基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的脈搏波形采集和輔助診斷系統(tǒng)

曹奕濤 淳莉 鄒富強(qiáng)

摘 要：在分析了現(xiàn)有脈搏信號(hào)測量技術(shù)及其處理方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的脈搏波形采集與輔助診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PVDF壓電膜脈搏傳感器檢測人體脈搏信號(hào)，并以基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的ZigBee射頻芯片CC2430作為脈搏信號(hào)采集與無線傳輸模塊，以脈搏波波形特征量K值作為反應(yīng)脈搏波與生理因素相關(guān)信息的算法，然后以BlackFin533處理器為核心，通過其SPI接口與無線傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信并完成相關(guān)算法。從而實(shí)現(xiàn)了脈搏信號(hào)的采集與無線傳輸，脈搏波形的實(shí)時(shí)顯示和輔助診斷等功能。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；脈搏傳感器；K值；BlackFin533

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）05-00-04

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，人們越來越需要隨時(shí)隨地方便地了解自身的健康狀況，而脈搏是反映人體循環(huán)系統(tǒng)功能的重要生理參數(shù)，尤其與心血管疾病密切相關(guān)，對脈搏波進(jìn)行準(zhǔn)確測量，便于對人體生理健康狀況的變化趨勢做到早了解、早診斷，從而進(jìn)行早防御、早治療，因此建立一套使用方便、操作簡單的脈搏監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。

本文研究基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的脈搏波形監(jiān)測與輔助診斷系統(tǒng)， 其具有普通溫度計(jì)那樣簡單的操作，像手表那樣攜帶方便，友好的用戶顯示界面等特點(diǎn)。主要針對患有心臟或循環(huán)系統(tǒng)疾病并處于危險(xiǎn)狀態(tài)的病人或患有慢性病的病人以及老年人，甚至需要經(jīng)常在不去醫(yī)院的情況下檢測這些健康指標(biāo)的群體。本系統(tǒng)可通過按鍵采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并顯示健康信息，以便使用者了解脈搏狀況及自己的生理健康狀態(tài)，不僅可以實(shí)現(xiàn)個(gè)人的實(shí)時(shí)監(jiān)測，還可以實(shí)現(xiàn)諸如醫(yī)院、養(yǎng)老院中多人的同時(shí)檢測。在人們越來越關(guān)心自己健康狀況的社會(huì)中具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和市場前景。

1 概述

1.1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要分為脈搏信號(hào)測試節(jié)點(diǎn)、BlackFin處理器輔助診斷以及無線傳感器組網(wǎng)測試三個(gè)部分。在發(fā)送端，利用靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)的PVDF壓電膜傳感器檢測人體脈搏信號(hào)，并設(shè)計(jì)巴特沃茲二階低通濾波器對傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波。再將濾波后的信號(hào)送入具有ZigBee射頻功能的CC2430片上SoC系統(tǒng)，最后通過射頻傳輸脈搏波形信號(hào)至接收端。

在接收端接收脈搏波形信號(hào)，通過以脈搏波波圖面積變化為基礎(chǔ)的脈搏波波形特征量K值提取脈搏波的波形特征與生理因素的關(guān)系。利用BF處理器進(jìn)行輔助診斷系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)以及功能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)ZigBee技術(shù)特點(diǎn)可靈活地組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中，一個(gè)處理終端能同時(shí)處理最多達(dá)255個(gè)客戶健康狀態(tài)信息。圖1展示了整個(gè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

1.2 功能與指標(biāo)

可以通過SSK-BF533端進(jìn)行用戶切換，本系統(tǒng)可供多達(dá)255個(gè)用戶同時(shí)使用，且為無損探測脈搏信號(hào)。每個(gè)發(fā)送端能像手表一樣帶在用戶手上用以方便地檢測人體脈搏信號(hào)，同時(shí)采集的信號(hào)必須防止失真，并利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸至接收端。每個(gè)發(fā)送端采用紐扣電池供電，并要求功耗低，小巧方便。在接收端能進(jìn)行脈搏波信號(hào)分析與處理得到用戶的脈搏頻率、輔助診斷結(jié)果等信息。

