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1、 广州虹科电子科技有限公司 用用脉冲体积描记器脉冲体积描记器和和 Pico 记录仪记录仪测量测量心率心率 引言引言: 每当人的心脏跳动时，就会产生一道压力波以数米每秒的速度沿着动脉发送出去（快于血 液的实际流动速度） ，在手腕上可以感受到这道压力波，另外这个压力波还会致使人体组织的血 容量的提升，这可以通过体积描记器检测这个变化的大小。体积描记器（plethysmograph）这个 词起源于希腊语 plethysmos“增长”与一个专业术语“fullness” （即体积变化）测量装置的结合。 与这些年来那些广泛使用的构造精巧却不实用的医疗设备设备相比，本文介绍的心率测量方法 中使用的是一种光电
2、脉冲体积描记器，它具备坚固和易用的特性，另外无需将带电设备连接人 体即可准确地测量人体心率。 所需设备所需设备: 安装 PicoLog 数据记录软件的电脑 英国 Pico PC 示波器或者数据记录仪（DrDAQ，PicoLog1216，PicoLog1012） 传感器 放大器 实验实验配置配置: 传感器传感器 所使用的传感器由光源和光检测器组成，光源照射人体组织，当组织内血容量变化时便会 改变落入光检测器内的光线数量。光源和检测器可以并排安装来查看在其发射光内的变化，或 者放在手指两边，还可以在透射光下检测耳垂血容量的变化。由于实验的特殊性，在这里我们 使用一个安置了红外发光二极管与其配套光电
3、晶体管的木质衣夹（如图 1 和图 2 所示） ，光电晶 体管的红外过滤片可以减少来自荧光的干扰，此外传感器的输出有一个很大的交流分量。 图一：传感器 广州虹科电子科技有限公司 图 2：传感器结构 通过在木栓上钻取 3 毫米的小孔用来放置发光二极管、光电晶体管、以及一对用来连接这 两个器件和双芯屏蔽输出电缆的电线，用来放置 LED 和光电晶体管的钻孔是同一个孔洞的两 边，这样可以让它们并排放置，塞销的每一侧顶端都被提起用来扩大间隙并在夹钳部位安置黑 色的闭孔泡沫（使用胶水黏贴）提升牢靠性同时避免了皮肤的透光（或多或少） 。另外，木夹的 弹簧也需要进行调整，使得当夹子夹在耳垂的时候不至于太紧，黏在
4、木栓两边的带板用来连接 电线， 两个用于 LED （阳极和阴极连接） 和三个用于光电晶体管侧 （集电极， 发射极和阴极 LED 和 LED 阳极 - LED 导线通过木栓另一面进来） 。发光二极管（西门子 SFH487）和光电晶体管 （西门子 SFH309FA）被夹在其孔中并焊接到各自的带板上。这里面每种组件都是不可或缺。 另外电线需要焊接到位，连接导线分别焊接到发射极和阴极的铜垫上，当所有部件检查完毕证 明可以开展工作后， 连接部分和部件的背面应覆盖有不透明的硅橡胶来隔离阻挡了外部光线 （所 有线缆也需要覆盖） 。 放大器放大器 放大器（如图 3 所示）使用的是 LM358 双运算放大器。另
5、外，运算放大器的选型不是特别 关键，只要选择的型号工作电压为 6V，输出能够在负载所需电源电压要求即可。电路依靠一个 6V 电池供电。这样的话非常适用于 0-5V 的输入接口。电位计的使用可以对增益进行调整从而 避免大信号削波。电路内各种组件不是要求很严格，不过必须用 2 个无极性或者钽的 2.2 F 电 容来抵御一些反向偏压.电路可以较为便捷的布置在小块的板子上。 图 3：脉冲体积描记器放大器电路 线缆 木栓 弹簧 泡沫 塑料 带板 光电晶体管 广州虹科电子科技有限公司 实验流程实验流程 将放大器的输出端连接到 PICO 数据记录仪 DrDAQ 的输入端， 然后将记录仪连接电脑， 运行 Pi
6、coLog 软件， 设置采样时间为每 20ms 记录 500 个样本数。 然后使用木夹夹住耳垂或者拇 指；等待 10 秒让电路开始运行，然后开始记录工作。调整电位器让输出峰值保持在 2V 左右， 记录曲线图如图 4 所示， 每个脉搏波都可在主界面上清晰可见。 这是通过 ADC200 获取的信号， 它的采样率是 100Ms/s， 用起来绰绰有余。 也可以使用 PICO DrDAQ 数据记录仪、 所有的 Pico PC 示波器 Pico 和其他快速电压数据记录仪来实现（PicoLog1000 系列） 。 图 4：数据曲线图 在使用脉冲体积扫描器时经常会遇到这两个问题：在运动时测量会导致测量轨迹会波
7、动明 显，所以要保证人体静止不动，另外若是人体较冷时，四肢的血液循环次数较少导致测量的信 号会变得非常微弱。 此时使用 PICO 产品就有明显的优势，例如将报警电压阈值设定为 1V，低于此数值就会马 上发出声音报警。确保能够及时提醒人员，该设备可以通过比较人体休息状态时的心跳速度与 运动后的心跳速度变化，人体呼吸进出时心跳速度的变化。如图 5 所示为 100 秒内深、慢呼吸 记录数据。两个影响，通风与同步是可见的：心率的变化可以看做脉冲波之间间隔距离的变化， 心脏的容积变化可以看做是脉冲波振幅的变化。 广州虹科电子科技有限公司 图 5：深呼吸下记录数据 心率的计算心率的计算 与其他心率监视器不
8、同， 这里的设定是允许瞬时心跳速率计算。使用指针， 注意两个相 邻波峰的时间间隔， 将两个心跳时间间隔相减便得到一次心跳时间， 分隔 60 个计算便可得到 1 分钟内心跳速度的瞬时值。因此，如图 4 所示， 第一个波峰出现在 1052ms 处，第二个出现 在 2190 ms 处。时间间隔为 1138 ms 或者说 1.138 s，大概可以计算为 52.7 心跳数一分钟。 最 后一个波峰出行在 9206 ms,与第一波峰间隔时间为 8.154 s ，距离第一个波峰有 7 个波峰间隔， 平均心跳间隔为 1.165 s，可以推算出 51.5 心跳数每一秒。 这是 DrDAQ 数据记录仪其中的一个非常有意思的应用。加入它的使用,能够更方便的采集 和记录所需的数据
