抬高电平的三角波调制光电容积脉搏波测量装置和方法与流程

本发明涉及光电容积脉搏波测量领域，尤其涉及一种抬高电平的三角波调制光电容积脉搏波测量装置和方法。

背景技术：

光电容积脉搏波(Photo Plethysmo Graphy，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。

发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术中至少存在以下缺点和不足：

现有的采用正弦波或方波激励多波长PPG的测量方法存在电路结构复杂、器件和工艺要求高、调试困难、可靠性低、计算量大以及结果不够准确等缺点。

为了提高信号的采集质量，现有技术中的公告号为CN 104783768 A，公告日为2015年7月22的专利申请利用三角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，采用纯净三角波作为激励信号时，在三角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。

技术实现要素：

为了改进现有技术中的不足，本发明提供了一种抬高电平的三角波调制光电容积脉搏波测量装置和方法，本发明实现了高精度测量，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：

一种抬高电平的三角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4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倍比率关系的抬高预设电平的三角波，所述抬高预设电平的三角波驱动至少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，但作为驱动的三角波信号由于抬高了预设电平，在三角波信号的低电平部分，三角波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在三角波信号低电平段，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。

其中，所述作为驱动的三角波信号由于抬高了预设电平，在三角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。

其中，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。

其中，所述微处理器采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一种。

一种抬高电平的三角波调制光电容积脉搏波测量装置的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)微处理器采用不同频率且成2倍比率关系的抬高预设电平的三角波驱动至少4种发光二极管；

(2)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锁相计算、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。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明依据朗伯-比尔定律，采用三角波频分调制和数字解调技术，相较于背景技术中的公告号为CN 104783768A，公告日为2015年7月22的专利申请，本发明采用抬高预设电平的三角波驱动至少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。本发明显著地提高了在三角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为本发明提供的一种抬高电平的三角波调制光电容积脉搏波测量装置的结构示意图；

图2为本发明提供的抬高预设电平的三角波激励信号示意图；

图3为本发明提供的一种抬高电平的三角波调制光电容积脉搏波测量装置的另一结构示意图；

图4为本发明提供的一种抬高电平的三角波调制光电容积脉搏波测量方法的流程图；

图5为本发明提供的抬高电平的三角波对图像测量精度的影响示意图。

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

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种抬高电平的三角波调制光电容积脉搏波测量装置，参见图1和图2，该抬高电平的三角波调制光电容积脉搏波测量装置包括：微处理器1、至少4种发光二极管2、光敏器件3、电流/电压转换放大器4和模数转换器5，

微处理器1输出不同频率且成2倍比率关系的抬高预设电平的三角波，抬高预设电平的三角波驱动至少4种发光二极管2，发光二极管2发出的光经被测手指后被光敏器件3接收，光敏器件3转换成电压信号，电压信号经电流/电压转换放大器4转换成预设幅值电压信号。

本发明实施例抬高预设电平后，在光敏器件3采集光电信号的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的三角波信号由于抬高了预设电平，在三角波信号的低电平部分，三角波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在三角波信号低电平段的光电信号的信噪比；相较于背景技术中的公告号为CN104783768A，公告日为2015年7月22以纯净三角波作为激励信号的专利申请，本发明实施例显著地提高了在三角波信号低电平段的光电信号的信噪比，进而改善了光敏器件3获取到光电信号的质量。

另外，由于抬高预设电平，噪声水平没有变化，在三角波信号的高电平部分，三角波信号相较于噪声也有一定的改善，提高了在三角波信号高电平段的光电信号的信噪比。

进而，由于光敏器件3获取到的光电信号的信噪比整体增强，进而提高了输入到微处理器1中的数字信号的精度，微处理器1对数字信号进行处理可以得到光谱值。

其中，预设电平的取值优选光敏器件3采集的光电信号动态范围一半以上时，当大于等于1/2动态范围时，通过光敏器件3采集到的光电信号质量最高。

模数转换器5将预设幅值电压信号转换成数字信号，微处理器1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，通过谷值和峰值得到光谱值。

