一 前言
從脈搏波中提取人體的生理病理資訊作 為臨床診斷和治療的依據，歷來都受到中外醫 學界的重視。脈搏波所呈現出的形態、強度、 速率和節律等方面的綜合資訊，在很大程度上 反映出人體心血管系統中許多生理病理的血流 特徵，因此對脈搏波採集和處理具有很高的醫 學價值和應用前景。
隨著科學技術的發展，脈搏測試不再局 限於傳統的人工測試法或聽診器測試法。利用 血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點，可通 過感測器對脈搏訊號進行檢測，這種技術具有 先進性、實用性和穩定性，同時也是生物醫學 工程領域的發展方向。

二 光電容積脈搏波描記法原理及應用 簡述

光電容積脈搏波描記法（Photo Plethysmo Graphy，下文簡稱 PPG）是借光電手段在活 體組織中檢測血液容積變化的一種無創檢測方 法。當一定波長的光束照射到指端面板表面時， 光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收 器，在此過程中由於受到檢測端面板肌肉和血 液的吸收衰減作用，檢測器檢測到的光強度將 減弱，其中面板肌肉、組織等對光的吸收在整 個血液迴圈中是保持恆定不變的，而面板內的 血液容積在心臟作用下呈搏動性變化，當心髒收縮時外周血容量最多，光吸收量也最大檢測 到的光強度最小；而在心臟舒張時，正好相反， 檢測到的光強度最大，故光接收器接收到的光 強度隨之呈脈動性變化，將此光強度變化訊號 轉換成電訊號，便可獲得容積脈搏血流的變化。 由此可見，容積脈搏血流中包含有血液流動等 諸多心血管系統的重要生理資訊。同時，容積 脈搏血流主要存在於外周血管中的微動脈、毛 細血管等微血管中，所以容積脈搏血流同樣包 含有豐富的微迴圈生理病理資訊，是我們研究 人體迴圈系統重要的資訊來源。

PPG 訊號中包含有人體迴圈系統、呼吸 系統等許多生理病理資訊。在人體血壓、血流、 血氧、腦氧、肌氧、血糖、脈率、微迴圈、血 管阻力、呼吸率、呼吸量等引數的無創檢測中 都有很好的應用前景。雖然由於紅光、紅外光 與人體組織相互作用的機理十分複雜，影響它的因素也比較多。我們對容積脈搏血流本身的 機理了解和研究得還很不夠。加上對血流標定 工作的困難，因而在臨床上真正應用 PPG 開 發的醫療儀器還十分有限。目前應用得最為廣 泛和成功的是監護儀中的血氧和脈率檢測。

三 光電脈搏訊號檢測電路設計

由 於 血 液 中 氧 合 血 紅 蛋 白（HbO2） 和脫氧血紅蛋白（Hb）在紅光和紅外光區 （600~1000nm）有獨特的吸收光譜，因而使 PPG 成為研究組織中血液成分尤其是血氧狀態 的簡單而有效的方法。許多國家的研究人員對 無創測量動脈血氧飽和度和組織血氧飽和度的 裝置進行了各自的研究。在他們所採用的無論 是透射光法和反射光法中都以朗伯 比爾定律 （The Lam-bert-Beer Law）和光散射理論為基 礎，利用氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸 收係數的差異來進行，在紅光區（600~700nm） HbO2 和 Hb 的吸收差異很大，而在紅外光譜 區（800~1000nm）其吸收差異較小。當血氧 飽和度變化時，也就 HbO2 相對 Hb 的濃度發 生變化時，血氧飽和度應該和光檢測器上的 660nm 和 940nm 兩個波長的相對光強之間存 在較好的線性關係。

血氧飽和度：SpO2=A+BR 其中，A、B 為標定常數

由此原理設計出的無創脈搏血氧儀，是 一種快速測量血氧飽和度的有效方法，成為當 今國際上廣泛採用的監護儀器。廣泛用於手術 室 監護室 急救病房 運動和睡眠等各種臨床應 用中。

人體的生物訊號多屬於強噪聲背景下的 低頻的弱訊號，脈搏波訊號更是低頻微弱的非 電生理訊號，必需經過放大和後級濾波以滿足 採集的要求，脈搏檢測電路設計框如圖 1 所示。

3.1 訊號輸入、感測器選擇

利用指套式光電感測器，指套式光電傳 感器的換能元件用矽光電池，由於心臟的跳動， 引起手指尖的微血管的體積發生相應的變化， 當光通過手指尖射到矽光電池時，產生光電效 應，兩極之間產生電壓由於指尖的微血管內的 血液隨著心臟的跳動發生相應於脈搏的容積變 化，因而使光透過指尖射到矽光電池時也發生 相應的強度變化，而非血液組織（面板、肌肉、 骨格等）的光吸收量是恆定不變的，這樣就把 人體的脈搏（非電學量）轉換為相應於脈博的 電訊號，方便檢測。

3.2 差分放大

這裡選用低噪聲的整合 儀器放大器 INA114 作為放 大器的核心元件。最低 2.3V 的工作電源電壓滿足電源要 求，INA114 的 失 調 電 壓 不 到 0.1mV，因此取其電壓增 益 100， 根 據 INA114 的 增 益計算公式可得 RG=500Ω， INA114 的內部結構圖，如圖 2 所示。

3.3 低通濾波器

利用歸一化的方法設計 低通濾波器。這裡用四階巴 特沃斯低通濾波器，其優點 是在通帶內幅頻特性曲線比 較平坦，而且四階也可以達 到較陡的衰減的特性：其截 止頻率為 20Hz 時，到頻率為 40Hz 時其衰減幅度為 9%。 它的作用是濾除頻率為 20Hz 以上的訊號分量。如圖3所示。

設 截 至 頻 率 為 20Hz， 符合取樣要求同時濾除工頻 干擾，根據歸一化公式，取 R1=R2=R3=R4=100KΩ, 可 算 得 C1=C2=C3= C4=0.25μF。

4 結束語

相信隨著 PPG 基礎研究工作的進一步開 展和人們對這項技術的更深入瞭解，它必將開 拓出更為廣泛的應用領域。PPG 方法所具有的 無創性，且檢測方便、操作簡單、效能穩定、 重複性好、安全無交叉感染等許多優點，使其 不僅可用於醫院中的臨床檢測、監護、急救體 能測試，還可應用於社群和家庭醫療保健，並 具備聯網擴充套件功能，可以組建家庭社群和醫院 的醫療網路，在這些方面將都會有很好的應用前景。