專利名稱：一種光電檢測(cè)頻譜分析高分辨率指端脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)物理領(lǐng)域，涉及一種檢測(cè)和分析生理參數(shù)的儀器。
檢測(cè)脈搏波直接或間接的方法主要有以下幾種1.接觸式壓力測(cè)量法中醫(yī)診脈本質(zhì)上就屬于這種方法。模擬診脈設(shè)計(jì)的脈搏波檢測(cè)儀雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是抗干擾能力很差。由于使用壓力傳感器作為探頭，在測(cè)量過(guò)程中容易受到肢體運(yùn)動(dòng)的影響，并且探頭施加的壓力會(huì)改變脈搏波的形態(tài)，使測(cè)量的精度和分辨率大大降低。
2.電橋測(cè)量法脈搏波傳播過(guò)程中人體電阻將產(chǎn)生變化。將人體電阻作為電橋的一個(gè)橋臂，通過(guò)測(cè)量電橋橋路之間的非平衡電壓檢測(cè)脈搏波。這種測(cè)量方法受空間電磁場(chǎng)和接觸電阻的影響很大，只能依靠良好的屏蔽條件提高精度。實(shí)際測(cè)量中得到的信號(hào)往往是脈搏波信號(hào)和人體其他生物電信號(hào)(如心電)的疊加。
3.激光或超聲多普勒測(cè)量法利用多普勒效應(yīng)分別感知血細(xì)胞和血管壁的運(yùn)動(dòng)速度，間接測(cè)量脈搏波，是一種效果比較好的測(cè)量方法；但是需要昂貴、龐大的儀器裝置，一般單位和個(gè)人很難接受。
4.光電測(cè)量法根據(jù)朗伯-比爾(Lambert-Beer)法則，通過(guò)透過(guò)指端的光強(qiáng)變化反映血管橫截面積的變化，間接測(cè)量脈搏波。這種方法物理圖像清晰，設(shè)備簡(jiǎn)單，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，便于測(cè)量及推廣至一般家庭使用。
發(fā)明目的綜上可見(jiàn)，目前的脈搏波檢測(cè)儀往往存在抗干擾能力差、分辨率低、數(shù)據(jù)重復(fù)性差的缺點(diǎn)，因此大多側(cè)重脈律的測(cè)量，或是只有測(cè)量血氧飽和度單項(xiàng)功能，從而大大限制了這種優(yōu)秀的醫(yī)學(xué)測(cè)量方法的應(yīng)用。
本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用光電檢測(cè)和頻譜分析方法。采用特殊設(shè)計(jì)的探頭，使用光電二極管檢測(cè)信號(hào)。通過(guò)基于聲卡的數(shù)據(jù)采集和放大系統(tǒng)，配合自行開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集分析軟件。采用頻譜分析的方法對(duì)脈搏波進(jìn)行高分辨率檢測(cè)和處理。在提取指端脈搏波的同時(shí)還可以測(cè)量血氧飽和度這一重要的生理參數(shù)。發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)包括探頭、檢測(cè)主機(jī)、電腦(筆記本或臺(tái)式計(jì)算機(jī))。計(jì)算機(jī)內(nèi)置聲卡一塊，同時(shí)包括對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的專用軟件。
1.探頭采用透射式光電檢測(cè)方法，用兩種發(fā)光二極管作為光源，光電二極管做探測(cè)器，測(cè)量時(shí)將手指放在光源和探測(cè)器中間。探頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2，主要由光源、探測(cè)器、底座與調(diào)節(jié)軸、外罩這四部分組成。主體采用鋁材料，底座采用銅材料，各部分之間的連接都由標(biāo)準(zhǔn)螺絲、螺母完成。探測(cè)器采用中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)01123428.8所涉及的PIN光電二極管。探頭的光源、探測(cè)器分布參見(jiàn)圖3，其中圖3(a)為光源部分，由紅光和紅外光兩種發(fā)光二極管(LED)各兩只組成，圖3(b)是由光電二極管(PD)及其保護(hù)罩組成的探測(cè)器部分。
下面對(duì)各部分的結(jié)構(gòu)及作用分別說(shuō)明如下A.光源部分[1]作用是固定所需光源。其主要結(jié)構(gòu)是一個(gè)凹槽[15]，用以固定相應(yīng)尺寸的線路板[17]，并在凹槽底部設(shè)計(jì)留有電線接孔，以引入焊接連線。在線路板上可按實(shí)際需要，添加各種不同功率、不同波長(zhǎng)、不同排列方式的發(fā)光二極管，構(gòu)成所需光源；線路板和凹槽之間由標(biāo)準(zhǔn)螺絲[9]固定。
