光电脉搏传感器的研制与噪声分析：揭秘其在人物健康监测中的关键作用

导语：脉搏检测中，关键技术是传感器的设计与输出微弱信号的问题。我们对脉搏传感器进行了初步探讨，并取得了可喜的实验结果。

引言：

心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，使血流压力以波形从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波称为脉搏波。这些波形所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，对于反映出心血管系统中许多生理病理特征具有重要意义。

传统的脉搏测量采用的是通过触摸来感觉到血液循环变化的手法，但这种方法受人为因素影响较大，测量精度不高。而无创测量（Noninvasive Measurements）又称非侵入式或间接测量，其特点是不侵入机体，不造成创伤，通常在体外，尤其是在体表间接测量生理和生物参数。

生物医学传感器是获取生物信息并将其转换成易于处理信号的一个关键组件。光电式脉搏传感器根据光电容积法制成，它通过监测手指末端透光度来间接检测出 脉搏信号。这类传感器结构简单，无损伤，可重复性好，本文就讨论了基于光电式脈博傳感器設計與實現。

光電式的心臟跳動傳感器原理與結構

2.1 光電式的心臟跳動傳感器原理

按照朗伯-贝尔定律，物质在一定波长处吸收物质与它浓度成正比。当恒定波长的光照射到组织上时，通过组织吸收、反射衰减后，可以得到被照射部位组织结构特征的一定的反映。在指尖，由于含有大量动静分离区内形成的大血管，在不同的组织厚度下透过手指后检测到的光强相对较大，因此通常设置在指尖作为测试区域。

图示：手指組織可以分為皮膚肌肉骨骼等非血液組織及血液組織，其中非血液組織之間之間對於不同顫抖輸送之異常變化僅由於動靜區域內形成的大血管充盈而引起，而其他部分則幾乎無變化，因此可以假設通過手指後之變化主要由於動靜區域內形成的大血管充盈而引起。

從此圖看來，每當一束長期保持相同強度且完全偏振方向平行於測試面的人體皮膚層穿過時，就會有一些通過測試面並抵達檢測儀面的能量，這些能量代表了一個單一時間點上的系統狀態，並且這些能量隨著時間逐漸累積直至達到一個臨界點。此臨界點即為我們想要監控的心臟活動情況。我們將使用這種技術來監控患者的心臟活動，並提供醫療專家關於患者恢復進程的情報。

2.2 光電式的心臟跳動傳感器結構

從發射源發出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回。其餘部分透過胸腔壁進行放大。一種特殊類型稱作「最小二乘法」(Least Squares) 的數學算法，用來計算最佳匹配曲線，以確保準確性。

3. 光電式的心臟跳動傳感器製作

3.1 照明元件

目前市場上可用的各種類型照明元件，如LED燈泡，都適合用作這種應用。但是，我們選擇了一款名為OPT101 的新型照明元件，因為它集成了敏捷晶片模組與放大晶片模組，這樣做既減少了整體大小，也提高了效率。此外，它還包括一個自動調節功能，這允許我們控制每個LED燈泡發生的亮度水平，以便更好地匹配需要獲得的激活門檻值。

3.2 發射源設定

我們選擇使用805nm 波長範圍內的一個固定的發射源，因為該頻段對人體細胞具有較低損傷風險，而且也是一個非常穩定的頻段，這意味著我們可以輕鬆控制每次激活門檻值。

4. 恒流供應控制電路設計

为了确保发射灯发出稳定数量的小球，我们设计了一个恒流供给控制电路。这使得我们能够调整发散角以适应不同的应用场景，同时还确保发散角始终保持稳定，从而减少由于变换条件变化而产生的小球数量不均匀性的问题。

5. 心肺活动信號處理系統

5.1 信號提取

我们的目標是識別並篩選出那些可能代表心肺活動相關訊息的地基waveform模式。在進行此工作之前，我們必須首先清除所有雜訊。我們使用一個複雜算法去完成這項任務，他會尋找任何位於指定範圍內但不是自然產生的徑跡。他將排除掉所有嘗試重複那條徑跡以及嘗試採取那條徑跡位置，但未曾成功地找到那條徑跡的地方。他最後只留下那些唯一存在且沒有重複痕迹的地基waveform模式。

5.2 數據分析

一旦我們已經篩除了所有雜訊，我們現在就要開始研究剩下的地基waveform是否包含任何相關訊息。我們將把數據轉換成本地數據庫，以便進行更深入分析。我們還會建立一些統計模型，以幫助我理解如何解釋我的結果，以及是否有足夠多樣性來支持我的論斷。如果我的結果顯示某些Waveforms更加普遍，那麼我可能需要更多樣化的人群以增強研究質疑力的有效性。如果結果顯示Waveforms分布相對均勻，那麼我就有理由相信我的方法有效果。

6 结论：

本文介绍了一种新的基于图像处理技术的心率监测方法，该方法利用摄像头捕获视频数据，然后使用计算机软件进行实时分析，以确定用户心率。本文还讨论了该技术的一些潜在优势，比如无需物理接触即可实现准确计数，以及能够实时显示用户当前的情况。本文最后总结了未来研究方向，并提出了一些建议用于改进当前技术。