脉搏信号相干检测方法的实验研究

肖婷婷，高福斌，田小建

（吉林大学电子科学与工程学院，吉林长春130012）

摘要：脉搏信号是评估人体健康状况的一个重要因素。由于脉搏信号频率低、幅值小，常常被淹没在噪声内，为了提取脉搏信号，需要对信号进行去噪处理，因此采用相干检测实现去除噪声，通过对采集到的脉搏信号进行处理，得到了良好的输出波形。针对脉搏信号的特点，给出了实际可行的电路和测试方法。由实验结果可知，该系统具有良好的测量稳定性。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：脉搏信号；相干检测；传感器；人体健康评估

中图分类号：TN911.7?34；TN29 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）16?0118?04

收稿日期：2015?01?30

脉搏信号作为生理信号之一蕴含了丰富的人体健康状况的信息，脉搏信号所呈现出来的幅度、频率和波形等信息历来受到医生的重视。然而由于外部环境的干扰、人体自身状况的改变和测量设备的内部噪声等因素，脉搏信号常常被噪声所淹没。因此脉搏信号的测量应具备高精度、高速度、高可靠性和很强的数据处理能力，能提取出有效的脉搏信号数据。国内外对于脉搏信号主要进行放大与滤波处理，由于滤波器的带宽有限，传统的脉搏测量并不能去除掉混在脉搏频带内的噪声。近些年国内外采用了计算机自动识别法对脉搏信号进行筛选，挑取主要指标，系统成本较高，且操作复杂，应用性不高。本文采用相干检测方法对脉搏信号进行处理，降低噪声、改善信噪比，从而提取出有用的信息，系统结构简单，可操作性强，可靠性高。

1 脉搏信号相干检测基本原理

1.1 脉搏波信号的产生与采集

由心脏和血管组成的循环系统中，心脏进行着周期性的舒缩功能，当心室收缩时，动脉血从左心室流入主动脉，再沿各级动脉分支到达全身各部的毛细血管。当血液与其周围的细胞和组织进行物质交换之后，血液由鲜红色的动脉血变为暗红色的静脉血。再经各级静脉，最后经上、下腔静脉流回右心房。在每个周期中，动脉随着体循环进行，压力也伴随着周期性的变化，这种周期性的压力变化可引起动脉血管发生搏动，称为动脉脉搏。脉搏图如图1所示。

在人体健康状况正常的情况下，如图1波形图由上升支和下降支构成一个完整的信号。脉搏信号的幅度在μV 至mV 的范围内，脉搏信号是接近周期性的微弱信号，且属于低频信号，频率一般在30 Hz以内，由于脉搏信号的幅度小、频率低，在脉搏信号的数据采集时一般容易引进极大的噪声干扰，因而信噪比低，这为脉搏的测量与分析带来了一定的难度。

在手指末端含有较高的动脉成分，且厚度较薄，当动脉搏动时，指端的微血管床会产生血管容积的改变，当受到一定波长的光照射时，血管对光的吸收量将不同，在非血液组织中，光的吸收量是一定的，透过指端的光强随着动脉的搏动将发生变化，利用光敏元件将光强的变化转换为电信号从而测出脉搏信号。

1.2 相干检测基本原理

由于确定信号之间具有较强的相干性，而由于噪声的随机性较强，信号与噪声之间是不相干的，通过这种差异，可以将淹没在噪声下的信号提取出来。

设被测信号为s（t），n（t）为随机噪声，则输入信号x（t）=s（t）+n（t），其中s（t）为：

2 脉搏信号相干检测的系统设计

图2为脉搏信号相干检测的系统框图，主要由信号采集、信号通道、参考通道以及相干检测4部分组成。

（1）信号采集。脉搏信号为人体生理信号，因此需要将脉搏信号转换为电信号，本文选取光电式传感器采集脉搏信号。

（2）信号通道。信号通道主要由放大电路和低通滤波器构成。脉搏信号具有较低的频率，其频率在1~30 Hz范围内。系统易受到工频噪声的干扰，由于脉搏信号的频率小于工频噪声50 Hz，因此本文采用二阶低通滤波器来去除噪声。

