CN107714003A - 一种基于柔性pin光电二极管的指端脉搏波检测器 - Google Patents

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王亚楠
张波
张一波
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Abstract

一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器，包括有控制单元，以及通过数据总线依次串联连接的滤波电路、放大电路、A/D转换模块和处理主机，还设置有用于套戴于手指上采集脉搏波信号的脉搏波检测指套，所述脉搏波检测指套的输入端通过控制总线连接所述控制单元的输出端，所述脉搏波检测指套的输出端通过数据总线连接所述滤波电路的输入端，所述处理主机的输出端通过控制总线连接所述控制单元的输入端。本发明具有面积小、结构简单轻便、价格低等特点,可以直接贴合在手指周围，大大提高检测精度、响应速度，并降低脉搏波检测器的成本，同时减少对于检测对象手指正常活动的影响。

Description

一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器
技术领域
本发明涉及一种指端脉搏波检测器。特别是涉及一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器。
背景技术
脉搏波是在主动脉的收缩和舒张过程中血流压力沿着整个动脉系统传播而形成的一种波。其所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息,很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理特征，如：心率、血氧饱和度、血管内容积变化、血管壁的弹性等。所以，脉搏波作为一种心血管疾病的初期检测手段在临床上广泛使用。
目前常用的一些检测手段有：
1、压力测量法：中医号脉应用的即是这种原理。这种测量方式的实现较为简单，但是依靠这种原理所制作的压力式检测器往往受肢体运动干扰较大，测量精度低；
2、电桥测试法：这种方法是通过脉搏波传播过程中人体电阻变化的检测来完成脉搏波测量的。这种方式不涉及其他信号到电信号的转化步骤，但是会受到其他生物电信号(如：心电)的干扰，而且为了达到较高的检测精度还需要增加一些电磁屏蔽手段；
3、激光或超声多普勒测量法：这种方式是利用多普勒效应进行检测的，是四种方式内最为精确的，但是设备巨大而且昂贵，不适用于家庭推广；
4、光电测量法：光电测量又分为透射式和反射式两种。透射式测量的发射光源与光敏器件的距离相等并且对称布置，接收的是指端透射光，可以更好地测量心率。反射式测量的发射光源和光敏器件位于同一侧，接收的是血液漫反射光，可以更精确地测量血管内容积的变化。光电测量方式得到的脉搏波较为精确，且设备简单，便于大范围推广。
专利CN1442111提出了一种透射式检测方法，提升了测试设备的数据分辨率，且设备简单便于家庭使用。但是其探头并未贴合指端，仍会引入外部杂光和空气介质的干扰而影响数据的准确度，同时硬质测量探头也会影响患者手指的正常活动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以进行高精度的脉搏波检测，进而得到检测对象的心率、血氧饱和度等信息的基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器。
本发明所采用的技术方案是：一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器，包括有控制单元，以及通过数据总线依次串联连接的滤波电路、放大电路、A/D转换模块和处理主机，还设置有用于套戴于手指上采集脉搏波信号的脉搏波检测指套，所述脉搏波检测指套的输入端通过控制总线连接所述控制单元的输出端，所述脉搏波检测指套的输出端通过数据总线连接所述滤波电路的输入端，所述处理主机的输出端通过控制总线连接所述控制单元的输入端。
