脉搏感应传感器（一文读懂光电式脉搏传感器的原理）

引言人体心室的周期性收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，使血压以波的形式从主动脉根部沿整个动脉系统传播，称为脉搏波。脉搏波的形状、强度、速度和节律的综合信息在很大程度上反映了人体心血管系统中的许多生理和病理血流特征。传统的脉诊采用的是脉诊的方法，而中医脉诊技术是脉诊在中医的一个卓有成效的应用。但人为因素影响较大，测量精度不高。无创测量又称无创测量或间接测量，其特点是测量的被检测部分不会侵入人体，不会对人体造成创伤。通常是在体外间接测量人体的生理生化参数，尤其是在体表[1]。医用生物传感器是获取生物信息并将其转换成易于测量和处理的信号的关键设备。光电脉搏传感器是用光电容积法制作的脉搏传感器，通过监测指端的透过率来间接检测脉搏信号。光电脉搏传感器具有结构简单、无损伤、重复性好等优点。本文论述了光电脉搏传感器的设计与实现。2光电脉冲传感器的原理和结构2.1光电脉冲传感器的原理根据朗伯-比尔定律，物质在某一波长的吸光度与其浓度成正比。当恒定波长的光照射在人体组织上时，人体组织吸收和反射衰减后测得的光强在一定程度上反映了被照射组织的结构特征。脉搏主要是由人体动脉的舒张和收缩引起的。在人的指尖，组织中动脉成分的含量较高，指尖的厚度相对于其他人体组织来说比较薄。通过手指后检测到的光强比较大，所以光电脉搏传感器的测量部分通常在人的指尖。

手指组织可分为皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收是恒定的，而在血液中，静脉血的脉搏相对于动脉血非常微弱，可以忽略不计。因此，可以认为光通过手指的变化只是动脉血液充盈所致。然后在恒定波长的光源照射下，通过检测穿过手指的光强，可以间接测量出人体的脉搏信号。2.2光电脉搏传感器的结构光源发出的光不仅被手指组织吸收，还被血液部分反射。剩下的就传送出去了。光电脉搏传感器按受光方式可分为透射式和反射式[2]，其中透射式发射光源与光敏接收装置等距，对称布置，接收透射光。这种方法能较好地反映心律的时间关系，但不能准确测量血容量的变化；反射发射光源位于与光敏装置相同的一侧，并接收来自血液漫反射的光。这个信号可以精确地测量血管内部容积的变化。本文讨论的是透射式脉搏传感器，重点是脉搏信号的测量。

3光电脉冲传感器的制造3.1光电脉冲传感器由于光敏元件不同，其实现方式也有很多种，其中光敏元件主要有光敏电阻、光电二极管、光电晶体管和硅光电池。传统的光电脉搏传感器设计中，通常采用独立的光敏元件，利用半导体和光电效应来改变输出电流。通常情况下，光敏元件的输出电流极低。易受外界干扰，对后续放大器要求严格。要求放大器空载时输出电流小，以避免放大器空载输出电流对脉搏信号测量的干扰，使普通放大器不能直接应用于

本文采用了一种新型光敏元件opt101[3]，将光敏元件和放大器集成在同一芯片中。这种集成设计有效克服了后端运算放大器空载电流输出对光敏元件输出电流的影响，芯片输出的电压信号可以通过外部精密电阻调节，有利于芯片对整体电路设计的适配，芯片的集成设计也可以降低系统的功耗。