通信接口ZigBee的傳輸距離為100 m，采用2.4 GHz全球免費(fèi)頻段，最大傳輸速度可達(dá)250 Kb/s。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

2.1 脈搏信號(hào)的波形特征

脈診所得脈象的各種信息可用儀器放在切脈部位的皮膚上，以不同的壓力取法畫出脈象曲線，這種脈象曲線稱為脈象圖（或簡稱脈圖）。脈圖是實(shí)現(xiàn)脈診客觀化的一項(xiàng)重要指標(biāo)。脈圖曲線由數(shù)個(gè)波構(gòu)成，各波的變化都代表其一定的生理和病理意義。典型脈圖如圖2所示。

圖2 脈圖特征點(diǎn)示意圖

當(dāng)心臟收縮后，血液快速射入動(dòng)脈，使動(dòng)脈容積擴(kuò)大，壓力增高，形成脈圖曲線的上升支（AB段）。上升速度與波幅的高低受心臟搏出量、射血速度、動(dòng)脈阻力與彈性的影響。心臟輸出血量少，動(dòng)脈阻力大則升支上升速度慢、波幅小。反之則上升速度快，波幅大。心臟收縮后期，心臟排出血量明顯減少，動(dòng)脈壓力下降，動(dòng)脈彈性回縮，脈象曲線下降，形成降支（BG段）中的速降段。當(dāng)心臟開始舒張，主動(dòng)脈瓣關(guān)閉，動(dòng)脈中的血液向心室方向回流，脈象曲線急劇下降，于降支中出現(xiàn)切跡，形成降中峽（E點(diǎn)），由于動(dòng)脈中回流的血液受到關(guān)閉的主動(dòng)脈瓣的阻擋，血液被反折回來，于切跡之后又出現(xiàn)了1個(gè)上升的小波，即重搏波（F點(diǎn)）。因動(dòng)脈的彈性回縮，血液繼續(xù)向外周流去而形成降支的緩降段。降支的形狀受外周血管狀態(tài)的影響較大，若外周血管擴(kuò)張，阻力降低，則降支速度較快，切跡位置較低。切跡后的下降坡度較低，反之則下降速度慢，切跡位置高，切跡后的下降坡度較陡。升支和降支構(gòu)成主波，B點(diǎn)為主波波峰。其中，點(diǎn)A、G是主動(dòng)脈脈瓣開放點(diǎn)，也稱為始射點(diǎn)。C是脈搏信號(hào)潮波前谷，D是脈搏信號(hào)的潮波 （重搏前波）。

2.2 脈搏波波形特征量K值的提取

由脈搏波的產(chǎn)生與傳播機(jī)理可知，隨著血管阻力和動(dòng)脈彈性等生理變化，脈搏波波形特征變化會(huì)反映在脈搏波波形面積的變化上，為了能用一個(gè)簡潔的特征量來描述上述變化，北京工業(yè)大學(xué)羅志昌教授提出了以脈圖面積變化為基礎(chǔ)的脈搏波波形特征量K值，其定義見式（1）：