所述的脉搏波检测指套包括有用于套在手指上的不透明的起屏蔽作用的指套罩，以及固定在所述指套罩内侧的用于照明的发光单元和用于采集脉搏波信号的光电检测单元，其中，所述的光电检测单元包括有第一柔性光电二极管、第二柔性光电二极管和第一柔性薄膜晶体管，所述第一柔性光电二极管和第二柔性光电二极管的正极接地，负极连接第一柔性薄膜晶体管的漏极，所述第一柔性薄膜晶体管的栅极和源极分别连接所述滤波电路的输入端；所述的发光单元包括有第二柔性薄膜晶体管和第三柔性薄膜晶体管，以及第一柔性发光二极管、第二柔性发光二极管、第三柔性发光二极管、第四柔性发光二极管和扩展光源，所述第二柔性薄膜晶体管和第三柔性薄膜晶体管的栅极和源极分别连接所述控制单元的输出端，所述第二柔性薄膜晶体管的漏极分别连接第一柔性发光二极管和第四柔性发光二极管的正极，所述第三柔性薄膜晶体管漏极分别连接第二柔性发光二极管和第三柔性发光二极管的正极，所述第一柔性发光二极管、第二柔性发光二极管、第三柔性发光二极管和第四柔性发光二极管的负极接地，所述扩展光源位于由所述第一柔性发光二极管、第二柔性发光二极管、第三柔性发光二极管、第四柔性发光二极管所围成的矩形形状的中心。
所述的光电检测单元的具体结构包括有第一PET塑料衬底和设置在所述第一PET塑料衬底上端面上的第一SU8材料层，所述的第一SU8材料层上分别设置有第一柔性薄膜晶体管的结构以及第一柔性光电二极管和第二柔性光电二极管的结构，所述第一柔性薄膜晶体管通过互联金属分别连接第一柔性光电二极管和第二柔性光电二极管，以及连接所述控制单元和滤波电路。
所述的第一柔性薄膜晶体管的结构包括有并排设置在所述第一SU8材料层上端面上的第一单晶硅薄膜N型掺杂区、第一单晶硅薄膜未掺杂区和第二单晶硅薄膜N型掺杂区，所述第一单晶硅薄膜N型掺杂区上设置有第一源电极，所述第一单晶硅薄膜未掺杂区上通过第一栅氧层设置有第一栅电极，所述第二单晶硅薄膜N型掺杂区上设置有第一漏电极，其中，所述源电极通过互联金属连接信号输出端口，所述信号输出端口连接滤波电路的输入端，所述栅电极连接第一开关控制端口，所述开关控制端口连接控制单元的输出端，所述漏电极通过互联金属连接第一柔性光电二极管和第二柔性光电二极管。
所述的第一柔性光电二极管和第二柔性光电二极管的结构包括有并排设置在所述第一SU8材料层上端面上的第三单晶硅薄膜N型掺杂区、第二单晶硅薄膜未掺杂区、单晶硅薄膜P型掺杂区、第三单晶硅薄膜未掺杂区和第四单晶硅薄膜N型掺杂区，所述第三单晶硅薄膜N型掺杂区上设置有第一N区电极，所述单晶硅薄膜P型掺杂区上设置有P区电极，所述第四单晶硅薄膜N型掺杂区上设置有第二N区电极，所述P区电极构成正极通过互联金属和接地端接地，所述第一N区电极和第二N区电极构成负极通过互联金属连接第一柔性薄膜晶体管的第一漏电极。
所述的第二柔性薄膜晶体管和第三柔性薄膜晶体管结构相同，均包括有第二PET塑料基板和设置在所述第二PET塑料基板上端面上的第二SU8材料层，并排设置在所述第二SU8材料层上端面上的第五单晶硅薄膜N型掺杂区、第四单晶硅薄膜未掺杂区和第六单晶硅薄膜N型掺杂区，所述第五单晶硅薄膜N型掺杂区上设置有第二源电极，所述第四单晶硅薄膜未掺杂区上通过第二栅氧层设置有第二栅电极，所述第六单晶硅薄膜N型掺杂区上设置有第二漏电极，其中，所述第二源电极通过第二互联金属连接外部电源接口，所述第二栅电极连接第二开关控制端口，所述第二开关控制端口连接控制单元的输出端，所述第二漏电极通过第二互联金属连接对应的第一柔性发光二极管、第二柔性发光二极管、第三柔性发光二极管和第柔性四发光二极管的正极。
