脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)的研制

邢 斌， 忻尚芝， 張 強(qiáng)

（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)的研制

邢 斌1， 忻尚芝2， 張 強(qiáng)3

（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

針對(duì)傳統(tǒng)的中醫(yī)脈診要依靠有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生與病患皮膚接觸、有時(shí)會(huì)因?yàn)樽陨砘颦h(huán)境干擾存在不能準(zhǔn)確判斷的問(wèn)題，基于光電容積法原理，研制一種采用光學(xué)手段檢測(cè)脈搏信號(hào)的采集系統(tǒng).該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示被測(cè)對(duì)象的脈象、脈率等生理信息，并可以通過(guò)串行通信與主機(jī)相連實(shí)現(xiàn)信息的傳輸與存儲(chǔ)，為醫(yī)生提供可靠的數(shù)據(jù).

光電傳感器；串口通信；脈搏波

從脈搏中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來(lái)都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視.脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)（波形）、強(qiáng)度（波幅）、速率（波速）和節(jié)律（周期）等方面的綜合信息，在很大程度上反應(yīng)人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的特征，因此對(duì)脈搏波的采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景［1］.基于光電容積法原理，筆者設(shè)計(jì)的脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)手指末端透光度的檢測(cè)，由光強(qiáng)度變化間接檢測(cè)脈搏信號(hào).傳統(tǒng)傳感器因元件分立而易受電磁干擾以及發(fā)光二級(jí)管發(fā)射強(qiáng)度不穩(wěn)定等問(wèn)題在該系統(tǒng)中得到妥善解決.本文將系統(tǒng)分為硬件和軟件.硬件系統(tǒng)以STM32F103ZT單片機(jī)為核心，外圍由傳感器模塊、信號(hào)處理電路、A／D轉(zhuǎn)換模塊等組成，一起構(gòu)成信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ).對(duì)主要模塊作了仿真分析，最終實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性.軟件系統(tǒng)包含上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，下位機(jī)負(fù)責(zé)按照協(xié)議將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀形式發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、顯示并保存.

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)實(shí)時(shí)采集［2］，并顯示人體脈搏測(cè)試結(jié)果，如脈率、脈象等.系統(tǒng)由硬件電路和軟件程序組成，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1.

系統(tǒng)基于光電容積法原理測(cè)量脈搏信號(hào)，由前端的光電式傳感器將脈搏搏動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由后級(jí)電路完成對(duì)信號(hào)的拾取、濾波、放大和數(shù)字化等工作.模擬的脈搏信號(hào)被數(shù)字化后，由單片機(jī)將脈搏信號(hào)的數(shù)據(jù)按照協(xié)議進(jìn)行處理，并發(fā)送至PC機(jī)串口，而后在PC機(jī)的LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)上完成數(shù)據(jù)解析和顯示.

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要完成對(duì)人體脈搏信號(hào)的拾取、放大、濾波和數(shù)字化工作.

2.1 光電容積法原理

當(dāng)光透過(guò)指尖時(shí)，由于受到皮膚肌肉組織和血液的吸收與衰減作用，光敏元件檢測(cè)到的光強(qiáng)度會(huì)有一定程度的減弱.當(dāng)心臟收縮時(shí)，外周血管擴(kuò)張，血容量最大，光吸收最強(qiáng)，因此檢測(cè)到的光信號(hào)強(qiáng)度最?。划?dāng)心臟舒張時(shí)，外周血管收縮，血容量最小，光吸收最弱，因此檢測(cè)到的光信號(hào)強(qiáng)度最大；使得光敏元件檢測(cè)到的光強(qiáng)度隨心臟搏動(dòng)而呈脈動(dòng)性變化，因此光強(qiáng)度變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)［3］.

2.2 傳感器電路

傳感器電路包含發(fā)射電路和接收電路.傳統(tǒng)光電脈搏傳感器設(shè)計(jì)中，光敏元件和前置放大器是分立的元件，微弱的脈搏信號(hào)易受外界電磁信號(hào)干擾，本系統(tǒng)采用圖2所示的OPT101集成電路來(lái)隔離外界電磁干擾.