（1）

式中：為平均脈動(dòng)電壓，它等于一個(gè)心動(dòng)周期T中，脈搏壓力P（t）的平均值；Ps、Pd分別為收縮壓和舒張壓，如圖3 所示。K值的大小僅決定于脈搏波的脈圖面積，它和收縮壓Ps與舒張壓Pd的絕對值無關(guān)， 是一個(gè)無量綱值，它相當(dāng)于脈搏波壓力脈動(dòng)分量的平均值（Pm-Pd）在脈動(dòng)分量最大值（Ps-Pd）中所占的百分比。不同生理病理狀態(tài)下脈圖波形和面積都會(huì)有很大變化，這個(gè)變化可用K值來表示。羅志昌等人從20世紀(jì)80年代中期開始， 通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、臨床實(shí)測和數(shù)學(xué)模型計(jì)算的研究表明，隨年齡增加或高血壓血管硬化的發(fā)展， 血管阻力增加，脈搏波形由陡直形逐漸發(fā)展為饅頭形，弦脈程度增加，特征量K值也相應(yīng)變化增加，其值一般在0. 35 ～0. 5之間變化。同時(shí)，羅志昌等人得出了K值和脈搏波波形特征的關(guān)系以及所代表的生理病理意義。根據(jù)其臨床研究表明，K值的確能代表人體心血管系統(tǒng)中最為重要的一些生理參數(shù)如血管外周阻力、血管壁彈性和血液黏度等的變化。而且由于特征信息減少到只有一個(gè)特征量，簡單易記，生理意義明確，變化很有規(guī)律，臨床醫(yī)生易于接受，可作為心血管臨床檢查的重要生理指標(biāo)，有重要的醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值。

圖3 脈搏波波形特征量K值的提取

3 硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括便攜式脈搏傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、ZigBee無線射頻模塊的設(shè)計(jì)和基于DSP的信息處理終端的設(shè)計(jì)。其中便攜式脈搏傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其設(shè)計(jì)既要滿足系統(tǒng)測試的要求，同時(shí)要滿足便攜性、低功耗、低成本和方便測試的要求，便攜式脈搏傳感器的系統(tǒng)原理框圖如圖4所示，主協(xié)調(diào)器射頻模塊通過SPI接口以即插鍵的形式與DM-KIT-CBBF533核心板進(jìn)行連接。

圖4 便攜式脈搏傳感器節(jié)點(diǎn)原理框圖

3.1 脈搏傳感器

我們選擇了合肥華科電子技術(shù)研究所研制開發(fā)的基于聚偏氟乙烯壓電膜的HK-2000B型集成化脈搏傳感器。它是一種軟接觸式的無創(chuàng)傷脈搏傳感器，采用高度集成化工藝將力敏元件、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號(hào)調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。主要應(yīng)用于無創(chuàng)心血管測試，中醫(yī)脈象診斷。它具有很高的強(qiáng)度與很寬的頻響（ 0.1 ～10 MHz） ，材料?。◣爪蘭～幾百μm）且柔軟，并且有很好的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性。

當(dāng)對脈搏信號(hào)進(jìn)行測量時(shí)，需要將脈搏傳感器傳感面（白色）貼在脈搏最強(qiáng)處用綁帶固定。把脈搏傳感器用綁帶固定在被測人的手腕外側(cè)，隨著每舒張收縮1次，動(dòng)脈系統(tǒng)發(fā)生壓力和血流量的改變，即產(chǎn)生1個(gè)脈搏波。在這個(gè)過程中脈搏傳感器可以很好地采集到人體脈搏信號(hào)的搏動(dòng)過程并轉(zhuǎn)化為同步的電壓信號(hào)輸出。從而使人體脈搏信號(hào)與脈搏傳感器輸出信號(hào)保持同步。

3.2 濾波電路

由于脈搏傳感器的輸出有負(fù)電壓，CC2430模塊A/D口可以采集負(fù)電壓，但是我們的電源系統(tǒng)采用3.6 V的紐扣電池供電，而在濾波電路中的運(yùn)算放大器需要-3.6 V電壓供電，所以電路中使用了ME7660以得到-3.6 V電壓源。通過離散傅里葉變換得到人體脈搏信號(hào)的最高頻率大約為80 Hz，由于信號(hào)頻率很低，其極易引入來自肌體抖動(dòng)、精神緊張帶來的假象信號(hào)等。處理這些干擾的方法有硬件濾波、單片機(jī)軟件濾波。如圖5所示，關(guān)于硬件濾波，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)在-3 dB處截止頻率大約為100 Hz的二階巴特沃茲低通濾波器，其中運(yùn)算放大器采用OP07CP，以濾除系統(tǒng)的干擾，并將信號(hào)傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器為下一步的模數(shù)轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。