B.探測(cè)器部分[2]作用是固定所需探測(cè)器。主要結(jié)構(gòu)也是通過(guò)凹槽[16]嵌入相應(yīng)尺寸的線路板[14]，同時(shí)在線路板上焊接探測(cè)器[2]而形成。與光源部分有一點(diǎn)不同，考慮到延長(zhǎng)探測(cè)器的壽命，避免測(cè)量時(shí)人手指與探測(cè)器表面反復(fù)摩擦，同時(shí)為了減小噪聲和由于人體肢體運(yùn)動(dòng)造成的影響，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)探測(cè)器保護(hù)罩[13]兼作光闌。保護(hù)罩、線路板與凹槽之間的固定也由標(biāo)準(zhǔn)螺絲[9]固定。光源和探測(cè)器的分布參見(jiàn)圖3，圖3(a)為光源部分，由紅光和紅外光兩種發(fā)光二極管(LED)各兩只組成；圖3(b)是探測(cè)器部分，由光電二極管(PD)及其保護(hù)罩兼作光闌(DIA)組成。保護(hù)罩在光電二極管上方。
C.底座與調(diào)節(jié)軸部分是整個(gè)探頭裝置的骨架，也是連接各部分的核心，同時(shí)對(duì)整個(gè)裝置起到了固定作用。[4]是底座的支撐足，其質(zhì)量相對(duì)較大，這是為了使整個(gè)探頭穩(wěn)定，同時(shí)滿足了此種微測(cè)量要求相對(duì)靜止的特殊要求。與底座相連的調(diào)節(jié)軸[5]由銅材料制成，設(shè)計(jì)成螺紋結(jié)構(gòu)[12]。同時(shí)與之相配的還有高度調(diào)節(jié)螺母[6]、固定螺母[7]及彈簧[8]，以完成對(duì)測(cè)量主體與基準(zhǔn)平面相對(duì)位置的調(diào)整。
D.外罩部分[3]這部分不僅對(duì)探頭的核心部分進(jìn)行了保護(hù)，同時(shí)還屏蔽了影響測(cè)試結(jié)果的外界雜散光，并使探頭整體更加簡(jiǎn)單美觀。各部分的組裝如圖所示A.首先將實(shí)驗(yàn)所需的光源[1]及探測(cè)器[2]焊接到與設(shè)計(jì)尺寸大小相匹配的光源線路板[17]和探測(cè)器線路板[14]上；B.利用圖示標(biāo)準(zhǔn)螺絲[9]將光源線路板[17]固定在光源部分的凹槽[15]之中；C.利用圖示標(biāo)準(zhǔn)螺絲[9]將保護(hù)罩[13]固定在探測(cè)器線路板[14]上；D.利用圖示標(biāo)準(zhǔn)螺絲[9]將探測(cè)器線路板[14]固定在探測(cè)器部分的凹槽[16]之中；E.對(duì)線路板引線進(jìn)行整理，以使其不影響下一步組裝；F.將光源部分與探測(cè)器部分進(jìn)行對(duì)接光源部分[15]在上，探測(cè)器部分[16]在下，二者凹槽相對(duì)，對(duì)接時(shí)應(yīng)使兩部分按照設(shè)計(jì)好的槽口進(jìn)行咬合，以使二者接合后達(dá)到避光固定的目的；G.將圖中標(biāo)示的調(diào)節(jié)探頭垂直高度的螺絲[6]擰在底座的調(diào)節(jié)軸[5]上；H.按照光源與探測(cè)器組裝好的順序，光源在上、探測(cè)器在下，將留出的孔心套過(guò)底座的調(diào)節(jié)軸；I.將彈簧[8]套過(guò)底座的調(diào)節(jié)軸[5]；J.將固定螺母[7]擰在底座調(diào)節(jié)軸的頂端；K.將防脫螺絲[10]擰在光源與探測(cè)器聯(lián)合體側(cè)面滑槽處，以使二者不至于分開(kāi)；注意勿擰過(guò)緊，應(yīng)留有一定調(diào)節(jié)空間；L.將外罩[3]套在前面完成的探頭上，并如圖所示，用固定螺絲[11]將其固定在探頭上。
2.檢測(cè)主機(jī)電路包括系統(tǒng)放大電路和數(shù)據(jù)采集電路兩部分。其中數(shù)據(jù)采集電路采用基于計(jì)算機(jī)聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；系統(tǒng)放大電路由低通濾波器、2000倍比例放大電路、微分電路電路、數(shù)據(jù)采集電路等組成。檢測(cè)系統(tǒng)的電路框圖參見(jiàn)圖4，P是探頭電路，L.P是低通濾波器，M.A是主放大器，A.A是輔助放大器，D.A是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，W是示波器，C是計(jì)算機(jī)，D是微分控制電路。
