便攜式人體脈搏波形測量儀設(shè)計與實現(xiàn)*

蔣 維,乜國荃

(青海民族大學 物理與電子信息工程學院，青海 西寧810007)

在心臟的驅(qū)動下血液在人體血管中流動而形成脈搏，所以它不僅受到心臟狀況的影響,同時要受到其他內(nèi)臟參數(shù)的影響，因此，脈搏信息能反映人體內(nèi)臟器官健康狀況。中醫(yī)脈診就是通過施以輕重不同的壓力，用其三指通過對腕部橈動脈處被稱之為“寸、關(guān)、尺”部位的脈搏的感覺來診斷病人內(nèi)部器官的病變和健康狀況的[1]。不同年齡、不同性別、不同疾病的人的脈搏波形是不一樣的。這就是中醫(yī)診脈看病的出發(fā)點。而診脈技巧不是容易掌握的，不僅需要名醫(yī)的指導傳授更需要長時間的摸索積累。隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學的發(fā)展，完全可以借助儀器儀表獲取脈搏信息，如脈象儀，這種儀器功能強大不僅能精確繪制脈搏波形，同時能進行頻譜分析，但不論從體積還是價格都無法在家庭使用，因此應設(shè)法設(shè)計家用便攜式脈搏測試系統(tǒng)，目前有的便攜式脈搏測試系統(tǒng)只能測脈搏次數(shù)，如歐姆龍電子血壓脈搏測試儀，有的用的是采集終端，數(shù)據(jù)處理、繪圖均由基于PC機的LabVIEW完成[2]，不夠方便。也有的脈搏測試系統(tǒng)是基于單片機的，由于本身位數(shù)的限制其速度和精度都不高[3-4]。 國外對脈搏信息的提取也做了很多研究[5-7]，但大多數(shù)仍復雜不夠方便。本文用32位的ARM微控制器設(shè)計并實現(xiàn)便攜式家用脈搏波形測試系統(tǒng)，在液晶屏上直接顯示脈搏波形，不僅速度快、精度高而且脫離PC，方便實用。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

脈搏波形測量系統(tǒng)由脈搏傳感器、放大電路、低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器及觸摸、顯示電路構(gòu)成。其系統(tǒng)的框架如圖1所示。

脈搏傳感器采用PT14M3，這是一款高靈敏度全橋生理壓力傳感器，它采用雙島微機械結(jié)構(gòu),橋阻為2.5～5.0 kΩ。與一般的壓電式傳感器相比，PT14M3的低頻響應好(直流到 200 Hz),輸出阻抗低,抗干擾能力強。其測壓端直徑8 mm左右，可模擬手指感測脈搏，4個壓敏電阻構(gòu)成全橋結(jié)構(gòu)，在外加壓力下,電橋失衡輸出不為零,且壓力在較小范圍內(nèi)時,輸出電壓與壓力成正比[2]。

PT14M3的輸出是一個典型的微弱的差分信號，由于存在皮膚的靜噪信號、50 Hz的工頻干擾等干擾信號，所以有用的差分信號容易被干擾信號淹沒，如果在此應用中使用標準運算放大器，則不僅放大差分模擬信號，同時放大任何DC信號、噪聲及其他的共模電壓，最終即使最好的運算放大器也不能有效提取微弱信號。如果利用運算放大器構(gòu)成二級差分放大電路其匹配電阻要求十分苛刻，否則仍無法提取有效信號。而儀表放大器是一種差分輸入和相對參考點單端輸出的閉環(huán)增益單元,具有輸入阻抗很高、輸出阻抗很低、共模抑制比（CMR）高的特征。

AD8228是ADI公司最新推出的高性能儀表放大器，具有非常高的增益精度和極低的漂移。由于內(nèi)置增益設(shè)定電阻并經(jīng)過激光微調(diào)，因此該器件的增益精度和增益漂移性能優(yōu)于典型的儀表放大器。低電壓失調(diào)(最大輸入失調(diào)電壓：50 μV)、低失調(diào)漂移(最大輸入失調(diào)漂移 ：0.8 μV/℃)、 低 增 益 漂 移(增 益 漂 移 ：2 ppm/℃)、 高 增益精度和高共模抑制比的(100 dB)特點使這款器件特別適合用于醫(yī)療儀器設(shè)備。AD8228具有固定增益10或100， 當 2、3引腳斷開增益為 10，2、3引腳短接增益為100[8]，在本方案中利用 AD8228作為主放大器且2、3引腳短接。由于脈搏信號主峰頻率在1 Hz左右，能量較強的成分也在20 Hz以下，所以設(shè)計低通濾波器的上限截止頻率為40 Hz。為此整個脈搏波形數(shù)據(jù)采集電路圖如圖2所示。電路輸出接到A/D的輸入端。

控制板模塊采用深圳優(yōu)龍科技有限公司的YLE2440核心板，板上采用SAMSUNG高性能ARM920T內(nèi)核處理器S3C2440，工作頻率為400 MHz。板上配備有64 MB NAND Flash，64 MB SDRAM，10M/100M 網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000AEP，一個復位小按鍵。通過4條68PIN的連接器引出了電源線、地線、數(shù)據(jù)線、地址線、A/D輸入端、LCD接口、觸摸屏控制信號等，便于搭建系統(tǒng)硬件環(huán)境。

