一種測(cè)量人體脈搏波的方法、裝置及系統(tǒng)

劉 琳，王彩霞，田楊萌，張瀟藝，崔麗蘭

（北京信息科技大學(xué) 理學(xué)院，北京 100192）

0 引 言

近年來(lái)，隨著醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)醫(yī)用的脈搏測(cè)量?jī)x要求越來(lái)越高。脈搏是人體的動(dòng)脈搏動(dòng)，脈搏次數(shù)在一定程度上反映了人體的生理健康狀況。人體脈率和脈搏波的測(cè)量是衡量人體是否健康和進(jìn)行病理分析的重要數(shù)據(jù)。但是脈診的定性化和主觀性影響了脈象判斷的科學(xué)性[1]。準(zhǔn)確監(jiān)控脈搏、心音、血壓、心電等生理信號(hào)可以有效獲得心血管系統(tǒng)的健康狀況。同時(shí)，人們也試圖根據(jù)脈搏波的變異性來(lái)評(píng)價(jià)和診斷人體心血管系統(tǒng)的病變[2]。

目前，脈搏測(cè)量主要有壓電式、壓阻式、光電式等方式[3]。其中，壓電式和壓阻式是通過(guò)壓電片、電橋等微壓力型材料將脈搏轉(zhuǎn)化為信號(hào)輸出；光電式則通過(guò)反射或?qū)ι浞绞?，將血管中脈搏跳動(dòng)過(guò)程中透光率的變化轉(zhuǎn)換為信號(hào)輸出，但光電式脈搏測(cè)量方法在測(cè)量時(shí)要求有較強(qiáng)的光強(qiáng)且光強(qiáng)可調(diào)，點(diǎn)光源光強(qiáng)隨距離平方衰減，因此操作難度大。

隨著對(duì)脈搏測(cè)量設(shè)備精度要求的不斷提高，當(dāng)前所使用的脈搏傳感器在靈敏度、信噪比、功耗及成本等方面依然面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前大量的研究工作聚焦于尋求功耗與靈敏度之間的平衡?，F(xiàn)有技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前對(duì)脈搏測(cè)量設(shè)備的精度要求[4]。如何設(shè)計(jì)一種精確測(cè)量人體脈搏波的方法成為本領(lǐng)域技術(shù)人員研究的重點(diǎn)。

隨著激光技術(shù)和IC的飛速發(fā)展，莫爾條紋技術(shù)發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于計(jì)量測(cè)試部門(mén)、航天航空領(lǐng)域、科研教育行業(yè)等。該項(xiàng)技術(shù)主要用于微小位移（長(zhǎng)度、角度）測(cè)量、運(yùn)動(dòng)比較（兩個(gè)相關(guān)運(yùn)動(dòng)部件的關(guān)系）以及莫爾偏析法等。使用光柵檢測(cè)裝置進(jìn)行線性位移的測(cè)量，包括位于同一軸線上的發(fā)光裝置、透鏡、長(zhǎng)光柵、指示光柵以及硅光電池[5]。莫爾條紋技術(shù)具有高分辨率和高精度等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量、自動(dòng)測(cè)量及數(shù)字顯示，抗干擾能力較強(qiáng)，測(cè)量速度較快。目前利用莫爾條紋技術(shù)的測(cè)量精度已超微米級(jí)，是位移測(cè)量領(lǐng)域各工業(yè)化國(guó)家具有強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)性的關(guān)鍵技術(shù)。

本文利用莫爾條紋原理，通過(guò)平面連桿機(jī)構(gòu)將脈搏跳動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為方便測(cè)量的脈搏位移信號(hào)并將其傳輸?shù)叫盘?hào)數(shù)字化處理裝置，最終傳輸?shù)筋A(yù)設(shè)的顯示電路進(jìn)行數(shù)字化顯示。本設(shè)計(jì)方法利用莫爾條紋原理對(duì)微小的脈搏振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行有效放大，并將脈搏波的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，使脈搏測(cè)量具有極高的靈敏度和準(zhǔn)確度。

