電容積脈搏波獲取谷值和峰值；
[0017] (6)對所述谷值和所述峰值進行計算得到吸光度差值，通過所述吸光度差值獲取 光譜值。
[0018] 本發明提供的技術方案的有益效果是：本發明依據朗伯-比爾定律，采用三角波 頻分調制和數字解調技術設計一種三角波調制多波長發光二極管的光電容積脈搏波，具有 測量精確、電路簡單、無需調試、工藝性好以及成本低廉的特點。
【附圖說明】
[0019] 圖1為一種三角波調制光電容積脈搏波測量裝置的結構示意圖；
[0020] 圖2為三角波激勵信號示意圖；
[0021] 圖3為一種三角波調制光電容積脈搏波測量裝置的另一結構示意圖
[0022] 圖4為一種三角波調制光電容積脈搏波測量方法的流程圖；
[0023] 圖5為三角波對圖像測量精度的影響示意圖。
[0024] 附圖中，各標號所代表的部件列表如下：
[0025] 1 :微處理器； 2 :發光二極管；
[0026] 3 :光敏器件； 4 :電流/電壓轉換放大器；
[0027] 5 :模數轉換器； PX. 1 : I/O 口；
[0028] PX. 2 : I/O 口； PX. η : I/O 口；
[0029] PX. 3 : I/O 口； PX. 4 : I/O 口；
[0030] Rl :第一電阻； VCC :電源；
[0031] R2:第二電阻； R3:第三電阻；
[0032] R4:第四電阻； R5:第五電阻；
[0033] R6:第六電阻； Cl:第一電容；
[0034] C2:第二電容； Dl:第一發光二極管；
[0035] D2 :第二發光二極管； D3 :第三發光二極管；
[0036] D4:第四發光二極管； Al:運算放大器；
[0037] PY 口 ： I/O 口。
【具體實施方式】
[0038] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步 地詳細描述。
[0039] 實施例1
[0040] -種三角波調制光電容積脈搏波測量裝置，參見圖1和圖2,該三角波調制光電容 積脈搏波測量裝置包括：微處理器1、至少4種發光二極管2、光敏器件3、電流/電壓轉換 放大器4和模數轉換器5，
[0041] 微處理器1輸出不同頻率且成2倍比率關系的三角波，三角波驅動至少4種發光 二極管2,發光二極管2發出的光經被測手指后被光敏器件3接收，光敏器件3轉換成電壓 信號，電壓信號經電流/電壓轉換放大器4轉換成預設幅值電壓信號，模數轉換器5將預設 幅值電壓信號轉換成數字信號，微處理器1對數字信號進行處理，獲取光電容積脈搏波及 其谷值和峰值，通過谷值和峰值得到光譜值。
[0042] 由于動脈的脈動現象，使血管中血流量呈周期性變化，而血液是高度不透明液體， 因此脈搏搏動的變化必然引起吸光度的變化。
[0043] 考慮動脈血管充盈度最低狀態，來自光源的入射光沒有被脈動動脈血液吸收，此 時的出射光強I max最強，可視為脈動動脈血液的入射光I ;而動脈血管充盈度最高狀態對應 光電脈搏波的谷點，即脈動動脈血液作用最大的時刻，此時的出射光強Imin最弱，為脈動動 脈血液的最小出射光強I。所以，通過記錄動脈充盈至最大與動脈收縮至最小時的吸光度 值，就可以消除皮膚組織、皮下組織等一切具有恒定吸收特點的人體成分對于吸光度的影 響。
[0044] 設入射光強為Itl，動脈充盈時檢測光強和動脈收縮時檢測光強分別為Imin和I _， 則動脈充盈時的吸光度和動脈收縮時的吸光度差值為：
【主權項】
1. 一種三角波調制光電容積脈搏波測量裝置，所述光電容積脈搏波測量裝置包括：微 處理器、至少4種發光二極管、光敏器件、電流/電壓轉換放大器和模數轉換器，其特征在 于， 所述微處理器輸出不同頻率且成2倍比率關系的三角波，所述三角波驅動至少4種發 光二極管； 發光二極管發出的光經被測手指后被所述光敏器件接收，所述光敏器件轉換成電壓信 號，所述電壓信號經所述電流/電壓轉換放大器轉換成預設幅值電壓信號； 所述模數轉換器將所述預設幅值電壓信號轉換成數字信號，所述微處理器對所述數 字信號進行處理獲取光電容積脈搏波及其谷值和峰值，通過所述谷值和所述峰值得到光譜 值。
2. 根據權利要求1所述的一種三角波調制光電容積脈搏波測量裝置，其特征在于，所 述微處理器采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一種。
3. -種用于權利要求1或2所述的一種三角波調制光電容積脈搏波測量裝置的測量方 法，其特征在于，所述方法包括以下步驟： (1) 微處理器采用不同頻率且成2倍比率關系的三角波驅動至少4種發光二極管； (2) 發光二極管發出的光經過被測手指后由光敏器件接收轉換成電壓信號，所述電壓 信號經過電流/電壓轉換放大器放大成預設幅值電壓信號； (3) 所述預設幅值電壓信號經模數轉換器轉換成數字信號送入所述微處理器； (4) 所述微處理器對所述數字信號進行鎖相計算、分離處理得到光電容積脈搏波并消 除背景光的干擾； (5) 根據所述光電容積脈搏波獲取谷值和峰值； (6) 對所述谷值和所述峰值進行計算得到吸光度差值，通過所述吸光度差值獲取光譜 值。
【專利摘要】本發明公開了一種三角波調制光電容積脈搏波測量裝置和測量方法，微處理器輸出不同頻率且成2倍比率關系的三角波，三角波驅動至少4種發光二極管，發光二極管發出的光經被測手指后被光敏器件接收，光敏器件轉換成電壓信號，電壓信號經電流/電壓轉換放大器轉換成預設幅值電壓信號，模數轉換器將預設幅值電壓信號轉換成數字信號，微處理器對數字信號進行處理，獲取光電容積脈搏波及其谷值和峰值，通過谷值和峰值得到光譜值；方法包括：微處理器對數字信號進行鎖相計算、分離處理得到光電容積脈搏波并消除背景光的干擾；根據光電容積脈搏波獲取谷值和峰值；對谷值和峰值進行計算得到吸光度差值，通過吸光度差值獲取光譜值。電路簡單、數字信號簡潔。
【IPC分類】A61B5-02, A61B5-1455
【公開號】CN104783768
【申請號】CN201510196828
【發明人】李剛, 彭瑤, 徐思佳, 胡雅佳, 王懷樂, 林凌
【申請人】天津大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月23日