為了盡量減少光源的波動(dòng)，采用恒流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路［4］及其仿真見(jiàn)圖3，結(jié)果顯示即使附加50Hz的工頻干擾信號(hào)U2（造成直流電壓U1有20%的波動(dòng)），驅(qū)動(dòng)電流ID2的波動(dòng)僅有0.86%，幾乎保持恒定，因此，適當(dāng)選取直流電源電壓，可以在遇到電源電壓波動(dòng)時(shí)仍保持發(fā)光二級(jí)管的驅(qū)動(dòng)電流恒定，從而保證有穩(wěn)定的發(fā)射光強(qiáng)度.

圖2 LED接收電路Fig.2 LED receiving circuit

2.3 脈搏信號(hào)特點(diǎn)及濾波［5］電路設(shè)計(jì)

脈搏信號(hào)的諧波成分在0.2～45 Hz之間，其中99%的能量集中在10 Hz以下，其有效的諧波成分在40 Hz以內(nèi)，為低頻信號(hào)，易引入工頻50 Hz干擾.為了消除工頻干擾和電磁干擾（0.1～1 MHz之間），需要設(shè)計(jì)一個(gè)0.2～45 Hz之間的帶通濾波器，該濾波器由低通濾波電路和50 Hz陷波器［6］組成.

低通濾波電路見(jiàn)圖4，其幅頻特性曲線為圖5中的紅色曲線，觀察可見(jiàn)0.2～10 Hz頻段近乎直線且幅度為1，意味著脈搏信號(hào)幾乎沒(méi)有衰減，被很好地保留，電磁干擾信號(hào)被極大地衰減，但工頻干擾卻沒(méi)有效濾除.為了消除工頻干擾，在其后一級(jí)附加圖6所示的50 Hz陷波器，可得其幅頻特性見(jiàn)圖5中綠色曲線，將紅、綠兩條曲線B比較可知，紅色曲線在50Hz附近有極大的凹陷，這意味著50 Hz被極大衰減，所以附加50 Hz陷波器的電路遠(yuǎn)勝過(guò)沒(méi)有陷波環(huán)節(jié)的濾波器，它將工頻和高頻干擾都很有效的被消除.因此本設(shè)計(jì)加入陷波器是合理且必要的.

圖3 驅(qū)動(dòng)電路及其仿真Fig.3 constant current source drive and drive current

圖4 低通濾波電路Fig.4 Low-pass filtering circuit

圖5 幅頻特性曲線Fig.5 amplitude-frequency curve

圖6 陷波器Fig.6 band trap

2.4 放大電路和A／D轉(zhuǎn)換電路［7］

將脈搏信號(hào)濾波后采用儀表放大器AD627進(jìn)行二級(jí)放大，使其電壓幅度在0～5 V以內(nèi)，以匹配AD芯片的輸入電壓范圍，之后由AD芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào).本設(shè)計(jì)采用8位逐次逼近型AD0809芯片完成模擬信號(hào)的數(shù)字化.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)將數(shù)字化后的脈搏信號(hào)加工成幀，然后以同步通信［8-9］的方式向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀.幀格式為：a起始字符；b.數(shù)據(jù)（AD模塊8位輸出）；c.校驗(yàn)位；d.停止字符.

發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前先與上位機(jī)進(jìn)行握手，得到上位機(jī)許可后開(kāi)始發(fā)送，每一幀發(fā)送結(jié)束后等待上位機(jī)的反饋指令，以判斷是發(fā)送下一幀還是重發(fā)當(dāng)前幀抑或是停止工作.下位機(jī)軟件流程圖見(jiàn)圖7（a）.

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

Labview［10］軟件完成的功能主要包括：配置串口的參數(shù)（初始化）、對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析和奇偶校驗(yàn)、實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)并保存.上位機(jī)軟件流程圖如圖7（b）所示.

當(dāng)?shù)弥挛粰C(jī)請(qǐng)求握手時(shí)，向下位機(jī)發(fā)送指令同意對(duì)方發(fā)送數(shù)據(jù).在已經(jīng)握手的狀態(tài)下，當(dāng)上位機(jī)得到數(shù)據(jù)幀時(shí)，先作奇偶校驗(yàn)以判斷幀是否有效，繼而向下位機(jī)給出反饋指令，以決定是重發(fā)當(dāng)前幀還是發(fā)送下一幀抑或是停止采集.

經(jīng)調(diào)試后，硬件、軟件皆能正常工作，得到某25歲健康人的脈搏信波如圖8所示.