1 莫爾條紋原理

莫爾條紋是光柵位移精密測(cè)量的基礎(chǔ)[6]。光柵的刻線相交處形成亮帶，而在一塊光柵的刻線與另一塊光柵的縫隙相交處形成暗帶，與光柵刻線垂直的方向?qū)⒊霈F(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋就是莫爾條紋[7]。形成莫爾條紋的原理如圖1所示。若將兩塊光柵（指示光柵1、主光柵2）疊合，中間留有適當(dāng)?shù)奈⑿￠g隙并使兩塊光柵刻線之間成微小θ度，則在a線上，兩只光柵柵線彼此錯(cuò)開(kāi)，光線從縫隙中透過(guò)形成亮帶，其中透光部分由菱形圖案形成；在b線上，兩只光柵柵線相互交疊，相互遮擋縫隙，光線不能透過(guò)從而形成暗帶。從技術(shù)角度上說(shuō)，莫爾條紋是2條或者2個(gè)物體之間以恒定角度和頻率發(fā)生干涉的視覺(jué)結(jié)果[8]

圖1 莫爾條紋原理示意圖

莫爾條紋特性有位移放大作用。當(dāng)兩光柵沿垂直于刻線方向相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿刻線方向移動(dòng)，光柵左右移動(dòng)ω距（柵距），莫爾條紋上下移動(dòng)間距B。相鄰兩條莫爾條紋間距B與ω距及兩光柵θ角的關(guān)系為：

由公式B=ω/θ可知，間距B由ω距和2個(gè)光柵間的θ角決定。此時(shí)，當(dāng)θ很小時(shí)，B遠(yuǎn)大于ω，將條紋間距與光柵間距之比稱(chēng)為莫爾條紋的放大倍數(shù)。令放大系數(shù)為k，則有：

只要對(duì)莫爾條紋的移動(dòng)量和方向進(jìn)行測(cè)定，就可確定主光柵的移動(dòng)量及方向。一般情況下θ很小，所以放大系數(shù)k較大，如θ角為0.1°，k約為573。盡管光柵ω距很小，主光柵移動(dòng)量很小，但通過(guò)莫爾條紋的放大作用亦清晰可辨。對(duì)于100線/mm的光柵，柵距為0.01 mm，當(dāng)夾角為0.06°時(shí)，莫爾條紋間距B可達(dá)10 mm（放大了1 000倍）。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)方案

本文基于莫爾條紋原理設(shè)計(jì)的測(cè)量人體脈搏波的系統(tǒng)主要包括連桿裝置、光柵檢測(cè)裝置、信號(hào)數(shù)字化處理裝置、處理模塊、脈搏信號(hào)傳輸裝置、LED顯示裝置以及供電裝置，如圖2所示。

圖2 測(cè)量人體脈搏波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案示意圖

信號(hào)采集單元。第一信號(hào)采集單元：平面連桿機(jī)構(gòu)采集脈搏跳動(dòng)信號(hào)并轉(zhuǎn)變脈搏跳動(dòng)信號(hào)的方向，使信號(hào)易于測(cè)量。第二信號(hào)采集單元：轉(zhuǎn)變方向后的脈搏信號(hào)會(huì)觸發(fā)光柵檢測(cè)裝置使其產(chǎn)生的莫爾條紋發(fā)生相應(yīng)的位移變化，對(duì)其進(jìn)行精密測(cè)量計(jì)算即可獲得相應(yīng)的脈搏位移信號(hào)。

信號(hào)數(shù)字化單元。利用放大電路對(duì)脈搏位移信號(hào)進(jìn)行放大處理并濾波，然后傳輸?shù)叫盘?hào)數(shù)字化處理裝置，獲得相應(yīng)的脈搏跳動(dòng)數(shù)字信號(hào)。數(shù)字化處理裝置用于對(duì)脈搏位移信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后輸出脈搏跳動(dòng)數(shù)字信號(hào)。

信號(hào)處理及傳輸單元。該單元用于對(duì)脈搏跳動(dòng)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理，并輸出相應(yīng)的目標(biāo)脈搏數(shù)據(jù)，將目標(biāo)脈搏數(shù)據(jù)傳輸?shù)筋A(yù)設(shè)的顯示電路。

