脈搏信號相干檢測方法的實(shí)驗(yàn)研究

肖婷婷+高福斌+田小建

摘 要： 脈搏信號是評估人體健康狀況的一個(gè)重要因素。由于脈搏信號頻率低、幅值小，常常被淹沒在噪聲內(nèi)，為了提取脈搏信號，需要對信號進(jìn)行去噪處理，因此采用相干檢測實(shí)現(xiàn)去除噪聲，通過對采集到的脈搏信號進(jìn)行處理，得到了良好的輸出波形。針對脈搏信號的特點(diǎn)，給出了實(shí)際可行的電路和測試方法。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)具有良好的測量穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： 脈搏信號； 相干檢測； 傳感器； 人體健康評估

中圖分類號： TN911.7?34； TN29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）16?0118?04

Experimental research on coherent detection method for pulse signal

XIAO Tingting， GAO Fubin， TIAN Xiaojian

（College of Electronic science and Engineering， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract： The pulse signal is an important factor in the assessment of human health. Because the pulse signals frequency is low and its amplitude is small， it is often submerged in the noise. In order to extract the pulse signal， the signal needs to be denoised. That is why coherent detection is adopted in this paper to remove the noise. By processing the extracted pulse signal， an excellent output waveform was obtained. According to the characteristics of pulse signal， the practical circuit and test results are given. The experimental results show that this system has good measurement stability.

Keywords： pulse signal； coherent detection； sensor； assessment of human health

脈搏信號作為生理信號之一蘊(yùn)含了豐富的人體健康狀況的信息，脈搏信號所呈現(xiàn)出來的幅度、頻率和波形等信息歷來受到醫(yī)生的重視。然而由于外部環(huán)境的干擾、人體自身狀況的改變和測量設(shè)備的內(nèi)部噪聲等因素，脈搏信號常常被噪聲所淹沒。因此脈搏信號的測量應(yīng)具備高精度、高速度、高可靠性和很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，能提取出有效的脈搏信號數(shù)據(jù)。國內(nèi)外對于脈搏信號主要進(jìn)行放大與濾波處理，由于濾波器的帶寬有限，傳統(tǒng)的脈搏測量并不能去除掉混在脈搏頻帶內(nèi)的噪聲。近些年國內(nèi)外采用了計(jì)算機(jī)自動(dòng)識別法對脈搏信號進(jìn)行篩選，挑取主要指標(biāo)，系統(tǒng)成本較高，且操作復(fù)雜，應(yīng)用性不高。本文采用相干檢測方法對脈搏信號進(jìn)行處理，降低噪聲、改善信噪比，從而提取出有用的信息，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可操作性強(qiáng)，可靠性高。

1 脈搏信號相干檢測基本原理

1.1 脈搏波信號的產(chǎn)生與采集

由心臟和血管組成的循環(huán)系統(tǒng)中，心臟進(jìn)行著周期性的舒縮功能，當(dāng)心室收縮時(shí)，動(dòng)脈血從左心室流入主動(dòng)脈，再沿各級動(dòng)脈分支到達(dá)全身各部的毛細(xì)血管。當(dāng)血液與其周圍的細(xì)胞和組織進(jìn)行物質(zhì)交換之后，血液由鮮紅色的動(dòng)脈血變?yōu)榘导t色的靜脈血。再經(jīng)各級靜脈，最后經(jīng)上、下腔靜脈流回右心房。在每個(gè)周期中，動(dòng)脈隨著體循環(huán)進(jìn)行，壓力也伴隨著周期性的變化，這種周期性的壓力變化可引起動(dòng)脈血管發(fā)生搏動(dòng)，稱為動(dòng)脈脈搏。脈搏圖如圖1所示。

圖1 脈搏波形圖

在人體健康狀況正常的情況下，如圖1波形圖由上升支和下降支構(gòu)成一個(gè)完整的信號。脈搏信號的幅度在μV至mV的范圍內(nèi)，脈搏信號是接近周期性的微弱信號，且屬于低頻信號，頻率一般在30 Hz以內(nèi)，由于脈搏信號的幅度小、頻率低，在脈搏信號的數(shù)據(jù)采集時(shí)一般容易引進(jìn)極大的噪聲干擾，因而信噪比低，這為脈搏的測量與分析帶來了一定的難度。

在手指末端含有較高的動(dòng)脈成分，且厚度較薄，當(dāng)動(dòng)脈搏動(dòng)時(shí)，指端的微血管床會產(chǎn)生血管容積的改變，當(dāng)受到一定波長的光照射時(shí)，血管對光的吸收量將不同，在非血液組織中，光的吸收量是一定的，透過指端的光強(qiáng)隨著動(dòng)脈的搏動(dòng)將發(fā)生變化，利用光敏元件將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為電信號從而測出脈搏信號。

1.2 相干檢測基本原理

由于確定信號之間具有較強(qiáng)的相干性，而由于噪聲的隨機(jī)性較強(qiáng)，信號與噪聲之間是不相干的，通過這種差異，可以將淹沒在噪聲下的信號提取出來。