(1)低通濾波器采用二階有源壓控低通濾波器，核心元件是一塊OP07集成運(yùn)算放大器，截至頻率10赫茲，Q值為20～30。
(2)主放大器核心是2000倍比例運(yùn)算放大器，由兩塊OP07集成電路組成，配合一些周邊電路，完成對(duì)信號(hào)的主放工作。由于放大倍數(shù)很大，容易形成自激振蕩，可加負(fù)反饋旁路電容消振震。
(3)輔助放大器是為了適應(yīng)不同測(cè)量部位而增加的、放大倍數(shù)可調(diào)的比例運(yùn)算放大器。在一般測(cè)量時(shí)可將放大倍數(shù)調(diào)為1；在對(duì)弱信號(hào)部位進(jìn)行測(cè)量時(shí)，則可以將放大倍數(shù)加大。
(4)微分控制電路在以往的脈搏波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，由于人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偽差是一個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有解決的問(wèn)題，一般都是采用先采集后處理的方法。由于運(yùn)動(dòng)偽差信號(hào)有時(shí)會(huì)比原始信號(hào)大許多倍，以至于超出采集范圍，使得采集系統(tǒng)不能正常工作。因此我們采用微分控制電路，先用微分電路將偽差信號(hào)突出出來(lái)，再經(jīng)過(guò)低通濾波濾去。
(5)數(shù)據(jù)采集電路采用中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)03100490.3所涉及的基于計(jì)算機(jī)聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其基本原理是將聲卡不可能直接采集的頻率很低的信號(hào)經(jīng)過(guò)斬波、雙邊帶生成和波形復(fù)合等處理，變成完全的交流信號(hào)，用聲卡采集這樣的信號(hào)是很方便的。
3.軟件部分集成有數(shù)據(jù)采集、分析、保存、打印等功能模塊，利用頻譜分析的手段對(duì)脈搏波進(jìn)行處理，可以測(cè)量心律、K值和血氧飽和度。有益效果本發(fā)明可供醫(yī)學(xué)物理研究部門(mén)開(kāi)展有關(guān)人體脈搏波的科學(xué)研究，可用于臨床檢測(cè)，也可以用于家庭保健監(jiān)測(cè)等。該檢測(cè)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)1.分辨率高，可以清晰地反映出脈搏波的細(xì)微差異；2.采用光電檢測(cè)法，對(duì)人體無(wú)損害，簡(jiǎn)單易行；3.檢測(cè)靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)重復(fù)性好；4.采用基于計(jì)算機(jī)聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，價(jià)格便宜，有利于降低成本；5.檢測(cè)功能強(qiáng)，一機(jī)多用；6.儀器體積小，可與筆記本電腦連機(jī)，便于攜帶到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。


圖1脈搏波K值含義示意2探頭機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖3探頭光源、探測(cè)器分布示意4檢測(cè)主機(jī)電路框5整機(jī)實(shí)物6軟件界面7實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖——年輕學(xué)生，男，20歲左右，身體健康。
圖8實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖——年輕學(xué)生，女，20歲左右，患過(guò)心肌炎。
圖9實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖——中年男性，35歲左右，身體健康。
圖10實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖——老年男性，70歲左右。
圖11實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖——圖9的同一受試者，間隔一個(gè)月再次測(cè)量