信號(hào)顯示單元。LED顯示裝置用于接收傳輸?shù)哪繕?biāo)脈搏數(shù)據(jù)并顯示。

供電裝置。供電裝置為連桿裝置、光柵檢測(cè)裝置、信號(hào)數(shù)字化處理裝置、處理模塊以及LED顯示裝置供電。

通過(guò)LED顯示脈搏跳動(dòng)頻率、脈搏波形圖、脈搏跳動(dòng)正常指示數(shù)據(jù)或脈搏跳動(dòng)異常指示數(shù)據(jù)等。

信號(hào)數(shù)字化處理裝置和處理單元作為該系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊，在課題組現(xiàn)有的應(yīng)用中已經(jīng)有成熟的技術(shù)方法，這里不做詳細(xì)解釋。

2.2 平面連桿結(jié)構(gòu)

平面四連桿結(jié)構(gòu)由若干個(gè)剛性構(gòu)件通過(guò)低副（轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副）聯(lián)接，構(gòu)件上各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)平面均相互平行的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為平面低副機(jī)構(gòu)，如圖3所示[9]。低副具有壓強(qiáng)小、磨損輕、易于加工和幾何形狀能保證本身封閉等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 平面四連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

脈搏跳動(dòng)的方向垂直于皮膚表面，通過(guò)平面連桿機(jī)構(gòu)可將脈搏的運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為平行于皮膚表面的運(yùn)動(dòng)信號(hào)?；谄矫孢B桿機(jī)構(gòu)采集目標(biāo)對(duì)象產(chǎn)生的脈搏跳動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變方向后，可進(jìn)一步通過(guò)與所述平面連桿機(jī)構(gòu)連接的光柵檢測(cè)裝置采集運(yùn)動(dòng)信號(hào)。

本設(shè)計(jì)所用的平面四連桿機(jī)構(gòu)中，可將L2貼近皮膚，L3連架桿連接長(zhǎng)光柵，脈搏上下跳動(dòng)帶動(dòng)長(zhǎng)光柵左右移動(dòng)，使其產(chǎn)生位移，后續(xù)可進(jìn)行測(cè)量。

圖4中，L5即為長(zhǎng)光柵移動(dòng)的距離。

圖4 平面四連桿機(jī)構(gòu)幾何變化關(guān)系示意圖

進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度可靠性研究時(shí)必須考慮桿件在外力和慣性作用下的結(jié)構(gòu)[10]。而且還需要考慮脈搏跳動(dòng)循環(huán)的特征，可在平面四連桿機(jī)構(gòu)兩側(cè)添加輕質(zhì)且靈敏度高的彈性裝置（比如彈簧），用于實(shí)現(xiàn)平面四連桿機(jī)構(gòu)的自動(dòng)復(fù)位。

2.3 光柵檢測(cè)裝置

利用光柵檢測(cè)裝置的放大作用可以將長(zhǎng)光柵的微小移動(dòng)量ΔL1轉(zhuǎn)化為易測(cè)的莫爾條紋移動(dòng)量ΔS。

光柵檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。短光柵（指示光柵）固定不動(dòng)，長(zhǎng)光柵（主光柵）與移動(dòng)物體固緊，即與圖3中L3桿的中部相連，并與平面連桿機(jī)構(gòu)共面，兩計(jì)量光柵有幾微米到幾十微米的間隔。光柵檢測(cè)裝置的長(zhǎng)光柵和短光柵（示光柵）作用會(huì)產(chǎn)生明暗相間的莫爾條紋。脈搏振動(dòng)帶動(dòng)長(zhǎng)光柵移動(dòng)，光柵檢測(cè)裝置產(chǎn)生的莫爾條紋會(huì)發(fā)生相應(yīng)的位移變化ΔS。從光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直鏡后，以平行光照射光柵，光束經(jīng)過(guò)某組莫爾條紋后由硅光電池接收，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。長(zhǎng)光柵移動(dòng)ΔL1，莫爾條紋周期性變化，依靠光電方法可獲取相應(yīng)的莫爾條紋位移ΔS，硅光電池接收這一光信號(hào)的變化信息。

圖5 光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

在具體實(shí)施過(guò)程中，利用硅光電池進(jìn)行光電讀數(shù)通常不是針對(duì)某一點(diǎn)莫爾條紋進(jìn)行的，而是一定長(zhǎng)度內(nèi)對(duì)若干個(gè)相同的點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，這在很大程度上消除了局部以及周期誤差的影響，使檢測(cè)精度優(yōu)于計(jì)算光柵本身的刻線精度。

