便攜式人體脈搏波形測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

蔣 維,乜國(guó)荃

(青海民族大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，青海 西寧810007)

在心臟的驅(qū)動(dòng)下血液在人體血管中流動(dòng)而形成脈搏，所以它不僅受到心臟狀況的影響,同時(shí)要受到其他內(nèi)臟參數(shù)的影響，因此，脈搏信息能反映人體內(nèi)臟器官健康狀況。中醫(yī)脈診就是通過(guò)施以輕重不同的壓力，用其三指通過(guò)對(duì)腕部橈動(dòng)脈處被稱(chēng)之為“寸、關(guān)、尺”部位的脈搏的感覺(jué)來(lái)診斷病人內(nèi)部器官的病變和健康狀況的[1]。不同年齡、不同性別、不同疾病的人的脈搏波形是不一樣的。這就是中醫(yī)診脈看病的出發(fā)點(diǎn)。而診脈技巧不是容易掌握的，不僅需要名醫(yī)的指導(dǎo)傳授更需要長(zhǎng)時(shí)間的摸索積累。隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，完全可以借助儀器儀表獲取脈搏信息，如脈象儀，這種儀器功能強(qiáng)大不僅能精確繪制脈搏波形，同時(shí)能進(jìn)行頻譜分析，但不論從體積還是價(jià)格都無(wú)法在家庭使用，因此應(yīng)設(shè)法設(shè)計(jì)家用便攜式脈搏測(cè)試系統(tǒng)，目前有的便攜式脈搏測(cè)試系統(tǒng)只能測(cè)脈搏次數(shù)，如歐姆龍電子血壓脈搏測(cè)試儀，有的用的是采集終端，數(shù)據(jù)處理、繪圖均由基于PC機(jī)的LabVIEW完成[2]，不夠方便。也有的脈搏測(cè)試系統(tǒng)是基于單片機(jī)的，由于本身位數(shù)的限制其速度和精度都不高[3-4]。 國(guó)外對(duì)脈搏信息的提取也做了很多研究[5-7]，但大多數(shù)仍復(fù)雜不夠方便。本文用32位的ARM微控制器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)便攜式家用脈搏波形測(cè)試系統(tǒng)，在液晶屏上直接顯示脈搏波形，不僅速度快、精度高而且脫離PC，方便實(shí)用。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

脈搏波形測(cè)量系統(tǒng)由脈搏傳感器、放大電路、低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器及觸摸、顯示電路構(gòu)成。其系統(tǒng)的框架如圖1所示。

脈搏傳感器采用PT14M3，這是一款高靈敏度全橋生理壓力傳感器，它采用雙島微機(jī)械結(jié)構(gòu),橋阻為2.5～5.0 kΩ。與一般的壓電式傳感器相比，PT14M3的低頻響應(yīng)好(直流到 200 Hz),輸出阻抗低,抗干擾能力強(qiáng)。其測(cè)壓端直徑8 mm左右，可模擬手指感測(cè)脈搏，4個(gè)壓敏電阻構(gòu)成全橋結(jié)構(gòu)，在外加壓力下,電橋失衡輸出不為零,且壓力在較小范圍內(nèi)時(shí),輸出電壓與壓力成正比[2]。

PT14M3的輸出是一個(gè)典型的微弱的差分信號(hào)，由于存在皮膚的靜噪信號(hào)、50 Hz的工頻干擾等干擾信號(hào)，所以有用的差分信號(hào)容易被干擾信號(hào)淹沒(méi)，如果在此應(yīng)用中使用標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，則不僅放大差分模擬信號(hào)，同時(shí)放大任何DC信號(hào)、噪聲及其他的共模電壓，最終即使最好的運(yùn)算放大器也不能有效提取微弱信號(hào)。如果利用運(yùn)算放大器構(gòu)成二級(jí)差分放大電路其匹配電阻要求十分苛刻，否則仍無(wú)法提取有效信號(hào)。而儀表放大器是一種差分輸入和相對(duì)參考點(diǎn)單端輸出的閉環(huán)增益單元,具有輸入阻抗很高、輸出阻抗很低、共模抑制比（CMR）高的特征。

AD8228是ADI公司最新推出的高性能儀表放大器，具有非常高的增益精度和極低的漂移。由于內(nèi)置增益設(shè)定電阻并經(jīng)過(guò)激光微調(diào)，因此該器件的增益精度和增益漂移性能優(yōu)于典型的儀表放大器。低電壓失調(diào)(最大輸入失調(diào)電壓：50 μV)、低失調(diào)漂移(最大輸入失調(diào)漂移 ：0.8 μV/℃)、 低 增 益 漂 移(增 益 漂 移 ：2 ppm/℃)、 高 增益精度和高共模抑制比的(100 dB)特點(diǎn)使這款器件特別適合用于醫(yī)療儀器設(shè)備。AD8228具有固定增益10或100， 當(dāng) 2、3引腳斷開(kāi)增益為 10，2、3引腳短接增益為100[8]，在本方案中利用 AD8228作為主放大器且2、3引腳短接。由于脈搏信號(hào)主峰頻率在1 Hz左右，能量較強(qiáng)的成分也在20 Hz以下，所以設(shè)計(jì)低通濾波器的上限截止頻率為40 Hz。為此整個(gè)脈搏波形數(shù)據(jù)采集電路圖如圖2所示。電路輸出接到A/D的輸入端。