設(shè)被測信號為s（t），n（t）為隨機(jī)噪聲，則輸入信號x（t）=s（t）+n（t），其中s（t）為：

[s（t）=Vsin（ωt+θ）] （1）

式中：[V]為信號幅值；θ為初始相位；ω為信號角頻率。其傅里葉級數(shù)表示為：

[s（t）=a02+n=1∞ancos（nωt）+n=1∞bnsin（nωt）] （2）

式中：

[a0=1T0Ts（t）dt] （3）

[an=2T0Ts（t）cos（nωt）dt] （4）

[bn=2T0Ts（t）sin（nωt）dt] （5）

設(shè)s（t）的傅里葉變換為S（k）則：

[Rs（τ）=F-1[S（k）2]] （6）

信號自相關(guān)函數(shù)為：

[Rx（τ）=Rs（τ）+Rn（τ）+Rsn（τ）+Rns（τ）] （7）

模擬乘法器的輸出為，由于n（t）與s（t）不相關(guān)，因此[Rsn（τ）=Rns（τ）=0]，則有：

[Rx（τ）=Rs（τ）+Rn（τ）] （8）

當(dāng)τ很大時(shí)，噪聲的自相關(guān)函數(shù)衰減到零。

通過低通濾波濾除掉信號的諧波分量，因此輸出為：

[Rx（τ）=V22cos（ωτ）] （9）

2 脈搏信號相干檢測的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2為脈搏信號相干檢測的系統(tǒng)框圖，主要由信號采集、信號通道、參考通道以及相干檢測4部分組成。

（1） 信號采集。脈搏信號為人體生理信號，因此需要將脈搏信號轉(zhuǎn)換為電信號，本文選取光電式傳感器采集脈搏信號。

（2） 信號通道。信號通道主要由放大電路和低通濾波器構(gòu)成。脈搏信號具有較低的頻率，其頻率在1～30 Hz范圍內(nèi)。系統(tǒng)易受到工頻噪聲的干擾，由于脈搏信號的頻率小于工頻噪聲50 Hz，因此本文采用二階低通濾波器來去除噪聲。

圖2 脈搏信號相干檢測的系統(tǒng)框圖

（3） 相干檢測。相干檢測是微小信號檢測的核心部分，對整個(gè)測試系統(tǒng)起著決定性的作用。本文的相干檢測由乘法器和低通濾波組成。乘法器采用ANALOG DEVICES公司的AD633，它是一款功能完整的四象限模擬乘法器，包括高阻抗差分X和Y輸入，高阻抗求和輸入Z，單端輸出W。在10～10 kHz帶寬內(nèi)，Y輸入的非線性典型值小于0.1%，輸出端的噪聲低于100 μV均方根。AD633具有1 MHz帶寬和20 V/μs壓 擺 率，并且能驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載。外圍器件較少，應(yīng)用簡單方便。

相干檢測對信噪比的改善主要由低通濾波器實(shí)現(xiàn)，用低通濾波器實(shí)現(xiàn)窄帶化過程，低通濾波器在截至頻率很低的情況下其頻率特性仍能保持穩(wěn)定，低通濾波器只允許頻率在參考信號附近的噪聲信號通過，隨著濾波器的截至頻率越小，系統(tǒng)的通帶頻率越窄，抑制噪聲的能力就越強(qiáng)。

3 傳感器的選擇

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，不同種類，性能各異的傳感器也出現(xiàn)在各種脈搏測量儀器中，目前常見的脈搏傳感器有：壓電式傳感器、電阻式傳感器、壓磁式傳感器和光電式傳感器等。各種傳感器優(yōu)缺點(diǎn)如下：

（1） 壓電式傳感器：將動(dòng)脈出的壓力變化的轉(zhuǎn)換為電信號，在測量脈搏方面主要運(yùn)用PVDF壓電薄膜傳感器。壓電傳感器具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍、高精度和良好的靈敏度，然而電路復(fù)雜且成本較高。

（2） 電阻式傳感器：通過待測信號的變化引起電阻阻值的改變。電阻式傳感器具有較強(qiáng)的過載承受能力，穩(wěn)定性好，且應(yīng)用廣泛，但分辨率不高，且受環(huán)境的影響較大。

（3） 壓磁式傳感器（磁彈性傳感器）：傳感器將作用力的變化轉(zhuǎn)化為傳感器導(dǎo)磁率的變化，導(dǎo)致輸出的信號也隨之改變，這種傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，輸出功率大，為有源傳感器，但電路復(fù)雜。

（4） 光電式傳感器：利用光電效應(yīng)將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，光電式傳感器應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度好、結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活，但對環(huán)境要求較高。

綜上所述，本文采用光電式傳感器獲取脈搏信號，根據(jù)朗伯?比爾定律，當(dāng)入射光為單色光時(shí)即光波長一定時(shí)，物質(zhì)的吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c和吸收物質(zhì)的厚度[l]成正比：