(4)電路制作時(shí)用普通的雙面印刷線路板就可以實(shí)現(xiàn)。集成電路可以采用OP07，電阻采用1/16w的碳質(zhì)電阻，個(gè)別采用溫度系數(shù)小的金屬膜電阻。電容采用一般的小型瓷質(zhì)電容即可。傳輸線采用4芯屏蔽電纜。電源采用±12V供電，無(wú)特殊要求。
(5)儀器調(diào)試時(shí)，將信號(hào)輸入端短路，將微分控制電路關(guān)上，輔助放大電路的放大倍數(shù)調(diào)為1，用信號(hào)源產(chǎn)生6赫茲、10mv的正弦交流信號(hào)，從末級(jí)開(kāi)始調(diào)試，使輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，并且看不到明顯的自激震蕩為止。然后改成同參數(shù)三角波，從前端輸入，如果輸出也基本是正弦波的話，說(shuō)明儀器調(diào)試成功。
使用該檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，受試者應(yīng)該盡量保持身體不動(dòng)，心情平靜，呼吸均勻。調(diào)節(jié)探頭上的升降螺栓，使受試者感覺(jué)最為舒適。應(yīng)調(diào)節(jié)檢測(cè)主機(jī)的放大倍數(shù)和電平，以適應(yīng)特定的采集系統(tǒng)的要求。采集時(shí)間取20～30秒為宜。
實(shí)際測(cè)量可按以下步驟進(jìn)行(1)先打開(kāi)檢測(cè)主機(jī)的電源開(kāi)關(guān)，并將放大器的放大倍數(shù)置為最低。
(2)再打開(kāi)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行專用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。
(3)將食指放入探頭內(nèi)，逐漸調(diào)節(jié)放大倍數(shù)和波形平移旋鈕，使輸出信號(hào)在采集系統(tǒng)的采集范圍內(nèi)盡可能的被放大，這樣得到的信號(hào)，其分辨本領(lǐng)最高。然后放松，調(diào)節(jié)手指的位置和光源的高度，到感覺(jué)不到壓迫為止。儀器設(shè)有外接示波器監(jiān)視端口，可外接示波器以監(jiān)視波形變化。
(4)設(shè)定好采集時(shí)間和采樣率，開(kāi)始采集(一般取10秒至20秒為宜)。如果在采集過(guò)程中，手指有大幅度運(yùn)動(dòng)，應(yīng)重復(fù)采集。
(5)采集結(jié)束后，程序自動(dòng)計(jì)算出K值，心律和波形的FFT變換。
(6)保存數(shù)據(jù)，供日后分析處理。幾例測(cè)量報(bào)告參見(jiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖(1)圖7為一年輕學(xué)生，男，20歲左右，身體健康，K＝0.32，心律＝94.5；(2)圖8為一年輕學(xué)生，女，20歲左右，患過(guò)心肌炎，K＝0.55，心律＝56.0；(3)圖9為一中年男性，35歲左右，身體健康，K＝0.43，心律＝92.5；(4)圖10為老年男性，70歲左右，K＝0.53，心律＝78；(5)圖11與圖9為同一受試者，兩次測(cè)量間隔一個(gè)月，目的在于進(jìn)行重復(fù)性檢驗(yàn)。
從測(cè)量結(jié)果可以看出，脈搏波的許多細(xì)節(jié)成分明顯體現(xiàn)出來(lái)，并且重復(fù)性很好。
權(quán)利要求
1.一種指端脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)，包括探頭、檢測(cè)主機(jī)、電腦和軟件部分，探頭采用透射式光電檢測(cè)方法檢測(cè)指端脈搏波的變化，其特征在于探頭內(nèi)部用兩種不同波長(zhǎng)的發(fā)光二極管作為光源，使用光電二極管做探測(cè)器，測(cè)量時(shí)將手指放在光源和探測(cè)器中間；檢測(cè)主機(jī)電路包括系統(tǒng)放大電路和數(shù)據(jù)采集電路兩部分；通過(guò)電腦控制信號(hào)的采集，使用專用軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用頻譜分析的手段對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光電檢測(cè)頻譜分析的指端脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于探頭主要由光源、探測(cè)器、底座與調(diào)節(jié)軸、外罩四部分組成；光源部分通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