抬高电平的方波调制光电容积脉搏波测量装置和测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种抬高电平的方波调制光电容积脉搏波测量装置和测量方法，微处理器输出不同频率且成2倍比率关系的抬高预设电平的方波，驱动至少4种发光二极管；发光二极管发出的光经被测手指后被光敏器件接收，光敏器件转换成电压信号，电压信号经电流/电压转换放大器转换成预设幅值电压信号；微处理器对数字信号进行处理获取光电容积脉搏波及其谷值和峰值，得到光谱值；在光敏器件采集光电信号的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的方波信号由于抬高了预设电平，在方波信号的低电平部分，方波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在方波信号低电平段，光敏器件获取到光电信号的信噪比，进而提高了输入到计算机中的数字信号的精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电容积脉搏波测量领域，本专利技术涉及一种抬高电平的方波调制光电脉搏容积波测量装置和测量方法。
技术介绍
光电容积脉搏波(PhotoPlethysmoGraphy，以下简称PPG)是一种重要的生理信号，广泛地应用对心血管系统和血液成分进行分析。如对血氧饱和度的测量中就是采用2种或2种以上的LED(发光二极管)测量PPG而实现的。在这些测量中通常采用时分方式采集PPG并消除背景光的干扰。为了提高测量精度，现有技术中的公告号为CN102389313A，公告日为2012年3月28的专利申请利用方波作为激励信号来提高信号测量的质量。由于现有的测量装置无一例外地均采用模数转换器，模数转换器在靠近输入极限(最大或最小幅值)时存在显著的非线性，特别是输入模数转换器的模拟信号电平越低，得到的数字转换结果的不确定度越大。因此，采用纯净方波作为激励信号时，在方波的低电平部分得到的数字信号的信噪比就很低，从而影响了信号的测量精度。
技术实现思路
为了改进现有技术中的不足，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种抬高电平的方波调制光电容积脉搏波测量装置和测量方法，该测量装置和测量方法可以实现高精度测量，且电路结构简单、器件和工艺要求低、调试容易、可靠性高、计算量小等优点，详见下文描述：一种抬高电平的方波调制光电容积脉搏波测量装置，所述光电容积脉搏波测量装置包括：微处理器、至少2种发光二极管、光敏器件、电流/电压转换放大器和模数转换器，所述微处理器输出不同频率且成2倍比率关系的抬高电平的方波，所述抬高电平的方波驱动所述至少2种发光二极管，所述发光二极管发出的光经被测手指后被所述光敏器件接收，所述光敏器件转换成电压信号，所述电压信号经所述电流/电压转换放大器转换成预设幅值电压信号；所述模数转换器将所述预设幅值电压信号转换成数字信号，所述微处理器对所述数字信号进行处理，获取光电容积脉搏波及其谷值和峰值，通过所述谷值和所述峰值得到光谱值；在光敏器件采集光电信号的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的方波信号由于抬高了预设电平，在方波信号的低电平部分，方波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在方波信号低电平段，光敏器件获取到光电信号的信噪比，进而提高了输入到计算机中的数字信号的精度。所述作为驱动的方波信号由于抬高了预设电平，在方波信号的高电平部分，提高了光敏器件获取到光电信号的信噪比。所述预设电平的取值为光敏器件采集的光电信号动态范围一半以上最佳。所述微处理器采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一种。一种抬高电平的方波调制光电容积脉搏波测量装置的测量方法，所述方法包括以下步骤：(1)微处理器采用不同频率且成2倍比率关系的抬高电平的方波驱动至少2种发光二极管；(2)所述发光二极管发出的光经过被测手指后由光敏器件接收转换成电压信号，所述电压信号经过电流/电压转换放大器放大成预设幅值电压信号；(3)所述预设幅值电压信号经模数转换器转换成数字信号送入所述微处理器；(4)所述微处理器对所述数字信号进行分离处理得到光电容积脉搏波并消除背景光的干扰；(5)根据所述光电容积脉搏波获取谷值和峰值；(6)对所述谷值和所述峰值进行计算得到吸光度差值，通过所述吸光度差值获取光谱值。本专利技术提供的一种抬高电平的方波调制光电容积脉搏波测量装置和测量方法，与现有技术相比具有如下的优点：本专利技术依据朗伯-比尔定律，采用方波频分调制和数字解调技术，相较于
技术介绍
