便攜式脈搏測(cè)試儀的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

宋 武，操文靜，高志念，宋 軍

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院質(zhì)量管理處，湖北黃岡438002)

我國(guó)自古以來(lái)，大多數(shù)中醫(yī)檢查病情依靠指面感覺細(xì)胞來(lái)體會(huì)患者擾動(dòng)脈搏時(shí)所提供的脈搏信息，在判別脈象的屬性方面僅停留在一些形象化的概念上，通常是以醫(yī)生指下的體會(huì)結(jié)合該醫(yī)生對(duì)脈象概念的領(lǐng)會(huì)來(lái)加以鑒別與區(qū)分。由于主觀因素的影響，中醫(yī)脈象在實(shí)際傳授和教學(xué)中困難較大，臨床脈診時(shí)分歧較多。為了讓中醫(yī)走向世界，便于傳授，將中醫(yī)影像的脈診進(jìn)一步具體化、客觀化、現(xiàn)代化勢(shì)在必行。為了推進(jìn)中醫(yī)發(fā)展，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用脈搏測(cè)試儀，利用微處理控制各單元電路，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示出每分鐘的脈搏次數(shù)，本系統(tǒng)適合脈搏診斷的各類場(chǎng)合。

1 總體方案設(shè)計(jì)

由于血液是一種高度不透明液體近紅外光在一般組織中的穿透性比在血液中大幾十倍，指頭內(nèi)部的血液容積在心臟搏動(dòng)下呈周期性變化，心臟舒張時(shí)手指中血容量減小，紅外光透過(guò)率增大，心臟收縮時(shí)恰好相反。因此可以利用血液變化來(lái)反映另一側(cè)的PIN管接收透過(guò)光強(qiáng)，再將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而實(shí)施了信號(hào)的檢測(cè)。

由于傳感器采集脈搏信號(hào)的電壓值為0～5mV左右，能量成分主要集中在0.5Hz～10Hz頻帶內(nèi)，易受噪聲的干擾，為了便于檢測(cè)，利用了低功耗，精密儀表放大器件INA333和OPA2134對(duì)采集的脈搏信號(hào)放大1000倍以上，再利用OP07構(gòu)成了0.5 Hz～10Hz間的帶通濾波器，整個(gè)系統(tǒng)采用了LaunchPad MSP430單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，對(duì)內(nèi)置的A/D、FLASH閃存等實(shí)施控制，從而實(shí)現(xiàn)脈搏圖形數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)與回放處理，并通過(guò)液晶12864顯示脈搏數(shù)值。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 理論計(jì)算與硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 光電發(fā)射接收電路

該電路采用了由外接電池提供±3.6V的電壓，通過(guò)發(fā)光二級(jí)管發(fā)出的紅光照射人體手指，在紅外接收管T上，隨著微血管脈壓波動(dòng)的變化，其透光度也隨其變化，這樣紅外接收管的電流也發(fā)生波動(dòng)性變化，運(yùn)放的放大后輸出一隨脈壓波動(dòng)變化的脈搏信號(hào)由紅外接收管的電流I與R所決定。光電轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

說(shuō)明:I1—無(wú)脈壓波動(dòng)時(shí)光敏三極管光電流;

I2—有脈壓波動(dòng)時(shí)光敏三極管光電流。

圖2 光電轉(zhuǎn)換電路圖

2.2 放大電路

為了便于對(duì)信號(hào)的檢測(cè)和處理。設(shè)計(jì)了三級(jí)放大電路，滿足后向通道對(duì)信號(hào)的要求，總放大倍數(shù)為A=A1●A2●A3，第一級(jí)放大倍數(shù)為10倍，采用儀表放大器 INA333，放大倍數(shù) A1=1+100K/RG，通過(guò)為濾光器增益2倍;第三級(jí)放大為50～80倍間可調(diào)，采用了OPA2134，放大倍數(shù)A3=1+R4/R5，通過(guò)滑線變阻器R4的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的調(diào)整。電路圖如圖4所示。

圖3 INA333放大電路圖

圖4 OPA2134放大電路圖

2.3 帶通濾波電路

為了濾掉0.5Hz以下的信號(hào)，采取高通濾波器，低頻截止頻率由R9和C1(其中C1=C2，R9=R10)確定，其計(jì)算公式為代入數(shù)值計(jì)算得:fc1=0.5Hz，增益為A2=1+R7/R8。電路圖如圖5所示。為了濾掉10Hz以上信號(hào)，采取了低通濾波器，截止頻率由R12和C3(其中C3=C4，R12=R13)確定，代入計(jì)算得:f=c216Hz，電路圖如圖6所示。

圖5 高通濾波器電路圖

圖6 低通濾波器電路圖

2.4 報(bào)警電路

利用程序編譯設(shè)定正常范圍值，當(dāng)測(cè)得的脈搏不在正常范圍之內(nèi)時(shí)，單片機(jī)就會(huì)輸出一個(gè)高電平致使蜂鳴器發(fā)聲，起到報(bào)警作用。電路圖如圖7所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)得益于軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。軟件部分將AD轉(zhuǎn)換得到的兩路數(shù)字信號(hào)臨時(shí)存放在單片機(jī)內(nèi)，進(jìn)行各種處理和計(jì)算。將兩路信號(hào)分被存入單片機(jī)內(nèi)部FLASH中的不同區(qū)段，保證系統(tǒng)斷電后存入的信息不丟失，當(dāng)需要對(duì)信號(hào)回放時(shí)，隨時(shí)能對(duì)FLASH進(jìn)行讀取，并經(jīng)DA轉(zhuǎn)換回放。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

圖7 蜂鳴器電路

圖8 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 測(cè)試結(jié)果

對(duì)手指進(jìn)行脈搏信號(hào)的檢測(cè)，在采集過(guò)程中將手指放在紅外發(fā)生對(duì)管中間。把檢測(cè)到的脈搏信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，再利用示波器觀察波形，得到了如圖9所示。

圖9 示波器測(cè)試脈搏信號(hào)

在同一環(huán)境下，分別對(duì)8個(gè)人進(jìn)行脈搏測(cè)試，對(duì)各自的脈搏數(shù)進(jìn)行記錄比較。測(cè)試結(jié)果如表2。

表2 測(cè)試的脈搏次數(shù)表

5 總結(jié)

在實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)光電轉(zhuǎn)換部分做了大量實(shí)驗(yàn)，不同的手指其透光系數(shù)不同，這樣在光敏三極管所產(chǎn)生的透光電流也不同，這將直接影響運(yùn)放的輸出幅度。為此，正確選擇光源強(qiáng)度和光敏三極管參數(shù)，是非常重要的。

［1］秦龍.MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精講［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007(07).

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