人體生理信息監(jiān)測儀

張鑫玉

摘要：在維護人體生命健康的過程中，心率、血壓、心音信號等生理信息的采集測量是保證人體生命健康的關鍵技術之一。本文針對人體生理信息監(jiān)測的需要，設計了一種人體生理信息監(jiān)測儀。本文介紹了振動傳感器、壓電傳感器、壓力傳感器，論述了監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構及工作原理，詳細設計了監(jiān)測方案，并分析了監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。人體生理信息監(jiān)測儀由振動傳感器、壓電傳感器、壓力傳感器、傳感信號檢測電路、報警電路、放大濾波、信號處理及顯示電路和系統(tǒng)軟件等構成。本文設計的人體生理信息監(jiān)測儀對人體生命健康，提高生活質(zhì)量能起到關鍵作用。

關鍵詞：振動傳感器;壓電傳感器;壓力傳感器;生理信息監(jiān)測;檢測電路

一、設計背景

1.1 人體生理信息監(jiān)測儀設計背景

近年來社會快速發(fā)展，競爭、壓力與日俱增，加上老齡化愈加嚴重，老中青三代都有部分人的身體健康狀況受到威脅，因此自主性的健康管理越來越受重視。人體生理信息常被指為血壓、心率、心音信號等，當這些生理信息有所變異時，往往代表人體出現(xiàn)異狀，需進一步檢查。本人體生理信息監(jiān)測儀將針對血壓、心率、心音信號進行監(jiān)測，讓使用者更了解自身生理變化，用于個人健康管理。

1.1.1 人體生理信息監(jiān)測儀概況

人體生理信息監(jiān)測儀分為血壓測量、心率測量、心音信號測量三個模塊，主要通過無創(chuàng)的方法來測量人體血壓、心率、心音信號等生理信息，由振動傳感器、壓電傳感器、壓力傳感器、傳感信號檢測電路、放大濾波、信號處理及顯示電路和系統(tǒng)軟件等構成。

1.1.2 人體生理信息監(jiān)測儀的意義

血壓、心率、心音信號等生理信息都是主要的人體生理信息。人體生理信息是生命的象征，一旦停止，生命也就終止。測量人體生理信息技術就是應用現(xiàn)代科學技術研究各類人體生理信息，通過無創(chuàng)的方法獲得各種信息，加以分析、綜合和研究，服務于臨床。人體不同的生理信息，可以反映相應部位的身體變化，是臨床診斷的重要參考信息。例如，血壓可以判斷心臟功能與外周血管阻力，也是診斷疾病、觀察病情變化與判斷治療效果的一項重要內(nèi)容;通過測量心率，可以判斷是否有心臟方面的疾病;通過測量心音信號，有助于診斷心臟血管病，觀察病情、推斷疾病發(fā)生的病理生理，選擇治療方法，估計預后等。在臨床健康觀察和疾病診斷中十分重要，從生命信息的科學的角度也具有重要的研究價值。

1.2 應用場合分析

本設計屬于便攜式的人體生理信息監(jiān)測儀，可應用于社區(qū)醫(yī)院、衛(wèi)生院、衛(wèi)生所、個人家庭等場所。便攜式的人體生理信息監(jiān)測儀的測量快速便捷，使用簡單方便，但是測量的數(shù)據(jù)結(jié)果不夠精準，適用于大型三甲醫(yī)院不太合格，不能為醫(yī)生的臨床診斷提供精準的參考數(shù)據(jù)。但是應用于社區(qū)醫(yī)院、衛(wèi)生院、衛(wèi)生所、個人家庭中，還是很好的，主要起到預防保健的作用。

1.3 應用需求分析

近年來，社會快速發(fā)展，競爭和壓力越來越大，繁忙的工作、社會和家庭的壓力導致部分中年人和青年人都有著嚴重的健康問題，而隨著老齡化日益嚴重，老年人的健康問題同樣受到重點關注。新聞中偶爾會出現(xiàn)某某大學學生期末復習自習室內(nèi)猝死，某某公司員工深夜加班在工位上猝死等信息。本人體生理信息監(jiān)測儀可在使用者生理信息有所異常時，發(fā)出警示，引起使用者重視，對個人的健康進行管理，可有效預防悲劇的發(fā)生。本人體信息生理信息監(jiān)測儀的功能可滿足使用者的日常需求且操作簡單便捷，可以滿足市場及個人使用者的應用需求。

二、設計方案

2.1 人體生理信息監(jiān)測儀技術要求

實現(xiàn)心音信號測量，本設計采用振動傳感器，由振動傳感器將振動的心音信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，設計心音采集電路時應考慮心音和心雜音強弱相差較懸殊，心音圖要有較大的動態(tài)范圍;心音的高頻振幅小，低頻振幅大，要有較高的高頻增益。