控制板模塊采用深圳優(yōu)龍科技有限公司的YLE2440核心板，板上采用SAMSUNG高性能ARM920T內(nèi)核處理器S3C2440，工作頻率為400 MHz。板上配備有64 MB NAND Flash，64 MB SDRAM，10M/100M 網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000AEP，一個(gè)復(fù)位小按鍵。通過(guò)4條68PIN的連接器引出了電源線、地線、數(shù)據(jù)線、地址線、A/D輸入端、LCD接口、觸摸屏控制信號(hào)等，便于搭建系統(tǒng)硬件環(huán)境。

液晶模塊選用SONY公司的TD035STED4(帶四線電阻觸摸屏)，其接口與S3C2440提供的LCD信號(hào)完全匹配。S3C2440提供了 nYPON、YMON、nXPON和 XMON直接作為觸摸屏的控制信號(hào)，但不能直接與觸摸屏連接，這里通過(guò)兩個(gè)FDC6321場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器與觸摸屏連接。輸入信號(hào)在經(jīng)過(guò)阻容式低通濾器濾除坐標(biāo)信號(hào)噪聲后接入S3C2440內(nèi)集成ADC的模擬信號(hào)輸入通道AIN5、AIN7。圖3為S3C2440與觸摸屏的接口圖。

A/D轉(zhuǎn)換器直接利用S3C2440片上A/D，集成有采樣保持電路。分辨率為10位，最大轉(zhuǎn)換速率為500 kS/s。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序分主程序和中斷服務(wù)程序兩部分構(gòu)成。

在主程序中完成核心板的初始化后開(kāi)AD中斷，且設(shè)置為等待中斷模式，在液晶屏上輸出“Start”按鈕，之后進(jìn)入等待中斷的到來(lái)。

在中斷服務(wù)程序中，把A/D轉(zhuǎn)換模式設(shè)置為XY自動(dòng)轉(zhuǎn)換模式，讀取當(dāng)前觸摸點(diǎn)的位置再判斷是否為“Start”按鈕所在位置范圍，如是則把A/D轉(zhuǎn)換模式設(shè)置為普通轉(zhuǎn)換模式來(lái)轉(zhuǎn)換從AIN0(1)通道輸入的脈搏信號(hào)。在液晶屏上每幀顯示5 s的脈搏圖形，每秒鐘脈搏圖形含128個(gè)像素點(diǎn)，為了減小誤差在采集數(shù)據(jù)時(shí)每秒鐘采集1 280個(gè)樣點(diǎn)，然后每10個(gè)樣點(diǎn)值分一組去抖取平均，所得數(shù)據(jù)進(jìn)行量化、打點(diǎn)畫(huà)圖。系統(tǒng)應(yīng)用軟件的流程圖如圖4所示。

3 測(cè)量結(jié)果及對(duì)比分析

利用該測(cè)量?jī)x，測(cè)量并描記了大量不同人群的脈搏波形，將得到的脈圖結(jié)合傳統(tǒng)的中醫(yī)理論進(jìn)行分析對(duì)比，都與受試者本人的健康狀況有一定的對(duì)應(yīng)性。如圖5所示：channel1是測(cè)得并描記的一個(gè)18歲男性青年的左關(guān)脈圖，channel2是測(cè)得并描記的一個(gè)74歲男性高血壓病老人的左關(guān)脈圖。對(duì)比兩者的脈圖，可明顯看出，青年人的脈圖跟中醫(yī)理論所述的典型平脈脈圖非常相似，波形呈三峰，重搏前波、降中峽、重搏波非常明顯，脈率、大小適中，節(jié)律均勻，是健康的脈象[1]。如圖 6所示為中醫(yī)理論所述的典型的平脈脈圖。觀察老人的脈圖，其特征是端直以長(zhǎng)，如按琴弦，有長(zhǎng)、直、緊急的特點(diǎn)。波形呈寬大主波，波峽抬高。脈形有弦硬的指感，反映出血管內(nèi)壓力、管內(nèi)外周阻力、血液粘度等生理參數(shù)的增大。按中醫(yī)脈象理論，高血壓，高血脂是弦脈的主病[1]。這也與受試者老人的實(shí)際情況完全相符。

通過(guò)對(duì)上面測(cè)量和描記的脈圖進(jìn)行對(duì)比分析可知，這套測(cè)量系統(tǒng)能比較精確地測(cè)得脈搏波形，而且測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、功耗低，且便于操作。克服了傳統(tǒng)方法獲取人體脈搏波形的不便性及低精度等不利因素。同時(shí)在開(kāi)發(fā)板上預(yù)留了網(wǎng)絡(luò)接口，使采集處理后的數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程傳輸,這對(duì)于遠(yuǎn)程中醫(yī)診斷提供了可能性,所以具有一定的實(shí)用性和很好的市場(chǎng)前景。

[1]費(fèi)兆馥.現(xiàn)代中醫(yī)脈診學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社,2003.

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[4]李晉華,杜宇慧.光電脈搏儀設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2008(7):90-100.

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[8]Analog Devices.AD8228 Datasheet[DB/OL].http://www.analog.com/en/amplifiers-and-comparators/instrumentationamplifiers/ad8228/products/product.html.AD8228.pd.