)螺絲在凹槽上固定線路板，在線路板上焊接發(fā)光二極管；探測(cè)器包括光電二極管及其保護(hù)罩；探頭的外罩部分屏蔽了外界雜散光；底座對(duì)整個(gè)裝置起固定的作用，與底座相連的調(diào)節(jié)軸為螺紋結(jié)構(gòu)，對(duì)測(cè)量主體與基準(zhǔn)平面相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)整；連接時(shí)光源部分在上，探測(cè)器部分在下，二者凹槽相對(duì)，對(duì)接時(shí)兩部分的槽口進(jìn)行咬合以便避光，外罩套在前面完成的探頭上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光電檢測(cè)頻譜分析的指端脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于探測(cè)器采用中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)01123428.8所涉及的PIN光電二極管；探測(cè)器設(shè)有保護(hù)罩兼作光闌，光闌孔徑1厘米；保護(hù)罩用金屬材料制成，兩側(cè)用螺釘固定，起到保護(hù)及屏蔽干擾的作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光電檢測(cè)頻譜分析的指端脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于檢測(cè)主機(jī)電路的信號(hào)放大電路由低通濾波器、2000倍比例放大電路、微分電路等組成；其中低通濾波器的核心元件是一塊OP07集成運(yùn)算放大器；2000倍比例運(yùn)算放大器由兩塊OP07集成電路組成；微分控制電路由OP07構(gòu)成有源微分器，通過(guò)將信號(hào)微分，突出運(yùn)動(dòng)偽差信號(hào)，再經(jīng)過(guò)低通濾波濾去偽差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光電檢測(cè)頻譜分析的指端脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于檢測(cè)主機(jī)電路的數(shù)據(jù)采集電路部分采用中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)03100490.3所涉及的基于計(jì)算機(jī)聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；通過(guò)斬波、雙邊帶生成和波形復(fù)合等處理，將通常聲卡不能直接采集的頻率很低的信號(hào)變成聲卡可以采集的純交流信號(hào)；其核心元件是兩片CD4067和4片OP07組成的電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光電檢測(cè)頻譜分析的指端脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于軟件部分利用頻譜分析的手段對(duì)脈搏波進(jìn)行處理，測(cè)量心律，脈搏波K值和血氧飽和度值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種指端脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)。探頭內(nèi)部用兩種發(fā)光二極管作為光源，使用光電二極管做探測(cè)器。測(cè)量時(shí)將手指放在光源和探測(cè)器中間。檢測(cè)主機(jī)電路包括系統(tǒng)放大電路和數(shù)據(jù)采集電路兩部分。通過(guò)電腦控制信號(hào)采集，并使用專用軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用頻譜分析的手段對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行處理。該檢測(cè)系統(tǒng)采用光電檢測(cè)頻譜分析方法，可以達(dá)到很高的分辨率。
文檔編號(hào)A61B5/02GK1442111SQ0311964
公開(kāi)日2003年9月17日 申請(qǐng)日期2003年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月19日
發(fā)明者張潔天, 呂瑩, 張?zhí)? 張錄, 葛鑒橋, 宮明, 鄭紋 申請(qǐng)人:北京大學(xué)