（3）相干检测。相干检测是微小信号检测的核心部分，对整个测试系统起着决定性的作用。本文的相干检测由乘法器和低通滤波组成。乘法器采用ANALOGDEVICES 公司的AD633，它是一款功能完整的四象限模拟乘法器，包括高阻抗差分X 和Y 输入，高阻抗求和输入Z，单端输出W。在10~10 kHz带宽内，Y 输入的非线性典型值小于0.1%，输出端的噪声低于100 μV均方根。AD633 具有1 MHz 带宽和20 V/μs 压摆率，并且能驱动容性负载。外围器件较少，应用简单方便。

相干检测对信噪比的改善主要由低通滤波器实现，用低通滤波器实现窄带化过程，低通滤波器在截至频率很低的情况下其频率特性仍能保持稳定，低通滤波器只允许频率在参考信号附近的噪声信号通过，随着滤波器的截至频率越小，系统的通带频率越窄，抑制噪声的能力就越强。

3 传感器的选择

随着科学技术的进步，不同种类，性能各异的传感器也出现在各种脉搏测量仪器中，目前常见的脉搏传感器有：压电式传感器、电阻式传感器、压磁式传感器和光电式传感器等。各种传感器优缺点如下：

（1）压电式传感器：将动脉出的压力变化的转换为电信号，在测量脉搏方面主要运用PVDF压电薄膜传感器。压电传感器具有较宽的动态范围、高精度和良好的灵敏度，然而电路复杂且成本较高。

（2）电阻式传感器：通过待测信号的变化引起电阻阻值的改变。电阻式传感器具有较强的过载承受能力，稳定性好，且应用广泛，但分辨率不高，且受环境的影响较大。

（3）压磁式传感器（磁弹性传感器）：传感器将作用力的变化转化为传感器导磁率的变化，导致输出的信号也随之改变，这种传感器具有较强的抗干扰能力，输出功率大，为有源传感器，但电路复杂。

（4）光电式传感器：利用光电效应将接收到的光信号转换为电信号，光电式传感器应用广泛，技术成熟，抗干扰能力强、灵敏度好、结构简单、操作灵活，但对环境要求较高。

综上所述，本文采用光电式传感器获取脉搏信号，根据朗伯?比尔定律，当入射光为单色光时即光波长一定时，物质的吸光度A 与吸光物质的浓度c 和吸收物质的厚度l 成正比：

式中K 为吸收系数。

在手指末端含有较高的动脉成分，且厚度较薄，当动脉搏动时，指端的微血管床会产生血管容积的改变，当受到一定波长的光照射时，血管对光的吸收量将不同，在非血液组织中，光的吸收量是一定的，透过指端的光强随着动脉的搏动将发生变化，利用光敏元件将光强的变化转换为电信号从而测出脉搏信号。光电传感器主要由光敏元件组成，光敏元件的性能直接决定了脉搏信号获取的好坏。光电传感器主要有光电二极管、光电三极管、光敏电阻CdS、光电池及光电耦合器等。光敏电阻体积小、价格低廉、具有较宽的光谱响应范围、输出电流大、灵敏度高且无极性之分，使用方便。但频率特性差，响应时间长。光电池不用外加偏置电压，可靠性高、成本低、受光面积大、有较高的灵敏度结构简单，但抗干扰能力差。光电二极管、光电三极管受光面积小，具有非常好的频率特性且灵敏度高，工作电压低，但受温度影响大。

通过实验的对比与分析，本实验采用光电传感器OPT101，它是集光电二极管和放大器于一个器件内的传感器，由2.7~36 V单电源供电，电压输出随接收到的光强度成线性变化，8 引脚封装，解决了光电转换电路受外界干扰过大和输出电流过小的问题，提高光敏元件的稳定性。

由图3 OPT101内部结构原理图及基本光电接受电路可知，OPT101内部集成1 MΩ 和3 pF 并联成的反馈电路。由图4 入射波长与电路输出幅度的关系图可知，传感器在波长为600~960 nm 内电路输出为0.4~0.6 V μW 。为了充分利用传感器的性能，发光二极管的波长应选取输出幅度加大的区域。本实验的光源采用红色发光二极管，波长为700 nm。

