心率監(jiān)測(cè)中的光電容積脈搏波技術(shù)

　　根據(jù)心跳速率，通過(guò)指尖或耳垂的血流量會(huì)有所不同。因此，我們需要某種機(jī)制來(lái)檢測(cè)血流量的變化，從而確定心臟跳動(dòng)的速率。

　　監(jiān)控心率最常用的方法之一就是采用內(nèi)置IR發(fā)射器和接收器的光學(xué)收發(fā)器。當(dāng)紅外線等光輻射通過(guò)手指或耳垂血管時(shí)，從手指或耳垂處接收到的信號(hào)具有周期性，并根據(jù)血液流動(dòng)節(jié)律和血液的吸收性而發(fā)生變化。(在一般情況下，人體血液能輕松反射射入的紅外線光波。)這種方法稱為光電容積脈搏波[5].

　　光電容積脈搏波有兩種類型：傳輸法與反射法，且均采用基于光感應(yīng)位置的紅外波。

　　類型一：紅外反射法

　　采用IR LED和光電二極管/光電晶體管的眾多紅外收發(fā)器芯片，可在市場(chǎng)上滿足心率監(jiān)控器系統(tǒng)的要求[3]，而光電二極管/光電晶體管的傳導(dǎo)則根據(jù)反射到其上的光量不同而產(chǎn)生變化。

　　假定IR LED的激勵(lì)源為常量。當(dāng)紅外收發(fā)器放置位置的血流量發(fā)生改變時(shí)，反射回來(lái)的光量也會(huì)發(fā)生變化。這種光學(xué)收發(fā)器的輸出變化將心跳轉(zhuǎn)化到電子領(lǐng)域中，這就需要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)過(guò)程。最后，我們還需要采用數(shù)字邏輯來(lái)計(jì)算每分鐘的脈搏次數(shù)，進(jìn)而得出以bpm(每分鐘心跳數(shù))為單位的心率。

　　圖1：紅外反射法

　　類型二：紅外傳輸法

　　當(dāng)選擇手指作為心跳測(cè)量的來(lái)源時(shí)，那么紅外反射法往往就是最好的選擇。但是，這種方法對(duì)在耳垂位置放置類似的器件并不適合。因此，我們必須在耳垂上采用夾子類的裝置將心率監(jiān)控器放置在固定位置，例如放置在口袋中。在此情況下，夾子的一端連接耳垂，能持續(xù)獲得IR LED，而夾子另一端(在耳垂的另一端)則能控制光電二極管/光電晶體管。這樣，當(dāng)紅外收發(fā)器在連接耳朵處的血流量增加時(shí)，光電晶體管接收到的光量就會(huì)減少(即，與反射法的行為相反)。

　　圖2：紅外傳輸法

　　設(shè)計(jì)要求

　　1.紅外發(fā)射器包括能持續(xù)發(fā)射特定波長(zhǎng)的紅外波的IR LED.

　　2.紅外接收器包含光電晶體管，其基極-發(fā)射極電壓(Vbe)根據(jù)其獲得的光量而發(fā)生變化。要檢測(cè)Vbe的變化，光電晶體管的集電極需要通過(guò)電阻將電壓拉至5V(如圖3所示)。[6]

　　3.由于紅外接收器輸出的變化相對(duì)于血流量的變化而言非常小(大約介于50-70uV之間，具體取決于所用的二極管晶體管對(duì))，因此需要放大信號(hào)，使其達(dá)到可測(cè)量的電壓范圍(近似V的水平)。所以，放大器增益必須為50，000的水平，才能讓電壓達(dá)到可測(cè)量的范圍。

　　圖3：紅外發(fā)射器/接收器

　　4.設(shè)計(jì)這種設(shè)備時(shí)需要考慮各種可能的噪聲源，包括測(cè)量(即身體接觸)噪聲、肌電圖(EMG)噪聲(肌肉收縮)和運(yùn)動(dòng)影響(身體運(yùn)動(dòng)時(shí)常見(jiàn)的情況)。這些高頻來(lái)源的噪聲必須使用一階或二階低通濾波器來(lái)進(jìn)行消除。因此，應(yīng)用需要二階低通濾波器?？紤]到放大級(jí)，我們認(rèn)為需要兩級(jí)放大器和二階低通濾波器。

　　5.如前所述，獲得50，000的增益需要級(jí)聯(lián)兩個(gè)增益分別為250和200的放大器。因此，兩個(gè)運(yùn)算放大器可用來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)二階低通濾波器，總增益可達(dá)50，000.

　　最后，要生成方波列，計(jì)算脈搏數(shù)量，我們需要將兩級(jí)放大器的輸出饋送給具有適當(dāng)閾值的比較器。請(qǐng)注意，該適當(dāng)閾值取決于所用的紅外發(fā)射器和接收器。

　　現(xiàn)在，比較器能生成一系列與心跳相同周期的脈沖。我們要把該輸出饋送至數(shù)字模塊或MCU(微控制器單元)，從而計(jì)算每分鐘脈搏數(shù)，并在LCD上顯示所得到的輸出。此外，MCU還要存儲(chǔ)身高體重等個(gè)人數(shù)據(jù)，從而能夠計(jì)算消耗的卡路里。

　　從上面的描述中我們可以看到，我們需要：

　　1.心率傳感器(紅外二級(jí)管和光電晶體管對(duì))。

　　2.3個(gè)外部運(yùn)算放大器：2個(gè)用于濾波和放大級(jí)，另一個(gè)用作比較器。

　　3.1個(gè)MCU，可計(jì)算心率和消耗的卡路里，并控制顯示器單元(段式LCD)。如果MCU不能直接驅(qū)動(dòng)段式LCD，那么還需要采用外部芯片。

　　4.1個(gè)段式LCD，用以顯示心率和消耗的卡路里。

　　因此，我們需要一個(gè)芯片進(jìn)行心率感應(yīng)，3個(gè)外部運(yùn)算放大器、1個(gè)MCU、1個(gè)芯片來(lái)連接帶段式LCD的MCU以及一個(gè)段式LCD.賽普拉斯推出的PSoC 4等單部低成本可編程片上系統(tǒng)可取代本應(yīng)用中所需的運(yùn)算放大器以及MCU和LCD接口。這種可編程片上系統(tǒng)設(shè)有低功耗ARM Cortex-M0內(nèi)核，并完美結(jié)合可編程混合信號(hào)硬件IP，能提供靈活的可擴(kuò)展低功耗混合信號(hào)架構(gòu)，從而充分滿足這種應(yīng)用類型的模擬I/O、信號(hào)處理和實(shí)時(shí)計(jì)算要求。