設(shè)計(jì)了基于STM32103ZT單片機(jī)的指端脈搏信號(hào)采集電路，在前人研究基礎(chǔ)上作了改進(jìn)［11-12］：

圖7 軟件流程圖Fig.7 Software flow chart

圖8 有無(wú)陷波器的實(shí)時(shí)波形Fig.8 Real-time waveform display

a.傳統(tǒng)的分立式器件由集成電路替換，提高了抗電磁干擾能力；

b.設(shè)計(jì)了恒流驅(qū)動(dòng)電路，提高了抗電源電壓波動(dòng)能力；

c.附加50 Hz的陷波器，提高了波形的精準(zhǔn)度；

這種裝置的進(jìn)一步研究將結(jié)合臨床應(yīng)用，進(jìn)一步提高指標(biāo)以達(dá)到醫(yī)用等級(jí)的要求.

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)中，傳感器電路充分利用集成光敏器件的特點(diǎn)和恒流驅(qū)動(dòng)電路、陷波器的設(shè)計(jì)，減小了電路受到的干擾和波動(dòng)，提高了傳感器測(cè)量的精度，可以獲取高質(zhì)量的脈搏信號(hào)，但以下幾處在條件允許時(shí)可進(jìn)一步改進(jìn)：

a.在封閉環(huán)境內(nèi)再加一個(gè)光接收二極管接收背景光，通過(guò)高信噪比的運(yùn)放電路相減后可以抑制背景光（封閉環(huán)境內(nèi)的二次反射光）.

b.普通發(fā)光二極管譜帶較寬，發(fā)散面大，往往會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量變差，受環(huán)境光干擾嚴(yán)重.應(yīng)采用激光二極管作為發(fā)射光源，與普通二極管相比具有單色性好和發(fā)散面小的優(yōu)點(diǎn).

［1］ 羅志昌，張松，楊益民.脈搏波工程分析與臨床應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［2］ 蔣程鵬，呂建敏.基于LabVIEW的脈搏測(cè)試儀的設(shè)計(jì)［J］.生物醫(yī)學(xué)工程與臨床，2008，12（4）：330-333.

［3］ 季忠，秦樹(shù)人.微弱生物醫(yī)學(xué)信號(hào)特征提的原理與實(shí)現(xiàn)［M］.北京：科學(xué)出版設(shè)，2007.

［4］ 張珣，周杰.光電脈搏傳感器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)［J］.中國(guó)醫(yī)療器械雜志，2009，33（5）：344-346.

［5］ 遠(yuǎn)坂俊昭.測(cè)量電子電路設(shè)計(jì)—濾波器篇［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［6］ 顏良，陳儒軍.基于UAF42通用濾波芯片的50 Hz陷波器設(shè)計(jì)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006（8）：27-29.

［7］ 袁支潤(rùn).生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的數(shù)字化［M］.成都：四川大學(xué)出版社，2006.

［8］ 蒙博宇.STM32自學(xué)筆記［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

［9］ 李苗苗，董琪.基于STM32的無(wú)線脈搏信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2012（2）：198-201.

［10］ 陳樹(shù)學(xué)，劉宣.LabVIEW寶典［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［11］ 錢(qián)建秋，忻尚芝，侯文.手指脈搏血氧飽和度光電檢測(cè)裝置的研制［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（2）：179-182.

［12］ 陳小默，林家瑞.穿戴式生物傳感器系統(tǒng)的研究新進(jìn)展［J］.國(guó)外醫(yī)學(xué)，2005，28（3）：138-142.

（編輯：金 虹）

Development of Pulse Signal Acquisition System

XINGBin1， XINShang-zhi2， ZHANGQiang3
（School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

In view of the traditional Chinese medicine diagnosis depends on the experience on the skin contact between doctor and patient，the doctor may make accurate judgment sometimes because of their own or environmental interference.Based on the principle of photoelectric displacement method，a kind of pulse signal acquisition system using optical principle was developed.It can display oximetry pulse condition，and physiological information of measured object ot real-time，realize the transmission and storage of information through the serial communication with the host，and provide reliable data for the doctor.

photoelectric sensor；serial communication；pulse signal

R 443.8

A

1007-6735（2013）04-0387-04

2012-12-28

上海市研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（JWCXSL1202）

邢 斌（1987-），男，碩士研究生.研究方向：電力電子與電力傳動(dòng).E-mail：825591222＠qq.com

忻尚芝（1965-），女，副教授.研究方向：電力電子和電子檢測(cè).E-mail：xinsz＠usst.edu.cn