實現(xiàn)血壓測量，本設計采用壓力傳感器，使用貯氣袖帶將血液對動脈壁的壓力固定在皮膚表面，傳遞給壓力傳感器;血壓的讀數(shù)隨傳感器的部位和高度而變，不在測量位置水平高度的讀數(shù)應補上以測量位置為基準的相應讀數(shù)。

實現(xiàn)心率測量，本設計采用壓電傳感器將人體脈搏通過壓電陶瓷片轉(zhuǎn)換為可處理的電信號，經(jīng)高阻輸入級隔離和電壓放大級放大后將信號送入帶通濾波器濾除噪聲及高次諧波，經(jīng)集成運放放大和觸發(fā)器整形后進行處理。

2.2 常用技術方案對比分析

2.2.1 常用技術方案

血壓測量模塊：

方案一：傳感器置于體外的有創(chuàng)測量

該測量方法是將帶有沖洗裝置的壓力傳感器的前端導管插入感應部位，導管通過歸零調(diào)節(jié)閥與壓力傳感器相接，傳感器后端分為兩支，一支通過滾動夾鉗連接壓力驅(qū)動的沖洗液，另一支連接電插頭通過電纜與放大器相接，再連接信號處理器進行信號處理，通過微型計算機計算后，進行記錄顯示。

方案二：傳感器置于體內(nèi)的有創(chuàng)測量

該測量方法是將光纖壓力傳感器直接放入血管內(nèi)進行測量，光纖壓力傳感器由光電探測器、LED光源、混合纖維束、光導纖維、薄金屬膜組成，通過導管與體外連接，導管依次連接三通閥、沖洗裝置、氣塞、壓力傳感器，壓力傳感器通過電纜與放大器相接，再連接信號處理器進行信號處理，通過微型計算機計算后，進行記錄顯示。

方案三：傳感器置于體外的無創(chuàng)血壓測量

該測量方法是將可充氣放氣的袖帶（固定壓力）套入胳膊，下端放有壓力傳感器，血液對動脈壁的壓力傳遞至放置在皮膚表面的壓力傳感器，傳感器通過電纜與放大器相接，再連接信號處理器進行信號處理，通過微型計算機計算后，進行記錄顯示。

心率測量模塊：

方案一：壓電傳感器置于體外進行無創(chuàng)心率測量

該測量方法是將人體的脈搏通過壓電陶瓷片轉(zhuǎn)換為可處理的電信號，經(jīng)高阻輸入級隔離和電壓放大器放大后將信號送入帶通濾波器消除噪聲及高次諧波，經(jīng)集成運放放大和信號處理器進行信號處理，通過微型計算機計算后，進行記錄顯示。壓電傳感器的基本原理是利用壓電材料的壓電效應。

心音信號測量模塊：

方案一：通過空氣傳導式心音傳感器測量心音信號

空氣傳導式心音傳感器是利用心臟搏動時通過胸壁傳遞出的心音波再經(jīng)空氣傳遞到傳感器的敏感振動膜上，這個振動膜與換能器相連，當空氣振動時膜片就發(fā)生振動，從而帶動換能元件并使其產(chǎn)生與心音強度成比例的輸出信號。再通過信號處理器進行信號處理，通過微型計算機計算后，進行記錄顯示。空氣傳導的心音傳感器可采用電磁感應式、壓電式和電容式等原理制成。

方案二：通過接觸傳導式心音傳感器測量心音信號

接觸傳導的心音傳感器是將胸壁傳出來的心音波動信號直接通過敏感元件傳遞到換能元件上，產(chǎn)生與心音強度成比例的輸出信號。再通過信號處理器進行信號處理，通過微型計算機計算后，進行記錄顯示。

2.2.2 方案比較選擇

血壓測量模塊：

傳感器置于體外的有創(chuàng)測量、傳感器置于體內(nèi)的有創(chuàng)測量兩個方案都屬于侵入性測量，測量的過程與傳感器置于體外的無創(chuàng)血壓測量的方案相比較為復雜，測量結(jié)果與傳感器置于體外的無創(chuàng)血壓測量的方案相比較為精確，但是攜帶不便，操作復雜。傳感器置于體外的無創(chuàng)血壓測量的方案，攜帶便捷、操作簡單快捷、測量結(jié)果也很精確。因此選擇傳感器置于體外的無創(chuàng)血壓測量的方案。

心率測量模塊：

直接選擇壓電傳感器置于體外進行無創(chuàng)心率測量的方案。

心音信號測量模塊：

接觸傳導的心電傳感器不采用空氣作為傳遞心音信號的媒介，因此抵抗外界聲波干擾的能力比空氣傳導的心音傳感器要好的多，由于接觸傳導的心音傳感器是通過敏感元件直接接受心音的波動信號，因此傳遞和轉(zhuǎn)換心音信號能量的效率也比空氣傳導的心音傳感器高得多，為傳感器小型化提供了可能。因此選擇通過接觸傳導式心音傳感器測量心音信號的方案。