中的公告号为CN102389313A，公告日为2012年3月28的专利申请，本专利技术采用抬高预设电平的方波驱动至少2种发光二极管，发光二极管发出的光经被测手指后被光敏器件接收，进而通过电流/电压转换放大器转换成预设幅值电压信号，通过模数转换器将预设幅值电压信号转换成数字信号；微处理器对数字信号进行处理，获取到光谱值。本专利技术显著地提高了在方波信号低电平段的光电信号的信噪比，改善了预设幅值电压信号，从而提高了信号采集的精度，满足了实际应用中的多种需要。附图说明图1为本专利技术提供的计算吸光度的原理示意图；图2为本专利技术提供的一种抬高电平的方波调制光电容积脉搏波测量装置的结构示意图；图3为本专利技术提供的抬高电平的方波的示意图；图4为本专利技术提供的一种抬高电平的方波调制光电容积脉搏波测量方法的流程图；图5为本专利技术提供的一种抬高电平的方波调制光电容积脉搏波测量装置的另一结构示意图。附图中各标号所代表的部件列表如下：1：微处理器；2：发光二极管；3：光敏器件；4：电流/电压转换放大器；5：模数转换器；PX.1：I/O口；PX.2：I/O口；PX.n：I/O口；PX.3：I/O口；PX.4：I/O口；R1：第一电阻；VCC：电源；R2：第二电阻；R3：第三电阻；R4：第四电阻；R5：第五电阻；R6：第六电阻；C1：第一电容；C2：第二电容；D1：第一发光二极管；D2：第二发光二极管；D3：第三发光二极管；D4：第四发光二极管；A1：运算放大器；PY口：I/O口。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例1由于动脉的脉动现象，使血管中血流量呈周期性变化，而血液是高度不透明液体，因此脉搏搏动的变化必然引起吸光度的变化，如图1所示。考虑动脉血管充盈度最低状态，来自光源的入射光没有被脉动动脉血液吸收，此时的出射光强Imax最强，可视为脉动动脉血液的入射光I；而动脉血管充盈度最高状态对应光电脉搏波的谷点，即脉动动脉血液作用最大的时刻，此时的出射光强Imin最弱，为脉动动脉血液的最小出射光强I。所以，通过记录动脉充盈至最大与动脉收缩至最小时的吸光度值，就可以消除皮肤组织、皮下组织等一切具有恒定吸收特点的人体成分对于吸光度的影响。根据修正的朗伯－比尔定律，设I0、I分别为入射光强和出射光强，α为分子消光系数，c为各成分浓度，l为光在组织中的平均光路长，G是由散射引起的光损失，则吸光度A可表示为：A=-lgII0=-2.303αcl+G---(1)]]>设生物组织的吸收系数为μa，则μa＝αc，代入式(1)可得：A＝-2.303μal+G(2)在光透射检测中，吸光度主要由被透射组织的吸收与散射构成，其中血液散射相对较小，可忽略不计。这样，G仅仅由除了脉动动脉血外的组织贡献，在测量过程中保持不变。设除脉动动脉血外的被透射组织共n层，第i层的吸收系数为μti，动脉血的吸收系数为μab，一个光电脉搏波周期上动脉充盈时最大光路长为lmax，动脉收缩时的最小光路长为lmin，则动脉充盈时吸光度A1和动脉收缩时吸光度A2可分别表示为：A1=-2.303Σi=1nμtilmax-2.303μablmax+G---(3)]]>A2=-2.303Σi=1nμtilmin-2.303μablmin+G---(4)]]>设l为lmax与lmin之差。由于除了脉动动脉血液以外的其他组织基本稳定，不进行周期变化，因此该部分在动脉充盈和收缩时对吸光度没有影响，即式(3)和式(4)中的第一个分量相等。则动脉充盈时的吸光度和动脉收缩时的吸光度之差为：ΔA＝A1-A2＝-2.303μab(lmax-lmin)＝-2.30本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抬高电平的方波调制光电容积脉搏波测量装置，其特征在于，所述光电容积脉搏波测量装置包括：微处理器、至少2种发光二极管、光敏器件、电流/电压转换放大器和模数转换器，所述微处理器输出不同频率且成2倍比率关系的抬高电平的方波，所述抬高电平的方波驱动所述至少2种发光二极管，所述发光二极管发出的光经被测手指后被所述光敏器件接收，所述光敏器件转换成电压信号，所述电压信号经所述电流/电压转换放大器转换成预设幅值电压信号；所述模数转换器将所述预设幅值电压信号转换成数字信号，所述微处理器对所述数字信号进行处理，获取光电容积脉搏波及其谷值和峰值，通过所述谷值和所述峰值得到光谱值；在光敏器件采集光电信号的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的方波信号由于抬高了预设电平，在方波信号的低电平部分，方波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在方波信号低电平段，光敏器件获取到光电信号的信噪比，进而提高了输入到计算机中的数字信号的精度。

【技术特征摘要】
1.一种抬高电平的方波调制光电容积脉搏波测量装置，其特征在于，所述光电容积脉搏波测量装置包括：微处理器、至少2种发光二极管、光敏器件、电流/电压转换放大器和模数转换器，所述微处理器输出不同频率且成2倍比率关系的抬高电平的方波，所述抬高电平的方波驱动所述至少2种发光二极管，所述发光二极管发出的光经被测手指后被所述光敏器件接收，所述光敏器件转换成电压信号，所述电压信号经所述电流/电压转换放大器转换成预设幅值电压信号；所述模数转换器将所述预设幅值电压信号转换成数字信号，所述微处理器对所述数字信号进行处理，获取光电容积脉搏波及其谷值和峰值，通过所述谷值和所述峰值得到光谱值；在光敏器件采集光电信号的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的方波信号由于抬高了预设电平，在方波信号的低电平部分，方波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在方波信号低电平段，光敏器件获取到光电信号的信噪比，进而提高了输入到计算机中的数字信号的精度。2.根据权利要求1所述的一种抬高电平的方波调制光电容积脉搏波测量装置，其特征在于，所述作为驱动的方波信号由于抬高了预设电平，在方波信号的高...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刚，刘爱，王绍辉，林凌，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12