3.3 CC2430與A/D轉(zhuǎn)換

我們采用CC2430的ZigBee無線模塊，其具有與IEEE 80.2.15.4/ZigBee完全兼容的硬件層、物理層，因此它可通過符合現(xiàn)有規(guī)范的物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）實(shí)現(xiàn)無線通信，具有超低功耗、高靈敏度、出眾的抗噪聲及抗干擾能力，同時(shí)其采用DSSS頻譜傳輸，自動(dòng)調(diào)頻，防沖突，防碰撞，提高了傳輸可靠性。另外，CC2430還包括許多強(qiáng)大的外設(shè)，如DMA、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗定時(shí)器、AES-128協(xié)處理器、8～14位ADC、上電復(fù)位電路等。同時(shí)功耗很低，在待機(jī)狀態(tài)下工作電流僅為0.2 μA，在接收機(jī)傳輸模式下的電流損耗分別為27 mA和25 mA。

測試端CC2430模塊尺寸為34 mm×18 mm，共引出24條外接線，包括21個(gè)可編程I/O和8～14位ADC等。經(jīng)過濾波器之后的電壓輸出到模塊的P0_7管腳，同時(shí)從P1_0管腳引出一個(gè)I/O端口連接發(fā)光二極管用以指示無線網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)。

3.4 測試端系統(tǒng)集成

由于測試端裝置將戴在用戶手腕上，所以不宜過大過重，本文設(shè)計(jì)的脈搏采集裝置像手表那樣可以非常方便地使用。其尺寸為58 mm×35 mm×15 mm，同時(shí)選擇尺寸為20 mm×3.2 mm的鋰紐扣電池為測試端系統(tǒng)提供所需電能。將傳感器放置于表形裝置底部并露出接觸面，將CC2430模塊安插于濾波器電路之上，由于空間有限，我們將紐扣電池放置于CC2430模塊與底層印制板之間，利用他們的夾縫自然固定，整個(gè)測試端系統(tǒng)集成過程如圖6所示。

圖6 脈搏傳感器探測裝置俯視圖、后視圖和配戴圖

3.5 DSP與CC2430接收端的連接

本文使用開發(fā)板上提供的SPI接口實(shí)現(xiàn)DSP與CC2430接收端模塊的數(shù)據(jù)通信。CC2430模塊通過SPI將來自發(fā)送端的數(shù)據(jù)傳輸至DSP中進(jìn)行下一步處理。硬件實(shí)物接口如圖7所示。

圖7 硬件實(shí)物圖

4 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

整個(gè)輔助診斷系統(tǒng)軟件由帶有無線射頻模塊的信息處理終端和脈搏傳感器測試節(jié)點(diǎn)兩部分組成，脈搏傳感器測試節(jié)點(diǎn)將被測對象的脈搏信號(hào)經(jīng)過一些預(yù)處理后，通過無線傳輸?shù)姆绞?，傳輸?shù)叫畔⑻幚斫K端，信息處理終端中的無線射頻模塊將接受到的信息通過SPI協(xié)議傳給基于DSP的信息處理終端。信息處理終端通過按鍵和LCD提供良好的人機(jī)交互界面，整體結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)框圖

4.1 特征量K值提取算法

要得到特征量K值，首先應(yīng)根據(jù)圖2提取脈搏信號(hào)的主波、潮波、周期；再根據(jù)公式（1）計(jì)算特征量K值。脈搏信號(hào)的主波、潮波、周期實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1） 記脈搏信號(hào)為x（t） ，找到x（t）的最大值m；

（2） 用最大值m減去某值a，記b=m-a為門限，進(jìn)行脈搏信號(hào)的門限處理，將x（t） 中高于b的值置為1，否則置為0，結(jié)果記為y（t） ；

