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脉搏信号相干检测方法的实验研究

2015-11-17肖婷婷高福斌田小建

现代电子技术 2015年16期
关键词:传感器

肖婷婷+高福斌+田小建

摘 要: 脉搏信号是评估人体健康状况的一个重要因素。由于脉搏信号频率低、幅值小,常常被淹没在噪声内,为了提取脉搏信号,需要对信号进行去噪处理,因此采用相干检测实现去除噪声,通过对采集到的脉搏信号进行处理,得到了良好的输出波形。针对脉搏信号的特点,给出了实际可行的电路和测试方法。由实验结果可知,该系统具有良好的测量稳定性。

关键词: 脉搏信号; 相干检测; 传感器; 人体健康评估

中图分类号: TN911.7?34; TN29 文献标识码: A 文章编号: 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

脉搏信号作为生理信号之一蕴含了丰富的人体健康状况的信息,脉搏信号所呈现出来的幅度、频率和波形等信息历来受到医生的重视。然而由于外部环境的干扰、人体自身状况的改变和测量设备的内部噪声等因素,脉搏信号常常被噪声所淹没。因此脉搏信号的测量应具备高精度、高速度、高可靠性和很强的数据处理能力,能提取出有效的脉搏信号数据。国内外对于脉搏信号主要进行放大与滤波处理,由于滤波器的带宽有限,传统的脉搏测量并不能去除掉混在脉搏频带内的噪声。近些年国内外采用了计算机自动识别法对脉搏信号进行筛选,挑取主要指标,系统成本较高,且操作复杂,应用性不高。本文采用相干检测方法对脉搏信号进行处理,降低噪声、改善信噪比,从而提取出有用的信息,系统结构简单,可操作性强,可靠性高。

1 脉搏信号相干检测基本原理

1.1 脉搏波信号的产生与采集

由心脏和血管组成的循环系统中,心脏进行着周期性的舒缩功能,当心室收缩时,动脉血从左心室流入主动脉,再沿各级动脉分支到达全身各部的毛细血管。当血液与其周围的细胞和组织进行物质交换之后,血液由鲜红色的动脉血变为暗红色的静脉血。再经各级静脉,最后经上、下腔静脉流回右心房。在每个周期中,动脉随着体循环进行,压力也伴随着周期性的变化,这种周期性的压力变化可引起动脉血管发生搏动,称为动脉脉搏。脉搏图如图1所示。

图1 脉搏波形图

在人体健康状况正常的情况下,如图1波形图由上升支和下降支构成一个完整的信号。脉搏信号的幅度在μV至mV的范围内,脉搏信号是接近周期性的微弱信号,且属于低频信号,频率一般在30 Hz以内,由于脉搏信号的幅度小、频率低,在脉搏信号的数据采集时一般容易引进极大的噪声干扰,因而信噪比低,这为脉搏的测量与分析带来了一定的难度。

在手指末端含有较高的动脉成分,且厚度较薄,当动脉搏动时,指端的微血管床会产生血管容积的改变,当受到一定波长的光照射时,血管对光的吸收量将不同,在非血液组织中,光的吸收量是一定的,透过指端的光强随着动脉的搏动将发生变化,利用光敏元件将光强的变化转换为电信号从而测出脉搏信号。

1.2 相干检测基本原理

由于确定信号之间具有较强的相干性,而由于噪声的随机性较强,信号与噪声之间是不相干的,通过这种差异,可以将淹没在噪声下的信号提取出来。

设被测信号为s(t),n(t)为随机噪声,则输入信号x(t)=s(t)+n(t),其中s(t)为:

[s(t)=Vsin(ωt+θ)] (1)

式中:[V]为信号幅值;θ为初始相位;ω为信号角频率。其傅里叶级数表示为:

[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)

设s(t)的傅里叶变换为S(k)则:

[Rs(τ)=F-1[S(k)2]] (6)

信号自相关函数为:

[Rx(τ)=Rs(τ)+Rn(τ)+Rsn(τ)+Rns(τ)] (7)

模拟乘法器的输出为,由于n(t)与s(t)不相关,因此[Rsn(τ)=Rns(τ)=0],则有:

[Rx(τ)=Rs(τ)+Rn(τ)] (8)

当τ很大时,噪声的自相关函数衰减到零。

通过低通滤波滤除掉信号的谐波分量,因此输出为:

[Rx(τ)=V22cos(ωτ)] (9)

2 脉搏信号相干检测的系统设计

图2为脉搏信号相干检测的系统框图,主要由信号采集、信号通道、参考通道以及相干检测4部分组成。

(1) 信号采集。脉搏信号为人体生理信号,因此需要将脉搏信号转换为电信号,本文选取光电式传感器采集脉搏信号。

(2) 信号通道。信号通道主要由放大电路和低通滤波器构成。脉搏信号具有较低的频率,其频率在1~30 Hz范围内。系统易受到工频噪声的干扰,由于脉搏信号的频率小于工频噪声50 Hz,因此本文采用二阶低通滤波器来去除噪声。

图2 脉搏信号相干检测的系统框图

(3) 相干检测。相干检测是微小信号检测的核心部分,对整个测试系统起着决定性的作用。本文的相干检测由乘法器和低通滤波组成。乘法器采用ANALOG DEVICES公司的AD633,它是一款功能完整的四象限模拟乘法器,包括高阻抗差分X和Y输入,高阻抗求和输入Z,单端输出W。在10~10 kHz带宽内,Y输入的非线性典型值小于0.1%,输出端的噪声低于100 μV均方根。AD633具有1 MHz带宽和20 V/μs压 摆 率,并且能驱动容性负载。外围器件较少,应用简单方便。

相干检测对信噪比的改善主要由低通滤波器实现,用低通滤波器实现窄带化过程,低通滤波器在截至频率很低的情况下其频率特性仍能保持稳定,低通滤波器只允许频率在参考信号附近的噪声信号通过,随着滤波器的截至频率越小,系统的通带频率越窄,抑制噪声的能力就越强。

3 传感器的选择

随着科学技术的进步,不同种类,性能各异的传感器也出现在各种脉搏测量仪器中,目前常见的脉搏传感器有:压电式传感器、电阻式传感器、压磁式传感器和光电式传感器等。各种传感器优缺点如下:

(1) 压电式传感器:将动脉出的压力变化的转换为电信号,在测量脉搏方面主要运用PVDF压电薄膜传感器。压电传感器具有较宽的动态范围、高精度和良好的灵敏度,然而电路复杂且成本较高。

(2) 电阻式传感器:通过待测信号的变化引起电阻阻值的改变。电阻式传感器具有较强的过载承受能力,稳定性好,且应用广泛,但分辨率不高,且受环境的影响较大。

(3) 压磁式传感器(磁弹性传感器):传感器将作用力的变化转化为传感器导磁率的变化,导致输出的信号也随之改变,这种传感器具有较强的抗干扰能力,输出功率大,为有源传感器,但电路复杂。

(4) 光电式传感器:利用光电效应将接收到的光信号转换为电信号,光电式传感器应用广泛,技术成熟,抗干扰能力强、灵敏度好、结构简单、操作灵活,但对环境要求较高。

综上所述,本文采用光电式传感器获取脉搏信号,根据朗伯?比尔定律,当入射光为单色光时即光波长一定时,物质的吸光度A与吸光物质的浓度c和吸收物质的厚度[l]成正比:

[A=K?l?c] (10)