三、設計內(nèi)容

3.1 人體生理信息監(jiān)測儀結(jié)構及原理

血壓測量原理：

血液對動脈壁的壓力傳遞至放置在皮膚表面的壓力傳感器，傳感器通過電纜與放大器相接，再連接信號處理器進行信號處理，通過微型計算機計算后，即可得到血壓。

心率測量原理：

壓電傳感器的基本原理是利用壓電材料的壓電效應，一定的壓力作用會使壓電材料石英晶體的兩個極板間產(chǎn)生一定的電壓。沿石英晶體電軸方向施加作用力Fx時，在與電軸垂直的表面上將產(chǎn)生電荷：qx=d11*Fx，式中，d11=2.31×10-12C/N，為石英晶體電軸方向受力壓電系數(shù)。壓電傳感器相當于一個以壓電材料為介質(zhì)的電容器：C=εA/h， 式中，A為極板面積（m2），h為壓電體厚度（m），ε為壓電材料介電常數(shù)（F/m）。

采用石英晶體為壓電材料，其相對介電常數(shù)為εr，而標準介電常數(shù)為ε0，則石英晶體的介電常數(shù)為ε=εr·ε0。設壓電體兩極板間（沿電軸方向）承受一個大氣壓的壓力，則與電軸垂直的表面產(chǎn)生電荷qx=d11*Fx=2.31×10-12×9.8×A，兩極板間產(chǎn)生電壓Ux=qx/C。壓電陶瓷片產(chǎn)生的電壓很小，因此在電壓信號送至后級電路處理前必須經(jīng)高阻輸入級以盡量減少電荷泄放，確保獲取電壓信號的準確性。由于運算放大器通常具有極高的輸入阻抗，采用運放實現(xiàn)高阻輸入級據(jù)后級電路處理要求，要放大采集的電壓信號。為濾除電壓信號中的噪聲信號，便于后級數(shù)字電路處理獲得的信號，后端電路采用20～200Hz的帶通濾波器進一步處理信號，經(jīng)觸發(fā)器整形后再送入微型計算機中，即可得到心率。

心音信號測量原理：

胸壁傳出來的心音波動信號直接通過敏感元件傳遞到換能元件上，產(chǎn)生與心音強度成比例的輸出信號。再通過信號處理器進行信號處理，通過微型計算機計算，即可得到心音。

3.2 傳感器的選擇

振動傳感器是用于將機械量接收下來，并轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量的機電轉(zhuǎn)換裝置，在本設計心音信號測量模塊中主要用于將采集到的心音信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。

壓電傳感器是一種基于壓電效應，用于測量力和能變換為電的非電物理量的裝置，在本設計心率測量模塊中主要利用壓電效應將采集到的心率信號通過壓電材料轉(zhuǎn)換成電壓信號。

壓力傳感器是能感受壓力信號，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號的裝置，在本設計血壓測量模塊中主要用來將接收到的血液對血管的側(cè)壓力信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。

3.3誤差分析及解決

3.3.1 人體生理信息監(jiān)測儀定性分析

本人體生理信息監(jiān)測儀是便攜式的人體生理信息監(jiān)測儀，特點是易攜帶、操作簡單便捷、測量快捷，三個測量模塊均采用的是間接測量。間接測量會出現(xiàn)一些不可避免的誤差，會受到外部環(huán)境、人體的姿態(tài)、測量裝置準確性的影響。

3.3.2 誤差產(chǎn)生原因

在血壓測量模塊，手臂放入貯氣袖帶中，測量過程中出現(xiàn)的運動軌跡與引入系統(tǒng)的振動形式有關：如握拳、手臂彎曲和移動及身體的移動、換氣過度、觸摸手臂（相當于壓力效應）都會改變讀數(shù)，導致測量誤差。

在心率測量模塊，壓電陶瓷片的靈敏度、外部環(huán)境的噪聲、測量裝置的準確性、人體的測量姿態(tài)都會導致測量誤差。

在心音信號測量模塊，敏感元件的靈敏度、外部聲波的干擾、測量裝置的準確性、人體的測量姿態(tài)都會導致測量誤差。

3.3.3誤差解決辦法分析

制作人體生理信息監(jiān)測儀時選擇靈敏度高的敏感元件，選擇準確性高的測量裝置。在測量過程中，使用者應選擇正確的測量姿勢，保持肢體自然放置，心態(tài)平和，杜絕不規(guī)范的小動作，選擇在安靜的場所進行測量。

四、結(jié)論

本人體生理信息監(jiān)測儀運用傳感器、電路、計算機等相關知識設計，可有效監(jiān)測人體血壓、心率、心音信號的變化，當監(jiān)測到使用者的生理信息出現(xiàn)了異常變化，可向使用者發(fā)出警示，屬于便攜式人體生理信息監(jiān)測儀，具有操作簡單便捷，測量準確迅速的特點。

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