（3） 對y（t）求差分，結(jié)果為1的點(diǎn)對應(yīng)脈搏信號(hào)的升支，結(jié)果為-1的點(diǎn)對應(yīng)脈搏信號(hào)的降支，在每相鄰的兩個(gè)升值之間找到最大值max和最小值min，max即為脈搏信號(hào)主波波峰位置，min即為脈搏信號(hào)始射點(diǎn)位置；

（4） 在最大值max和最小值min之間尋找最大值，靠近主波的點(diǎn)為潮波波峰所在點(diǎn)。

4.2 脈搏傳感器軟件流程

軟件系統(tǒng)用于完成1次測試流程的脈搏傳感器測試節(jié)點(diǎn)軟件流程圖和CC2430模塊接收端的軟件流程如圖9所示。

4.3 DSP處理器軟件流程

DSP負(fù)責(zé)用戶圖形界面的顯示和人機(jī)交互的設(shè)計(jì)，其信息處理流程如圖10所示，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了脈搏波形顯示、聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入系統(tǒng)的用戶數(shù)目、當(dāng)前使用的用戶、脈搏數(shù)、K值結(jié)果以及輔助診斷結(jié)果的用戶圖形顯示界面；通過1～6這6個(gè)鍵盤按鍵的人機(jī)交互界面分別是用戶切換、開始、暫停、K值計(jì)算、脈搏數(shù)計(jì)算、輔助診斷。

圖10 DSP信息處理終端的軟件流程圖

5 系統(tǒng)測試

使一個(gè)用戶連接進(jìn)入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)使用人機(jī)交互功能的鍵盤按鍵實(shí)現(xiàn)各種操作和結(jié)果顯示，其測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 測試結(jié)果

其中用戶數(shù)目2表示系統(tǒng)中有2個(gè)用戶在檢測，用戶1表示正在測試的用戶是1號(hào)用戶，脈搏數(shù)為73，K值為0.32，同時(shí)被測試人為健康年輕人，系統(tǒng)的輔助診斷結(jié)果符合實(shí)際。同時(shí)用戶還可以根據(jù)自己的脈搏波形對比表2得出自己的脈象以及主病等信息。比如，此次測得的脈搏圖像與表2中的平脈十分相符，對比主病可以知道自己的脈搏正常，也與實(shí)際相符。

當(dāng)一個(gè)用戶測試完成后，可按下用戶切換按鍵以切換到另一個(gè)用戶對其進(jìn)行脈搏測試。

6 結(jié) 語

本文實(shí)現(xiàn)通過脈搏傳感器采集人體脈搏波形信息的目的，經(jīng)2.4 GHz ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至接收端，最后通過BF533 EZ-KIT板實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和用戶圖形界面顯示，得到用戶的健康狀態(tài)并最終給出輔助診斷的結(jié)論。本系統(tǒng)不僅能對單個(gè)用戶進(jìn)行測試，而且還可以使用在諸如醫(yī)院、養(yǎng)老院等人多的場合以供多人同時(shí)使用。此時(shí)可以在上位機(jī)等進(jìn)行進(jìn)一步的分析和操作。

通過實(shí)際測試，本系統(tǒng)測試結(jié)論理想并符合實(shí)際情況，在人們越來越關(guān)心自身健康狀況的今天，依靠測量自己的脈搏波形和輔助診斷得出自己的健康狀況，將有巨大的實(shí)用價(jià)值和商業(yè)前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 季鑫源.脈搏波形采集與輔助診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2009，13（4）：655-658.

[2] 郭世富，馬樹元，吳平東，等.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的脈搏信號(hào)測試系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2007，24（4）：258-260.

[3] 羅志昌，張松，楊文鳴，等.脈搏波波形特征信息的研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，22（1）：71-79.

[4] 行鴻彥，許瑞慶，王長松.基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的脈搏信號(hào)特征研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)， 2009，30（3）：596-602.

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

[6] 陳峰.Blackfin系列DSP原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[7] 高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.