本发明的一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器，整个检测指套采用薄膜柔性PIN光电二极管等柔性器件制成，具有面积小、结构简单轻便、价格低等特点。更重要的是由于其可弯曲的良好机械性能，这种检测器可以直接贴合在手指周围，大大提高检测精度、响应速度，并降低脉搏波检测器的成本，同时减少对于检测对象手指正常活动的影响。本发明的检测器工作时只需要将检测指套戴于指端即可实现脉搏波的检测，进而分析得到检测对象的心率、血氧饱和度等信息。本发明的检测器与手指的贴合性良好，检测设备简单轻便，成本较低，且对于测试者手指正常活动的影响较小，便于推广。
附图说明
图1是本发明一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器的整体构成框图；
图2是本发明中脉搏波检测指套的结构示意图；
图3是本发明脉搏波检测指套中发光单元的结构示意图；
图4是本发明脉搏波检测指套中光电检测单元的结构示意图；
图5是图4中柔性薄膜晶体管的侧视图；
图6是图4中光电二极管的侧视图；
图7是图3中柔性薄膜晶体管的结构示意图；
图8是图7的侧视图。
图中
101：控制单元 102：脉搏波检测指套
103：滤波电路 104：放大电路
105：A/D转换模块 106：处理主机
107：数据总线 108：控制总线
1021：指套罩 1022：发光单元
1023：光电检测单元 1：第三单晶硅薄膜N型掺杂区
2：第二单晶硅薄膜未掺杂区 3：单晶硅薄膜P型掺杂区
4：第三单晶硅薄膜未掺杂区 5：第四单晶硅薄膜N型掺杂区
6：接地端 7：信号输出端口
8：第一单晶硅薄膜N型掺杂区 9：第一单晶硅薄膜未掺杂区
10：第二单晶硅薄膜N型掺杂区 11：开关控制端口
12：互联金属 13：第一PET塑料衬底
14：第一SU8材料层 15：第一N区电极
16：P区电极 17：第二N区电极
18：第一源电极 19：第一栅电极
20：第一栅氧层 21：第一漏电极
22：第五单晶硅薄膜N型掺杂区 23：第四单晶硅薄膜未掺杂区
24：第六单晶硅薄膜N型掺杂区 25：第二开关控制端口
26：第二互联金属 27：第二PET塑料衬底
28：第二SU8材料层 29：第二源电极
30：第二栅电极 31：第二栅氧层
32：第二漏电极 33：外部电源接口
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器做出详细说明。
本发明的一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器，通过一种柔性检测指套得以解决。这种指套内含柔性发光二极管、外接补充光源接口和柔性光电二极管。其中柔性光电二极管部分采用两个柔性硅薄膜PIN横向光电二极管完成，这两个二极管以插指并联的形式相连，并与一个TFT开关相连，以便于控制检测的开关。柔性PIN二极管的反向电流与光功率、光波长成比例变化，通过实验可以建立光功率、光波长与光电流的定量模型。此外当恒定波长的光通过血液时，血液的浓度与其吸收、衰减的光强也成一定比例，可以反映被照射部分血液的结构特征。因此将检测指套中传回的光电流信号进行分析，可以得到脉搏波的波形。
柔性发光二极管部分可以采用柔性硅薄膜发光二极管、柔性碳纳米管发光二极管或者柔性有机发光二极管等实现。本发明内置两种波长的柔性发光二极管，可以满足不同检测需要。此外还提供外接补充光源接口可以用来扩展检测光源，满足特殊检测波长需要。
如图1所示，本发明的一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器，包括有控制单元101，以及通过数据总线107依次串联连接的滤波电路103、放大电路104、A/D转换模块105和处理主机106，还设置有用于套戴于手指上采集脉搏波信号的脉搏波检测指套102，所述脉搏波检测指套102的输入端通过控制总线108连接所述控制单元101的输出端，所述脉搏波检测指套102的输出端通过数据总线107连接所述滤波电路103的输入端，所述处理主机106的输出端通过控制总线108连接所述控制单元101的输入端。