4 实验结果与分析

本实验使用安捷伦数字存储示波器54810A来进行系统的测试，图5为光电传感器输出波形，由于工频噪声等的干扰，传感器输出信噪比较低。图6 为不同人的脉搏信号通过信号通道的输出波形，信号通过信号通道后，信噪比有了明显的改善，脉搏信号清晰，经过信号通道输出后的脉搏信号周期稳定，曲线光滑，曲线的大波峰和小波峰反应了人体心血管和血流等特征，信号通道对传感器输出信号处理效果比较理想，且不同人采集到的脉搏信号存在明显的差异。

系统输出的信号如图5所示，测试时将示波器调到直流耦合模式。

在对系统进行测试时应注意一下几个事项：

（1）应保持测试环境没有其他光波进行干扰。

（2）测试者保持正确的姿势，以防测试数据不准。

（3）在测试之前不应饮用酒和咖啡因等。

如图7所示，系统有良好和稳定的直流输出。系统性能良好。

为了测试系统的及时性，在相同的环境下，同一被测试者在运动后的系统输出随时间变化的曲线如图8所示，由图可知，随着时间的延长，系统的输出下降，在5 min过后，系统的幅值不再改变，脉搏信号达到稳定。

为测量系统的稳定性，相同条件下，同一被测试的对象在每1 min间隔内测得的系统输出电压，测15个点为一组，进行3 组实验，结果如图9 所示，波动范围为4.5 mV，系统具有良好的稳定性。

5 结语

本文针对脉搏信号的提取与相干检测设计了相关实验，进行了可行性分析与验证。利用光电传感器对脉搏信号进行采集，由实验可知，采集到的脉搏信号噪声较大，通过对采集到的信号进行放大与滤波，可以去除掉部分噪声，采用相干检测的原理对滤波后的信号进行处理与提取，去除掉混合在信号频带内的噪声，可以获得较好的脉搏信号的参数。系统结构简单，稳定性强，具有较强的操作性和灵活性，可靠性高且系统成本低，能完成日常的基本测量，适用于简便仪器的开发。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献

[1] DUAN F，CHAPEAU?BLONDEAU F，ABBOTT D. Non?Gaussian noise benefits for coherent detection of narrowband weak signal [J]. Physics Letters A，2014，378（26）：1820?1824.

[2] XIN Y，XIANG Z M，DONG L M，et al. A center frequency adjustable narrow band filter for the detection of weak single frequency signal [J]. Review of scientific Instruments，2014，85（4）：044708.

[3] TANG Y，LI X，BAI Y. A comparative study of lock?in?ampli?fiers and improved duffing chaotic oscillators for the detection and processing of weak signals [C]// The 8th International Sym?posium on Measurement Techniques for Multiphase Flows. [S.l.]：AIP，2014，1592（1）：391?399.

[4] GOLESTAN S，MONFARED M，FREIJEDO F，et al. Perfor?mance improvement of a pre ? filtered synchronous ? reference ?frame PLL by using a PID?type loop filter [J]. IEEE Transac?tions on Industrial Electronics，2013，61（7）：3469 ? 3479.

[5] 高晋占.微弱信号检测[M].北京：清华大学出版社，2004.

[6] 吕雯雯.基于信号相干统计理论的周期性信号检测[D].长春：吉林大学，2009.

[7] 吴剑，郭忠武，王广志，等.微型脉搏表中低功耗电路的设计[J].电子器件，2001，24（4）：261?266.

[8] 殷晓鲁，李俊，潘元宾，等.基于虚拟仪器的锁相放大器设计[J].电子测试，2007（10）：13?16.

[9] 郑万挺，陈付毅.光电脉搏血氧心率仪电路设计[J].电子器件，2010，33（6）：786?789.

[10] 王丽英.基于光电技术的脉搏测量方法[J].电子设计工程，2006（5）：32?34.

[11] 王仕元，李强，朱晓兵，等.微弱信号检测系统设计[J].电子科技，2013，26（11）：104?106.

作者简介：肖婷婷（1989—），女，黑龙江齐齐哈尔人，硕士。主要研究方向为电路与系统。