式中K为吸收系数。

在手指末端含有较高的动脉成分,且厚度较薄,当动脉搏动时,指端的微血管床会产生血管容积的改变,当受到一定波长的光照射时,血管对光的吸收量将不同,在非血液组织中,光的吸收量是一定的,透过指端的光强随着动脉的搏动将发生变化,利用光敏元件将光强的变化转换为电信号从而测出脉搏信号。光电传感器主要由光敏元件组成,光敏元件的性能直接决定了脉搏信号获取的好坏。光电传感器主要有光电二极管、光电三极管、光敏电阻CdS、光电池及光电耦合器等。光敏电阻体积小、价格低廉、具有较宽的光谱响应范围、输出电流大、灵敏度高且无极性之分,使用方便。但频率特性差,响应时间长。光电池不用外加偏置电压,可靠性高、成本低、受光面积大、有较高的灵敏度结构简单,但抗干扰能力差。光电二极管、光电三极管受光面积小,具有非常好的频率特性且灵敏度高,工作电压低,但受温度影响大。

通过实验的对比与分析,本实验采用光电传感器OPT101,它是集光电二极管和放大器于一个器件内的传感器,由2.7~36 V单电源供电,电压输出随接收到的光强度成线性变化,8引脚封装,解决了光电转换电路受外界干扰过大和输出电流过小的问题,提高光敏元件的稳定性。

由图3 OPT101内部结构原理图及基本光电接受电路可知,OPT101内部集成[1 MΩ]和[3 pF]并联成的反馈电路。由图4入射波长与电路输出幅度的关系图可知,传感器在波长为600~960 nm内电路输出为0.4~0.6[VμW]。为了充分利用传感器的性能,发光二极管的波长应选取输出幅度加大的区域。本实验的光源采用红色发光二极管,波长为700 nm。

4 实验结果与分析

本实验使用安捷伦数字存储示波器54810A来进行系统的测试,图5为光电传感器输出波形,由于工频噪声等的干扰,传感器输出信噪比较低。图6为不同人的脉搏信号通过信号通道的输出波形,信号通过信号通道后,信噪比有了明显的改善,脉搏信号清晰,经过信号通道输出后的脉搏信号周期稳定,曲线光滑,曲线的大波峰和小波峰反应了人体心血管和血流等特征,信号通道对传感器输出信号处理效果比较理想,且不同人采集到的脉搏信号存在明显的差异。

图3 OPT101内部结构原理图

图4 入射光波长与电路输出幅度的关系曲线

图5 光电传感器输出波形

系统输出的信号如图5所示,测试时将示波器调到直流耦合模式。

在对系统进行测试时应注意一下几个事项:

(1) 应保持测试环境没有其他光波进行干扰。

(2) 测试者保持正确的姿势,以防测试数据不准。

(3) 在测试之前不应饮用酒和咖啡因等。

如图7所示,系统有良好和稳定的直流输出。系统性能良好。

为了测试系统的及时性,在相同的环境下,同一被测试者在运动后的系统输出随时间变化的曲线如图8所示,由图可知,随着时间的延长,系统的输出下降,在5 min过后,系统的幅值不再改变,脉搏信号达到稳定。

图6 不同人的脉博信号通道输出波形

图7 系统输出信号

图8 运动后的系统输出曲线

为测量系统的稳定性,相同条件下,同一被测试的对象在每1 min间隔内测得的系统输出电压,测15个点为一组,进行3组实验,结果如图9所示,波动范围为4.5 mV,系统具有良好的稳定性。

5 结 语

本文针对脉搏信号的提取与相干检测设计了相关实验,进行了可行性分析与验证。利用光电传感器对脉搏信号进行采集,由实验可知,采集到的脉搏信号噪声较大,通过对采集到的信号进行放大与滤波,可以去除掉部分噪声,采用相干检测的原理对滤波后的信号进行处理与提取,去除掉混合在信号频带内的噪声,可以获得较好的脉搏信号的参数。系统结构简单,稳定性强,具有较强的操作性和灵活性,可靠性高且系统成本低,能完成日常的基本测量,适用于简便仪器的开发。

图9 系统稳定度测量曲线

参考文献

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