液晶模塊選用SONY公司的TD035STED4(帶四線電阻觸摸屏)，其接口與S3C2440提供的LCD信號完全匹配。S3C2440提供了 nYPON、YMON、nXPON和 XMON直接作為觸摸屏的控制信號，但不能直接與觸摸屏連接，這里通過兩個FDC6321場效應管驅(qū)動器與觸摸屏連接。輸入信號在經(jīng)過阻容式低通濾器濾除坐標信號噪聲后接入S3C2440內(nèi)集成ADC的模擬信號輸入通道AIN5、AIN7。圖3為S3C2440與觸摸屏的接口圖。

A/D轉(zhuǎn)換器直接利用S3C2440片上A/D，集成有采樣保持電路。分辨率為10位，最大轉(zhuǎn)換速率為500 kS/s。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

應用程序分主程序和中斷服務(wù)程序兩部分構(gòu)成。

在主程序中完成核心板的初始化后開AD中斷，且設(shè)置為等待中斷模式，在液晶屏上輸出“Start”按鈕，之后進入等待中斷的到來。

在中斷服務(wù)程序中，把A/D轉(zhuǎn)換模式設(shè)置為XY自動轉(zhuǎn)換模式，讀取當前觸摸點的位置再判斷是否為“Start”按鈕所在位置范圍，如是則把A/D轉(zhuǎn)換模式設(shè)置為普通轉(zhuǎn)換模式來轉(zhuǎn)換從AIN0(1)通道輸入的脈搏信號。在液晶屏上每幀顯示5 s的脈搏圖形，每秒鐘脈搏圖形含128個像素點，為了減小誤差在采集數(shù)據(jù)時每秒鐘采集1 280個樣點，然后每10個樣點值分一組去抖取平均，所得數(shù)據(jù)進行量化、打點畫圖。系統(tǒng)應用軟件的流程圖如圖4所示。

3 測量結(jié)果及對比分析

利用該測量儀，測量并描記了大量不同人群的脈搏波形，將得到的脈圖結(jié)合傳統(tǒng)的中醫(yī)理論進行分析對比，都與受試者本人的健康狀況有一定的對應性。如圖5所示：channel1是測得并描記的一個18歲男性青年的左關(guān)脈圖，channel2是測得并描記的一個74歲男性高血壓病老人的左關(guān)脈圖。對比兩者的脈圖，可明顯看出，青年人的脈圖跟中醫(yī)理論所述的典型平脈脈圖非常相似，波形呈三峰，重搏前波、降中峽、重搏波非常明顯，脈率、大小適中，節(jié)律均勻，是健康的脈象[1]。如圖 6所示為中醫(yī)理論所述的典型的平脈脈圖。觀察老人的脈圖，其特征是端直以長，如按琴弦，有長、直、緊急的特點。波形呈寬大主波，波峽抬高。脈形有弦硬的指感，反映出血管內(nèi)壓力、管內(nèi)外周阻力、血液粘度等生理參數(shù)的增大。按中醫(yī)脈象理論，高血壓，高血脂是弦脈的主病[1]。這也與受試者老人的實際情況完全相符。

通過對上面測量和描記的脈圖進行對比分析可知，這套測量系統(tǒng)能比較精確地測得脈搏波形，而且測量精度高、響應速度快、功耗低，且便于操作。克服了傳統(tǒng)方法獲取人體脈搏波形的不便性及低精度等不利因素。同時在開發(fā)板上預留了網(wǎng)絡(luò)接口，使采集處理后的數(shù)據(jù)可遠程傳輸,這對于遠程中醫(yī)診斷提供了可能性,所以具有一定的實用性和很好的市場前景。

[1]費兆馥.現(xiàn)代中醫(yī)脈診學[M].北京：人民衛(wèi)生出版社,2003.

[2]乜國荃，方祖祥.人體脈搏的測量與分析[J].上海生物醫(yī)學工程，2006(2):74-76.

[3]陳明義，楊華，楊亮.智能脈搏測試儀設(shè)計[J].計算技術(shù)與自動化,2002(9):117-119.

[4]李晉華,杜宇慧.光電脈搏儀設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應用,2008(7):90-100.

[5]Wang B H,Xiang J L,Yang Y,et al.Evaluation of the transfer function of human pulse system based on signal detection.Chinese science Bulletin[J].1999,44(17):1566-1571.

[6]Chun T L,Ling Y W.Spectrum analysis of human pulse[J].IEEE Trans BME.1983,30(6):348-351.

[7]Wei L Y,Chow P.Frequency distribution of human pulse spectra.IEEE Trans Biomedicine Eng[J].1985,32(3):245-246.

[8]Analog Devices.AD8228 Datasheet[DB/OL].http://www.analog.com/en/amplifiers-and-comparators/instrumentationamplifiers/ad8228/products/product.html.AD8228.pd.