如图2、图3所示，所述的脉搏波检测指套102包括有用于套在手指上的不透明的起屏蔽作用的指套罩1021，以及固定在所述指套罩1021内侧的用于照明的发光单元1022和用于采集脉搏波信号的光电检测单元1023，其中，如图2所示，所述的光电检测单元1023包括有第一柔性光电二极管D1、第二柔性光电二极管D2和第一柔性薄膜晶体管T1，所述第一柔性光电二极管D1和第二柔性光电二极管D2的正极接地，负极连接第一柔性薄膜晶体管T1的漏极，所述第一柔性薄膜晶体管T1的栅极和源极分别连接所述滤波电路103的输入端；如图3所示，所述的发光单元1022包括有第二柔性薄膜晶体管T2和第三柔性薄膜晶体管T3，以及第一柔性发光二极管D3、第二柔性发光二极管D4、第三柔性发光二极管D5、第四柔性发光二极管D6和为了满足特殊波长需要的扩展光源G，所述第二柔性薄膜晶体管T2和第三柔性薄膜晶体管T3的栅极和源极分别连接所述控制单元101的输出端，所述第二柔性薄膜晶体管T2的漏极分别连接第一柔性发光二极管D3和第四柔性发光二极管D6的正极，所述第三柔性薄膜晶体管T3漏极分别连接第二柔性发光二极管D4和第三柔性发光二极管D5的正极，所述第一柔性发光二极管D3、第二柔性发光二极管D4、第三柔性发光二极管D5和第四柔性发光二极管D6的负极接地，所述扩展光源G位于由所述第一柔性发光二极管D3、第二柔性发光二极管D4、第三柔性发光二极管D5、第四柔性发光二极管D6所围成的矩形形状的中心。
如图4所示，所述的光电检测单元1023的具体结构包括有第一PET塑料衬底13和设置在所述第一PET塑料衬底13上端面上的第一SU8材料层14，所述的第二SU8材料层14上分别设置有第一柔性薄膜晶体管T1的结构以及第一柔性光电二极管D1和第二柔性光电二极管D2的结构，所述第一柔性薄膜晶体管T1通过互联金属12分别连接第一柔性光电二极管D1和第二柔性光电二极管D2，以及连接所述控制单元101和滤波电路103。
如图4、图5所示，所述的第一柔性薄膜晶体管T1的结构包括有并排设置在所述第一SU8材料层14上端面上的第一单晶硅薄膜N型掺杂区8、第一单晶硅薄膜未掺杂区9和第二单晶硅薄膜N型掺杂区10，所述第一单晶硅薄膜N型掺杂区8上设置有第一源电极18，所述第一单晶硅薄膜未掺杂区9上通过第一栅氧层20设置有第一栅电极19，所述第二单晶硅薄膜N型掺杂区10上设置有第一漏电极21，其中，所述源电极18通过互联金属12连接信号输出端口7，所述信号输出端口7连接滤波电路103的输入端，所述栅电极19连接第一开关控制端口11，所述开关控制端口11连接控制单元101的输出端，所述漏电极21通过互联金属12连接第一柔性光电二极管D1和第二柔性光电二极管D2。
如图4、图6所示，所述的第一柔性光电二极管D1和第二柔性光电二极管D2的结构包括有并排设置在所述第一SU8材料层14上端面上的第三单晶硅薄膜N型掺杂区1、第二单晶硅薄膜未掺杂区2、单晶硅薄膜P型掺杂区3、第三单晶硅薄膜未掺杂区4和第四单晶硅薄膜N型掺杂区5，所述第三单晶硅薄膜N型掺杂区1上设置有第一N区电极15，所述单晶硅薄膜P型掺杂区3上设置有P区电极16，所述第四单晶硅薄膜N型掺杂区5上设置有第二N区电极17，所述P区电极16构成正极通过互联金属12和接地端6接地，所述第一N区电极15和第二N区电极17构成负极通过互联金属12连接第一柔性薄膜晶体管T1的第一漏电极21。
如图7、图8所示，所述的第二柔性薄膜晶体管T2和第三柔性薄膜晶体管T3结构相同，均包括有第二PET塑料衬底27和设置在所述第二PET塑料衬底27上端面上的第二SU8材料层28，并排设置在所述第二SU8材料层28上端面上的第五单晶硅薄膜N型掺杂区22、第四单晶硅薄膜未掺杂区23和第六单晶硅薄膜N型掺杂区24，所述第五单晶硅薄膜N型掺杂区22上设置有第二源电极29，所述第四单晶硅薄膜未掺杂区23上通过第二栅氧层31设置有第二栅电极30，所述第六单晶硅薄膜N型掺杂区24上设置有第二漏电极32，其中，所述第二源电极29通过第二互联金属26连接外部电源接口33，所述第二栅电极30连接第二开关控制端口25，所述第二开关控制端口25连接控制单元101的输出端，所述第二漏电极32通过第二互联金属26连接对应的第一柔性发光二极管D3、第二柔性发光二极管D4、第三柔性发光二极管D5和第四柔性发光二极管D6的正极。
