基于遠(yuǎn)程的便攜式脈象采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

孫中傲,趙建華,李 亞,白小艷,陳興文,劉 燕

(大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

0 引言

脈象從古代時(shí)就已經(jīng)被用作診斷人身體健康的標(biāo)準(zhǔn)，中醫(yī)可以根據(jù)探測的脈象，判斷人身體的健康與否。雖然到現(xiàn)代以后人們很少再以脈象來判斷身體健康情況，但觀測脈象依舊很重要，它可以反映出很多現(xiàn)代化檢測儀器所不能體現(xiàn)出的身體情況，治病于發(fā)病前。

傳統(tǒng)的中醫(yī)脈診效果完全由診療醫(yī)生的手指主觀感覺和經(jīng)驗(yàn)來決定，缺乏客觀和量化的標(biāo)準(zhǔn)，常常出現(xiàn)只可意會不可言傳的現(xiàn)象，往往在診斷時(shí)借助西醫(yī)的診療設(shè)備。同時(shí)我國目前各地醫(yī)療資源分布不均衡的問題依然存在，在很大程度上制約更多人享受到較高的醫(yī)療服務(wù)，基于遠(yuǎn)程醫(yī)療思維設(shè)計(jì)的脈象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以有效的解決優(yōu)質(zhì)資源匱乏問題，也為慢性病人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)護(hù)提供幫助[1]。

本系統(tǒng)是將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用于脈象采集裝置系統(tǒng)中，使脈象數(shù)據(jù)的傳輸由本地變?yōu)檫h(yuǎn)程、實(shí)時(shí)和可移動，可實(shí)現(xiàn)脈象信號的采集及脈象的顯示、無線傳輸和異常情況報(bào)警，適于家庭、遠(yuǎn)程醫(yī)療和監(jiān)護(hù)應(yīng)用，具有較好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

針對脈象信號具有信號弱且噪聲強(qiáng)、頻率低且能量集中、復(fù)雜易變且隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，提出了如圖1所示的系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖。

圖1 系統(tǒng)總體功能框圖

1.1 脈象傳感器選型

脈象傳感器是用來采集人體橈動脈寸、關(guān)、尺三個(gè)部位的脈信號。它是獲得人體生理信息的感知器，采集的準(zhǔn)確與否將直接影響采集數(shù)據(jù)的分析，也直接決定系統(tǒng)的可信度和可靠性?？梢哉f，脈象傳感器的選擇是脈象采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的最為重要的一環(huán)。要完成一個(gè)性能優(yōu)良的脈象采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其傳感器的合理選擇起著至關(guān)重要的作用。

本系統(tǒng)選用PVDF壓電薄膜傳感器，其采用高分子壓電材料制作，具有很好的柔韌性和皮膚表面貼合性，可以根據(jù)脈象測量的需求來設(shè)計(jì)成任意形狀。另外其表面產(chǎn)生的電荷量與外部壓力成正比，可將脈搏壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，其靈敏度高、穩(wěn)定性好、成本低，頻響可以滿足人體脈搏的頻率范圍(0.2～40 Hz) 。

1.2 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)思路

由于人體脈象信號微弱并易于變化波動，而且極易受外界環(huán)境干擾噪聲影響[2]。當(dāng)信號從脈象傳感器輸出后，必須經(jīng)過濾波和噪聲抑制信號調(diào)理電路，否則單片機(jī)無法獲取傳感器采集和檢測到的微弱信號。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的調(diào)理電路包括前置電荷放大器和放大濾波電路設(shè)計(jì)。其中前置電荷放大器可以將PVDF壓電薄膜傳感器表面產(chǎn)生的電荷量轉(zhuǎn)化并放大為電壓信號；放大濾波電路是對前置電荷放大器輸出信號進(jìn)行進(jìn)一步的放大和濾波處理，濾波主要將信號頻率范圍限制在40Hz以內(nèi)，并對50 Hz工頻信號陷波。具體設(shè)計(jì)見后面所述。