根據(jù)幾何關(guān)系可得脈搏跳動(dòng)位移量ΔL：

將公式（4）代入上式可得：

只需知道兩光柵夾角θ、平面連桿裝置中連架桿L3的長(zhǎng)度b，測(cè)出莫爾條紋的移動(dòng)量ΔS，即可得到脈搏跳動(dòng)的位移量 ΔL。

3 測(cè)量人體脈搏波裝置及實(shí)物結(jié)構(gòu)

整體裝置和實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖6所示。平面四連桿機(jī)構(gòu)位于整體的左側(cè)，光柵檢測(cè)裝置位于整體的右側(cè)，各組成部分位于同一軸線。從空間的角度看，平面四連桿結(jié)構(gòu)在XOZ平面，垂直于桌面（XOY面），本裝置其他部分均在XOY面放置。光柵檢測(cè)裝置中的長(zhǎng)光柵與平面四連桿機(jī)構(gòu)的連架桿相連接，如圖6所示。圖4中的連架桿L5連接光柵檢測(cè)裝置的長(zhǎng)光柵（長(zhǎng)光柵與平面連桿結(jié)構(gòu)共面），脈搏的上下跳動(dòng)可以帶動(dòng)光柵檢測(cè)裝置中的長(zhǎng)光柵左右移動(dòng)，使長(zhǎng)光柵產(chǎn)生位移，使莫爾條紋移動(dòng)，通過(guò)測(cè)量莫爾條紋的移動(dòng)量即可得到脈搏跳動(dòng)位移量，最后對(duì)脈搏和脈搏波進(jìn)行輸出、顯示。

圖6 測(cè)量人體脈搏波的振動(dòng)傳感器裝置結(jié)構(gòu)示意圖

需要說(shuō)明的是，在實(shí)施過(guò)程中需將位移信號(hào)通過(guò)放大電路進(jìn)行放大處理，但放大過(guò)程會(huì)產(chǎn)生其他信號(hào)的干擾，因此須對(duì)放大處理的信號(hào)進(jìn)行濾波，去除呼吸顫抖等干擾信號(hào)。在利用預(yù)設(shè)的放大電路對(duì)所述脈搏位移信號(hào)進(jìn)行放大處理后，須利用預(yù)設(shè)的濾波器對(duì)放大處理后的脈搏位移信號(hào)進(jìn)行濾波處理。選用的簡(jiǎn)單整系數(shù)帶阻濾波器濾波效果較好，能夠減少計(jì)算量，利于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理（濾波器是FIR結(jié)構(gòu)，具有嚴(yán)格的線性相位特性，只需較少的計(jì)算，且系數(shù)均為2的整次冪，因此可用簡(jiǎn)單的移位運(yùn)算代替乘法，用遞歸計(jì)算實(shí)現(xiàn)非遞歸的FIR濾波，進(jìn)一步減少計(jì)算量）。數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂颇K后進(jìn)行處理，得出數(shù)字信號(hào)，由顯示電路顯示。

本設(shè)計(jì)利用莫爾條紋原理進(jìn)行接觸式人體脈率和脈搏波的測(cè)量，對(duì)微小的脈搏振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，并將脈搏波的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，提高脈搏測(cè)量的靈敏度和準(zhǔn)確度。通過(guò)顯示電路對(duì)人體脈搏進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并以有線連接或無(wú)線連接方式遠(yuǎn)程監(jiān)控人體的實(shí)時(shí)脈率以及脈搏波形圖。

4 結(jié) 語(yǔ)

莫爾條紋技術(shù)已被應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，為測(cè)量人體脈搏提供了新的方法。采用此技術(shù)測(cè)量人體脈搏波的振動(dòng)傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度較高，達(dá)微米級(jí)以上。

人體脈搏的跳動(dòng)以及波形圖可以反映出一個(gè)人基本的健康狀況，所以準(zhǔn)確測(cè)量人體的脈搏對(duì)于人類(lèi)健康發(fā)展具有十分重要的意義。此測(cè)量裝置具有廣闊的應(yīng)用前景。