本发明的一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器，检测时，将指套罩套在手指之上，由控制单元(可以采用51单片机或STM32微处理器等)控制各柔性薄膜晶体管进而控制检测的开始。检测开始后，柔性发光二极管或外接光源产生检测光，经手指透射后照射在柔性光电二极管上，光激发产生反向光电流会使柔性光电二极管的直流特性发生对应的变化。这种变化会被送入模拟信号处理单元中进行滤波和放大，然后传处理主机(可以采用计算机)，最后由处理主机输出相应的脉搏波，并进一步分析得出被测对象的心率、血氧饱和度等信息。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大和滤波处理，并且提高信噪比。
本发明以硅薄膜和PET柔性衬底为例，在其他使用需要下也可以将本例的薄膜材料换为锗等其他半导体材料，衬底材料换为纤维、可降解树脂等其他柔性材料。本发明以2个柔性PIN光电二极管并联为例，但在实际使用中为了提高检测精度和灵敏度，并联的柔性PIN光电二极管的数量也可以相应增加。

Claims (6)

1.一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器，包括有控制单元(101)，以及通过数据总线(107)依次串联连接的滤波电路(103)、放大电路(104)、A/D转换模块(105)和处理主机(106)，其特征在于，还设置有用于套戴于手指上采集脉搏波信号的脉搏波检测指套(102)，所述脉搏波检测指套(102)的输入端通过控制总线(108)连接所述控制单元(101)的输出端，所述脉搏波检测指套(102)的输出端通过数据总线(107)连接所述滤波电路(103)的输入端，所述处理主机(106)的输出端通过控制总线(108)连接所述控制单元(101)的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器，其特征在于，所述的脉搏波检测指套(102)包括有用于套在手指上的不透明的起屏蔽作用的指套罩(1021)，以及固定在所述指套罩(1021)内侧的用于照明的发光单元(1022)和用于采集脉搏波信号的光电检测单元(1023)，其中，所述的光电检测单元(1023)包括有第一柔性光电二极管(D1)、第二柔性光电二极管(D2)和第一柔性薄膜晶体管(T1)，所述第一柔性光电二极管(D1)和第二柔性光电二极管(D2)的正极接地，负极连接第一柔性薄膜晶体管(T1)的漏极，所述第一柔性薄膜晶体管(T1)的栅极和源极分别连接所述滤波电路(103)的输入端；所述的发光单元(1022)包括有第二柔性薄膜晶体管(T2)和第三柔性薄膜晶体管(T3)，以及第一柔性发光二极管(D3)、第二柔性发光二极管(D4)、第三柔性发光二极管(D5)、第四柔性发光二极管(D6)和扩展光源(G)，所述第二柔性薄膜晶体管(T2)和第三柔性薄膜晶体管(T3)的栅极和源极分别连接所述控制单元(101)的输出端，所述第二柔性薄膜晶体管(T2)的漏极分别连接第一柔性发光二极管(D3)和第四柔性发光二极管(D6)的正极，所述第三柔性薄膜晶体管(T3)漏极分别连接第二柔性发光二极管(D4)和第三柔性发光二极管(D5)的正极，所述第一柔性发光二极管(D3)、第二柔性发光二极管(D4)、第三柔性发光二极管(D5)和第四柔性发光二极管(D6)的负极接地，所述扩展光源(G)位于由所述第一柔性发光二极管(D3)、第二柔性发光二极管(D4)、第三柔性发光二极管(D5)、第四柔性发光二极管(D6)所围成的矩形形状的中心。