[A=K?l?c] （10）

式中K為吸收系數(shù)。

在手指末端含有較高的動(dòng)脈成分，且厚度較薄，當(dāng)動(dòng)脈搏動(dòng)時(shí)，指端的微血管床會產(chǎn)生血管容積的改變，當(dāng)受到一定波長的光照射時(shí)，血管對光的吸收量將不同，在非血液組織中，光的吸收量是一定的，透過指端的光強(qiáng)隨著動(dòng)脈的搏動(dòng)將發(fā)生變化，利用光敏元件將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為電信號從而測出脈搏信號。光電傳感器主要由光敏元件組成，光敏元件的性能直接決定了脈搏信號獲取的好壞。光電傳感器主要有光電二極管、光電三極管、光敏電阻CdS、光電池及光電耦合器等。光敏電阻體積小、價(jià)格低廉、具有較寬的光譜響應(yīng)范圍、輸出電流大、靈敏度高且無極性之分，使用方便。但頻率特性差，響應(yīng)時(shí)間長。光電池不用外加偏置電壓，可靠性高、成本低、受光面積大、有較高的靈敏度結(jié)構(gòu)簡單，但抗干擾能力差。光電二極管、光電三極管受光面積小，具有非常好的頻率特性且靈敏度高，工作電壓低，但受溫度影響大。

通過實(shí)驗(yàn)的對比與分析，本實(shí)驗(yàn)采用光電傳感器OPT101，它是集光電二極管和放大器于一個(gè)器件內(nèi)的傳感器，由2.7～36 V單電源供電，電壓輸出隨接收到的光強(qiáng)度成線性變化，8引腳封裝，解決了光電轉(zhuǎn)換電路受外界干擾過大和輸出電流過小的問題，提高光敏元件的穩(wěn)定性。

由圖3 OPT101內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖及基本光電接受電路可知，OPT101內(nèi)部集成[1 MΩ]和[3 pF]并聯(lián)成的反饋電路。由圖4入射波長與電路輸出幅度的關(guān)系圖可知，傳感器在波長為600～960 nm內(nèi)電路輸出為0.4～0.6[VμW]。為了充分利用傳感器的性能，發(fā)光二極管的波長應(yīng)選取輸出幅度加大的區(qū)域。本實(shí)驗(yàn)的光源采用紅色發(fā)光二極管，波長為700 nm。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)使用安捷倫數(shù)字存儲示波器54810A來進(jìn)行系統(tǒng)的測試，圖5為光電傳感器輸出波形，由于工頻噪聲等的干擾，傳感器輸出信噪比較低。圖6為不同人的脈搏信號通過信號通道的輸出波形，信號通過信號通道后，信噪比有了明顯的改善，脈搏信號清晰，經(jīng)過信號通道輸出后的脈搏信號周期穩(wěn)定，曲線光滑，曲線的大波峰和小波峰反應(yīng)了人體心血管和血流等特征，信號通道對傳感器輸出信號處理效果比較理想，且不同人采集到的脈搏信號存在明顯的差異。

圖3 OPT101內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

圖4 入射光波長與電路輸出幅度的關(guān)系曲線

圖5 光電傳感器輸出波形

系統(tǒng)輸出的信號如圖5所示，測試時(shí)將示波器調(diào)到直流耦合模式。

在對系統(tǒng)進(jìn)行測試時(shí)應(yīng)注意一下幾個(gè)事項(xiàng)：

（1） 應(yīng)保持測試環(huán)境沒有其他光波進(jìn)行干擾。

（2） 測試者保持正確的姿勢，以防測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。

（3） 在測試之前不應(yīng)飲用酒和咖啡因等。

如圖7所示，系統(tǒng)有良好和穩(wěn)定的直流輸出。系統(tǒng)性能良好。

為了測試系統(tǒng)的及時(shí)性，在相同的環(huán)境下，同一被測試者在運(yùn)動(dòng)后的系統(tǒng)輸出隨時(shí)間變化的曲線如圖8所示，由圖可知，隨著時(shí)間的延長，系統(tǒng)的輸出下降，在5 min過后，系統(tǒng)的幅值不再改變，脈搏信號達(dá)到穩(wěn)定。

圖6 不同人的脈博信號通道輸出波形

圖7 系統(tǒng)輸出信號

圖8 運(yùn)動(dòng)后的系統(tǒng)輸出曲線

為測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相同條件下，同一被測試的對象在每1 min間隔內(nèi)測得的系統(tǒng)輸出電壓，測15個(gè)點(diǎn)為一組，進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示，波動(dòng)范圍為4.5 mV，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

本文針對脈搏信號的提取與相干檢測設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了可行性分析與驗(yàn)證。利用光電傳感器對脈搏信號進(jìn)行采集，由實(shí)驗(yàn)可知，采集到的脈搏信號噪聲較大，通過對采集到的信號進(jìn)行放大與濾波，可以去除掉部分噪聲，采用相干檢測的原理對濾波后的信號進(jìn)行處理與提取，去除掉混合在信號頻帶內(nèi)的噪聲，可以獲得較好的脈搏信號的參數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的操作性和靈活性，可靠性高且系統(tǒng)成本低，能完成日常的基本測量，適用于簡便儀器的開發(fā)。

圖9 系統(tǒng)穩(wěn)定度測量曲線

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