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。

考虑动脉血管充盈度最低状态，来自光源的入射光没有被动脉血液吸收，此时的出射光强I_max最强，可视为动脉血液的入射光I；而动脉血管充盈度最高状态对应光电脉搏波的谷点，即动脉血液作用最大的时刻，此时的出射光强I_min最弱，为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。

设入射光强为I₀，动脉充盈时检测光强和动脉收缩时检测光强分别为I_min和I_max，则动脉充盈时的吸光度和动脉收缩时的吸光度差值为：

测量各个光电容积脉搏波的谷值I_min和峰值I_max即可得到光电容积脉搏波所对应的吸光度差值ΔA，可以得到由ΔA_λ1、ΔA_λ2……ΔA_λn组成的光谱值。

其中，发光二极管2的数量大于等于4。具体实现时，发光二极管2的数量根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。

其中，预设幅值根据实际应用中的需要进行设定，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，微处理器1可以采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一种。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在三角波低电平段的光电信号的信噪比，且也提高了在三角波信号高电平段的光电信号的信噪比，进而提高了整个电平段的光电信号信噪比，提高了输入到微处理器中的数字信号的精度，微处理器对数字信号进行处理可以得到光谱值。

实施例2

一种抬高电平的三角波调制光电容积脉搏波测量装置，参见图3，该测量装置采用了4种发光二极管2，微处理器1的四个I/O口PX.1、PX.2、PX.3和PX.4分别通过第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4驱动第一发光二极管D1、第二发光二极管D2、第三发光二极管D3和第四发光二极管D4，第一发光二极管D1、第二发光二极管D2、第三发光二极管D3和第四发光二极管D4发出的光透光被测手指被光敏传感器3所接收，光敏传感器3所接收的信号经过由运算放大器A1、第一电容C1、第二电容C2和第五电阻R5、第六电阻R6所组成的电流/电压转换放大器4转换成预设幅值电压信号，然后模数转换器5以最高驱动发光二极管2频率的4M倍速度将预设幅值电压信号转换成数字信号通过PY口送入到微处理器1。数字信号在微处理器1先计算、分离出不同波长光电容积脉搏波：得到各个波长的光电容积脉搏波，据此计算出波长λ1、λ2、λ3和λ4的光电容积脉搏波的谷值和峰值：I_minλ1、I_maxλ1、I_minλ2、I_maxλ2、I_minλ3、I_maxλ3、I_minλ4和I_maxλ4。再由I_minλ1、I_maxλ1、I_minλ2、I_maxλ2、I_minλ3、I_maxλ3、I_minλ4和I_maxλ4计算各个波长所对应的吸光度差值ΔA，可以得到由吸光度差值ΔA_λ1、ΔA_λ2……ΔA_λn组成的光谱值。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在三角波低电平段的光电信号的信噪比，且也提高了在三角波信号高电平段的光电信号的信噪比，进而提高了整个电平段的光电信号信噪比，提高了输入到微处理器中的数字信号的精度，微处理器对数字信号进行处理可以得到光谱值。

实施例3

一种抬高电平的三角波调制光电容积脉搏波测量方法，参见图4，该方法包括以下步骤：

101：微处理器1采用不同频率且成2倍比率关系的抬高预设电平的三角波驱动至少4种发光二极管2；

102：发光二极管2发出的光经过被测手指后由光敏器件3接收转换成电压信号，电压信号经过电流/电压转换放大器4放大成预设幅值电压信号；

103：预设幅值电压信号经模数转换器5转换成数字信号送入微处理器1；

104：微处理器1对数字信号进行锁相计算、分离处理得到光电容积脉搏波并消除背景光的干扰：

其中，步骤104具体为：

1)微处理器1控制模数转换器5对数字信号进行采样，采样频率为f_s＝4M×f_max(即为驱动发光二极管的最高频率f_max的4M倍速度)，并获取采样信号x(m)，其中M为大于等于1的正整数；