3.根据权利要求2所述的一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器，其特征在于，所述的光电检测单元(1023)的具体结构包括有第一PET塑料衬底(13)和设置在所述第一PET塑料衬底(13)上端面上的第一SU8材料层(14)，所述的第一SU8材料层(14)上分别设置有第一柔性薄膜晶体管(T1)的结构以及第一柔性光电二极管(D1)和第二柔性光电二极管(D2)的结构，所述第一柔性薄膜晶体管(T1)通过互联金属(12)分别连接第一柔性光电二极管(D1)和第二柔性光电二极管(D2)，以及连接所述控制单元(101)和滤波电路(103)。
4.根据权利要求3所述的一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器，其特征在于，所述的第一柔性薄膜晶体管(T1)的结构包括有并排设置在所述第一SU8材料层(14)上端面上的第一单晶硅薄膜N型掺杂区(8)、第一单晶硅薄膜未掺杂区(9)和第二单晶硅薄膜N型掺杂区(10)，所述第一单晶硅薄膜N型掺杂区(8)上设置有第一源电极(18)，所述第一单晶硅薄膜未掺杂区(9)上通过第一栅氧层(20)设置有第一栅电极(19)，所述第二单晶硅薄膜N型掺杂区(10)上设置有第一漏电极(21)，其中，所述源电极(18)通过互联金属(12)连接信号输出端口(7)，所述信号输出端口(7)连接滤波电路(103)的输入端，所述栅电极(19)连接第一开关控制端口(11)，所述开关控制端口(11)连接控制单元(101)的输出端，所述漏电极(21)通过互联金属(12)连接第一柔性光电二极管(D1)和第二柔性光电二极管(D2)。
5.根据权利要求3所述的一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器，其特征在于，所述的第一柔性光电二极管(D1)和第二柔性光电二极管(D2)的结构包括有并排设置在所述第一SU8材料层(14)上端面上的第三单晶硅薄膜N型掺杂区(1)、第二单晶硅薄膜未掺杂区(2)、单晶硅薄膜P型掺杂区(3)、第三单晶硅薄膜未掺杂区(4)和第四单晶硅薄膜N型掺杂区(5)，所述第三单晶硅薄膜N型掺杂区(1)上设置有第一N区电极(15)，所述单晶硅薄膜P型掺杂区(3)上设置有P区电极(16)，所述第四单晶硅薄膜N型掺杂区(5)上设置有第二N区电极(17)，所述P区电极(16)构成正极通过互联金属(12)和接地端(6)接地，所述第一N区电极(15)和第二N区电极(17)构成负极通过互联金属(12)连接第一柔性薄膜晶体管(T1)的第一漏电极(21)。
6.根据权利要求2所述的一种基于柔性PIN光电二极管的指端脉搏波检测器，其特征在于，所述的第二柔性薄膜晶体管(T2)和第三柔性薄膜晶体管(T3)结构相同，均包括有第二PET塑料基板(27)和设置在所述第二PET塑料基板(27)上端面上的第二SU8材料层(28)，并排设置在所述第二SU8材料层(28)上端面上的第五单晶硅薄膜N型掺杂区(22)、第四单晶硅薄膜未掺杂区(23)和第六单晶硅薄膜N型掺杂区(24)，所述第五单晶硅薄膜N型掺杂区(22)上设置有第二源电极(29)，所述第四单晶硅薄膜未掺杂区(23)上通过第二栅氧层(31)设置有第二栅电极(30)，所述第六单晶硅薄膜N型掺杂区(24)上设置有第二漏电极(32)，其中，所述第二源电极(29)通过第二互联金属(26)连接外部电源接口(33)，所述第二栅电极(30)连接第二开关控制端口(25)，所述第二开关控制端口(25)连接控制单元(101)的输出端，所述第二漏电极(32)通过第二互联金属(26)连接对应的第一柔性发光二极管(D3)、第二柔性发光二极管(D4)、第三柔性发光二极管(D5)和第柔性四发光二极管(D6)的正极。
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