光电脉搏传感器的研制与噪声分析：从设计到实现的探究

导语：在脉搏检测领域，关键技术涉及传感器设计和微弱信号的提取问题。本文初步探讨了脉搏传感器的设计，并取得了令人满意的实验结果。

引言：

心室周期性收缩和舒张导致主动脉波动，从而产生血流波形，这种波形称为脉搏波。脉搏波所展现出的形态、强度、速率和节律等信息，对于反映心血管系统中生理病理特征具有重要意义。传统的心率监测采用的是手诊法，而中医中的脉象诊断技术在这方面表现卓越，但其精度受人为因素影响较大。无创测量（Noninvasive Measurement）又称非侵入式或间接测量，其特点是没有对机体造成伤害，同时能够获取生理和生物参数。

生物医学传感器是获取生物信息并将其转换成易于测量信号的一种关键设备。光电式脉搏传感器通过监测指尖末端透明度来间接检测出血液循环信号。这类传感器结构简单，无损伤且重复性好，本文重点讨论基于光电式传感器的设计与具体实现。

光电式脉搏传感器原理与结构

2.1 原理解析：

根据朗伯比尔定律，物质对某一特定波长光吸收能力与其浓度成正比。当恒定波长光照射组织时，通过组织后的光强变化可以反映被照射部位组织结构特征。在指尖，由于动静血液含量高薄，这使得透过手指后检测到的光强相对较大，因此通常选择指尖作为测量部位。

2.2 结构介绍：

从发射源发出至被手指组织吸收的一部分除外，一部分由血液漫反射返回；剩余部分透射出来。根据这一原则，可分为透射式和反射式两种，其中透射式发放源距离光敏接收片相同，并布置对称，以便更好地捕捉心跳时间关系，但无法精确衡量容积变化；反射型则位于同侧，可以准确衡量容积变化。本文侧重讨论的是利用透射形式进行心跳信号采集。

光电式脉搏传感器制作

3.1 光敏元件选用：

不同类型的手持装置可采用多种方法制造，其中主要依赖于半导体材料执行物理效应改变输出流量。此外，还有独立元件利用半导体效应改变输出流量，然而这些独立元件输出流量极低且容易受到环境干扰，加上后续放大需求严格，不适合普通放大芯片应用。在本文中，我们使用了一款新的集成型组件OPT101，它结合了感觉部件和放大功能，使得后端运算不再需要单独设置运算放大芯片。此外，该组件输出的是直流或交流混合信号，其中包含了心跳信息，为进一步处理提供基础数据支持。

3.2 发送源选择：

为了充分利用设备性能，发送源必须落在该组件灵敏范围内图4展示了一些示例曲线以供参考。在考虑到HbO₂ 和 Hb 对不同频率振荡对于不同的吸收系数差异以及二者交点多个的情况下，我们选取805 nm 波长作为最佳选择，因为这个频段对于HbO₂ 和 Hb 的吸收系数差异最大，从而最能突出显示心跳变换情况。

3.3 恒流控制电路构建：

为了减少供给稳定的干扰影响，在整个测试过程中我们使用恒流控制装置[4] 来维持发送源稳定的供应使得发送出的灯泡亮度保持不变。

4 实验操作及其噪声分析

在实际操作过程中，由于环境条件可能会造成误差，所以要进行详细测试以排除其他因素影响我们的研究结果。但即便如此也存在一些潜在的问题，如运动噪声、电子干扰等。而为了解决这些问题，我们必须进行更多实验，以确定哪些因素是真正导致误差，而不是仅仅只是偶然事件发生。这是一个持续不断的进程，每次都要重新检查我们的假设，以及如何改进它，以获得更加准确的心率数据。