2)微处理器1将分别对各个波长对应的三角波周期内的正、负半个周期内的采样信号进行累加，累加结果进行求差运算；

即，将一定时间(整数个抬高预设电平的三角波周期)内的每个三角波的正半个周期的采样值累加得到累加和，每个三角波的负半个周期的采样值累加得到累加和，这两个累加和相减。

3)将上述各个波长的差值进行k个周期累加，即可得到光电容积脉搏波。其中：

式中：f_min为激励的三角波中的最低频率；a为预设常数，取值为大于或等于1的正整数，a/f_min为下抽样的周期；f_n为所处理波长的三角波激励频率。

下面详细说明当采用抬高预设电平的三角波作为驱动波形时对光电容积脉搏波测量精度所带来的影响，详见下文描述：

如图5，当一个像素点的亮度只有0.6LSB，不足1LSB时，模数转换器5采样后总是得到0，但如果叠加上一个高度为1LSB的抬高预设电平的三角波的光，模数转换器5采样10次，就会采集得到4个0和6个1，加起来求和并除10，就得到0.6LSB。

1、在其他的值，比如0.1、1.3、1563.3.......经过10次平均后都可以得到小数点后1位的值；

2、如果叠加100次的抬高预设电平的三角波，就可得到100倍的分别率，例如：按照上文所述的叠加一次抬高预设电平的三角波，模数转换器5采样10次就可以得到0.6LSB，当叠加100次的抬高预设电平的三角波时，就可以得到60LSB。

上述描述是采用抬高预设电平的三角波对图像测量精度的影响，其中，对于图像的说明是在每个像素上，是2维的信号。对于光电容积脉搏波测量精度的影响为一维的时间信号处理。两者的基本原理相同，本发明实施例对此不做赘述。

实际应用时，并不要求抬高预设电平的三角波的高度为1LSB，可以根据实际应用中的需要进行设定，只要不超过模数转换器5的转换范围即可。

105：根据光电容积脉搏波获取谷值和峰值；

106：对谷值和峰值进行计算得到吸光度差值，通过吸光度差值获取光谱值。

对幅值为x的被采样值，如果在一定的时间内均匀采样N(>>1)点并进行平均，得到的平均值是

其中，[x]是模数转换器对x进行量化，也即按四舍五入圆整得到的正整数，x_i是第i点的幅值，[x_i]是模数转换器对x_i进行量化，也即按四舍五入圆整得到的正整数。

(1)式表明，对一个比较“干净”的信号采样多次进行平均，并不能提高其精度，所得到的平均值的误差与单次采样的误差相同，为Δx_i。

如果对幅值为x的被采样锯齿波，同样在一定的时间内均匀采样N(>>1)点并进行平均，得到的平均值是

其中，x_i＝m_i+Δx_i，m_i＝[x_i]。也即是圆整得到正整数，而是被四舍五入后丢去的“随机”误差。

(2)式可以进一步利用等差级数求和公式得到：

(3)式中的前一项是量化后的值，虽然比(1)式的结果小了一半，但按照误差理论，一个数据的精度并不因乘以一个固定非零常数而改变。但后面一项中是零均值的随机数，相比(1)式中的要降低倍，因此，对锯齿波或抬高预设电平的三角波激励信号进行过采样后同样可以得到提高精度的效果，且不需要另外加高频扰动信号。

该步骤的详细操作参见实施例1，本实施例在此不作赘述。

综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在三角波低电平段的光电信号的信噪比，且也提高了在三角波信号高电平段的光电信号的信噪比，进而提高了整个电平段的光电信号信噪比，提高了输入到微处理器中的数字信号的精度，微处理器对数字信号进行处理可以得到光谱值。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。