1.3 控制器與通信模塊選型

系統(tǒng)選用STM32F103作為系統(tǒng)的控制器單片機(jī)，具有64KB的SRAM和256KB的Flash存儲器，其自身擁有的I/O口、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog digital converter，ADC)、定時(shí)器、串行通信(USART)接口和中斷等資源，無需外擴(kuò)即可滿足系統(tǒng)需求。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信選用HC-22型Wi-Fi模塊，其為UART接口的嵌入式模塊，只需將單片機(jī)串口接上Wi-Fi模塊，這樣采集系統(tǒng)就可直接接入無線通信網(wǎng)。通信部分架構(gòu)如圖2所示。

圖2系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信部分架構(gòu)

2 硬件電路具體設(shè)計(jì)

2.1 微控制器模塊

微控制器模塊采用STM32單片機(jī)，其中包括復(fù)位電路、晶振電路、電源電路、程序下載電路、WIFI模塊接口。另外由于STM32中自帶A/D轉(zhuǎn)換器，只需要通過相關(guān)的函數(shù)配置選擇MCU相應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器即可。前面已經(jīng)介紹脈象電信號的最高頻率為40 Hz，根據(jù)奈奎斯特定理可知，信號采樣頻率至少為最高頻率的2倍才能保證不失真，但其實(shí)按照2倍的采集頻率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了保證采集的信號與實(shí)際信號更加接近，這里信號采樣頻率設(shè)為1 000 Hz，這樣可較好地對脈象信號進(jìn)行再現(xiàn)。

2.2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.2.1 電荷放大電路設(shè)計(jì)

電荷放大電路目的是實(shí)現(xiàn)電荷信號可轉(zhuǎn)化并放大為電壓信號的作用。為了有效消除或降低傳感器本身電容值和電纜長度對前置放大器輸出的影響，其輸出電壓與1/C3成正比，同時(shí)電阻R2與反饋電容器C3構(gòu)成一個(gè)一階高通濾波器。其下限截止頻率約為0.1 Hz。具體電路如圖3所示。

圖3 電荷放大電路

2.2.2 放大濾波電路設(shè)計(jì)

這部分電路的主要作用是對前置電荷放大器的輸出信號進(jìn)一步地放大和濾波處理。電路包括40 Hz二階巴特沃斯低通濾波器、二級電壓放大電路和50 Hz二階巴特沃斯工頻陷波器串聯(lián)組成。具體電路如圖4所示。

圖4 放大濾波電路設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 軟件流程圖設(shè)計(jì)

脈象信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集進(jìn)入單片機(jī)后，主要進(jìn)行脈率、主波幅度、脈動周期的計(jì)算，并且將得到的結(jié)果和脈象信號在本地端顯示[3,4],同時(shí),這些參數(shù)通過串口轉(zhuǎn)Wi-Fi模塊，將數(shù)字化的信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)測試選取不同的樣本對系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測試。利用STM32單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行脈象信號的數(shù)字化處理，A/D轉(zhuǎn)換之后利用Wi-Fi通信模塊將數(shù)字信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)程PC機(jī)上，得到的脈象信號如圖5所示。由于系統(tǒng)中外掛了集成的血氧飽和度傳感器模塊，在這里也顯示血氧飽和度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用。

圖5 遠(yuǎn)程終端顯示的數(shù)字脈象信號

4 結(jié)束語

該脈象采集系統(tǒng)以PVDF壓電薄膜作為脈象傳感器，用STM32單片機(jī)和HC-22Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線傳輸，具有成本低、體積小、功耗低的特點(diǎn)。測試結(jié)果表明:系統(tǒng)可以穩(wěn)定且準(zhǔn)確地采集脈象信號。用戶可以在本地和遠(yuǎn)程看到顯示的脈搏波形、脈率，可實(shí)現(xiàn)異常情況報(bào)警，適合家庭慢性病人的監(jiān)護(hù)，同時(shí)適用于遠(yuǎn)程多方專家同時(shí)會診，可使患者的病情得到有效、準(zhǔn)確的診斷。