一种基于绿光的可穿戴式光电容积脉搏波测量系统

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1、一种基于绿光的可穿戴式光电容积脉搏波测量系统　　摘要：脉搏波中蕴含丰富的血流动力学信息。利用无创的方法检测脉搏波并推导出人体心血管系统生理、病理特征成为研究的热点。设计一套可穿戴式的脉搏波提取设备，该设备包括MCU控制模块、信号采集模块、蓝牙模块、电源模块。分析光电容积法获取脉搏波的原理，采用523nm绿光和环境光学传感器作为设备核心，详解描述了硬件开发模型，给出了信号处理部分的关键代码。实验结果表明，所设计的脉搏波提取设备在手腕、手指和额头等部位，能够很好地描绘脉搏波，具有很强的应用性。　　关键词：脉搏波提取；无创检测方法；光电容积脉搏波；信号处理　　中图分类号：TN98?34；T

2、P391.4；R331文献标识码：A文章编号：1004?373X（2016）20?0125?04　　Abstract：Thepulsewavecontainsrichhemodynamicinformation.Thenon?invasivemethodusedtodetectthepulsewaveanddeducethephysiologicalandpathologicalfeaturesofhumancardiovascularsystembecomestheresearchhotspot.Asetofwearablepulsewaveextractiondevicewasd

3、esigned，whichincludesMCUcontrolmodule，signalacquisitionmodule，powersupplymodule，andBluetoothmodule.Theprincipleofphotoplethysmography（PPG）toacquirethepulsewaveisanalyzed.Theluminousdiodeat523nm7andenvironmentalopticalsensoraretakenasthecoreofthedevice.Thehardwaredevelopmentmodelisdescribedindet

4、ail，andthekeycodesofsignalprocessingaregiven.Theexperimentresultsindicatethatthedesignedpulsewaveextractiondevicecandescribethepulsewaveofwrists，fingersandforehead，andhasgoodapplicability.　　Keywords：pulsewaveextraction；non?invasivedetectionmethod；photoplethysmography；signalprocessing　　0引言　　心血管疾

5、病（CardioVascularDiseases，CVDs）作为最能威胁人类健康的一种疾病，其病因涉及人体内运输血液的组织和包括心脏、动脉血管、静脉血管在内的循环系统[1]。人体脉搏包含丰富的与心血管有关的生理病理信息，其波形幅值、周期、形状都可作为判断人体心血管系统健康与否的重要依据。目前，随着可穿戴便携式设备的发展，人们越来越不满足在限定时间、地点并且限制生理活动的条件下获得自身健康信息，而更倾向于自由、灵活、连续和实时地监测自身健康状态[2?4]。光学检测方法具有实施便捷、成本低廉等优势，成为可穿戴便携式测量的主流研究手段。　　当前，光电容积脉搏波（PhotoPlethysmo

6、Graphy，7PPG）的检测方法主要分为反射式和透射式。大量研究实验表明，相比于反射式测量方案，透射式测量对测量位置要求较高且长时间测量会给人带来不适，不利于可穿戴设备的发展，因此反射式测量法成为获取脉搏波并对其进行分析处理的技术热点[5?7]。基于红外光谱和红光作为光源测量获取PPG的设计方案很多，但是也存在一些问题。近期，有研究分析了绿光作为光源测量PPG的特性，发现与红外光和红光相比较，绿光受皮下组织的干扰更小，获取的PPG波形更加完整[8]。　　1光电容积脉搏波　　基于红外光谱测量的理论依据是朗伯?比尔定律（Lambert?BeerLaw），测量的方法是光电容积脉搏波。当特

7、定波长的光束照射到人体皮肤表面时，利用光电接收器接收其透射光或反射光，在此过程中，人体皮下组织的血红蛋白等吸光物质在整个血液循环中吸光系数E和血液浓度C保持不变，透射光或反射光光程L随心脏作用呈周期性变化，心脏舒张期外周血液容积量最小，光程最小，光吸收量也最小，检测到的光强最小，而心脏收缩期则刚好相反，检测到的光强最大[9]。因此，根据朗伯?比尔定律，检测光强I与入射光强I0的关系为：　　由式（2）可知，在吸光系数E、血液浓度C不变和稳定光源I的条件下，透