無線便攜式脈象檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

馬俊淇， 劉 燕， 佟寶同， 趙凌霄， 戴亞康

(1.中國科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215163；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

脈象信號的檢測和脈率測量對人體健康狀況的日常監(jiān)護(hù)具有重要的實(shí)際意義[1]。脈診儀作為脈象信息采集的重要工具，其研發(fā)已經(jīng)取得了一定的成果[2]。如上海中醫(yī)藥大學(xué)研發(fā)的ZM—III智能脈象儀[3]，王貽俊等人設(shè)計(jì)的MXY—II型脈象儀[4]等，在臨床上均得到了一定的應(yīng)用。但亦存在明顯的缺點(diǎn)：儀器需要與計(jì)算機(jī)配合使用，成本較高；體積較大，不便攜帶；局限于大型醫(yī)院等應(yīng)用場合，不適合個(gè)人使用，無法滿足慢性病患者、老年人等對于家庭日常的健康檢測的需求[5]。

本文設(shè)計(jì)了一種成本低、體積小、功耗低的無線便攜式脈象檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)脈象信號的采集、無線傳輸和在Android手機(jī)上的波形繪制、脈率及相應(yīng)脈象的顯示，可在脈象異常時(shí)自主報(bào)警，適于家庭使用。

1 系統(tǒng)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)[6],設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如下：

1)脈象傳感器：主要用于模擬中醫(yī)診脈從橈動(dòng)脈提取人體脈象信號，其穩(wěn)定性和靈敏度直接影響采集結(jié)果的準(zhǔn)確性。選用聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)壓電薄膜作為脈象傳感器。具有壓電效應(yīng)，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，頻響滿足人體脈搏的頻率范圍(0.2～40 Hz)。此外，其成本低，具有較好的生物兼容性，質(zhì)地柔軟，與皮膚貼合性好，適用于脈象傳感器。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2)信號調(diào)理電路：考慮到脈象信號微弱、噪聲強(qiáng)且易于變化等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了放大電路和多級濾波電路抑制噪聲。

3)處理發(fā)送模塊：調(diào)理后的脈象信號在STM32F103控制器中經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，又經(jīng)過濾除基線漂移、消除毛刺噪聲等處理，最后通過HC—05藍(lán)牙模塊無線傳輸至Android手機(jī)。同時(shí)，控制器可以接收手機(jī)反饋的脈象異常信號，及時(shí)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。

4)上位機(jī)界面顯示：Android手機(jī)接收藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，可以繪制脈象波形，計(jì)算并顯示脈率和相應(yīng)的脈象，脈象異常時(shí)反饋給下位機(jī)。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括信號調(diào)理電路和控制器及通信模塊設(shè)計(jì)。其中，信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)又分為前置電荷放大器、放大濾波電路和電壓抬升電路設(shè)計(jì)，其原理如圖2所示。

圖2 信號調(diào)理電路原理

2.1 前置電荷放大器設(shè)計(jì)

電荷放大器可以將傳感器表面的電荷量轉(zhuǎn)化并放大為電壓信號，且可以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[7]其輸出電壓與1/C11成正比。而反饋電阻器R11除了為負(fù)反饋電路提供直流通路外，還與反饋電容器C11構(gòu)成一個(gè)一階高通濾波器。其下限截止頻率約為0.16 Hz，可以減小零點(diǎn)漂移。

2.2 放大濾波電路設(shè)計(jì)

脈象信號經(jīng)過前置放大器的初步放大和高通濾波之后，信號幅度仍然比較小，且混有較多的高頻噪聲，而脈象信號的頻率不高于40 Hz。因此，需要進(jìn)一步的放大和濾波處理。前置放大器后端的放大濾波電路由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。

2.3 電壓抬升電路設(shè)計(jì)

由于所選用的傳感器及運(yùn)算放大器均具有正負(fù)雙極性，采集得到的脈象信號幅值存在負(fù)值，無法滿足核心控制器STM32F103片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓范圍(0～3.3 V)。為了使核心控制器可以采集到完整的脈象信號，需要將電壓抬升到正值，故在信號調(diào)理電路中加入了電壓抬升電路。

2.4 控制器與通信模塊

系統(tǒng)選用STM32F103作為系統(tǒng)的控制器。是一種基于ARM Cortex—M3內(nèi)核的32位單片機(jī)(micro controller unit,MCU)，具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為2～3.6 V，工作頻率最高可達(dá)72 MHz，擁有豐富的系統(tǒng)和外設(shè)資源，足以滿足本系統(tǒng)對單片機(jī)的功能要求。系統(tǒng)使用了I/O口、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog digital converter,ADC)、直接內(nèi)存存取器(direct memory accessor,DMA)、定時(shí)器、串行通信(USART)接口和中斷等資源。

通信選用ALIENTEK的HC—05藍(lán)牙模塊。為高性能的主從一體藍(lán)牙模塊，支持藍(lán)牙規(guī)范2.0，并且兼容3.3 V或5 V單片機(jī)系統(tǒng)，可以直接與MCU的串口連接。實(shí)現(xiàn)了Android手機(jī)與STM32F103單片機(jī)間的通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境為Keil MDK 5.10，軟件流程如圖3所示。主要實(shí)現(xiàn)了脈象信號的A/D轉(zhuǎn)換、處理和無線傳輸以及脈象異常的報(bào)警。

圖3 下位機(jī)軟件流程

1)系統(tǒng)初始化：使能I/O口、ADC、DMA、定時(shí)器和通用同步異步串行收發(fā)器(universal synchronous asynchronous receiver transmitter,USART)的時(shí)鐘，配置ADC模式、中斷和串口通信協(xié)議。

2)A/D采樣：定時(shí)器T2_CC2每隔4 ms觸發(fā)一次ADC對脈象信號的采樣，此時(shí)DMA會(huì)將采樣值存入內(nèi)存。當(dāng)DMA傳輸完成時(shí)，硬件將DMA_TC置1，產(chǎn)生中斷。

3)濾波處理：為了進(jìn)一步改善信號質(zhì)量，系統(tǒng)在硬件濾波的基礎(chǔ)上又加入了數(shù)字濾波。考慮到脈象信號的基線漂移主要來源于呼吸波的干擾，且頻率低于0.5 Hz，采用MATLAB的FDAtool工具箱設(shè)計(jì)了0.5 Hz二階無線脈沖響應(yīng)(infinite impulse response,IIR)高通濾波器，得到響應(yīng)函數(shù)為

(1)

導(dǎo)出式(1)中的濾波系數(shù)，采用C語言在MCU中實(shí)現(xiàn)該濾波器。為了進(jìn)一步消除毛刺，在基線漂移濾波后又加入了加權(quán)滑動(dòng)平均濾波算法。原理是在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)依順序存放7次采樣數(shù)據(jù)，每采進(jìn)一個(gè)新數(shù)據(jù)，將最早采集的數(shù)據(jù)丟掉，計(jì)算包括新數(shù)據(jù)在內(nèi)的7個(gè)數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值

w(i)=[7a(i)+5a(i-1)+5a(i-2)+3a(i-3)+

3a(i-4)+a(i-5)+a(i-6)]/25

(2)

式中a(i)為濾波前最新的采樣數(shù)據(jù);w(i)為濾波結(jié)果。

4)數(shù)據(jù)發(fā)送：信號經(jīng)過濾波處理后，通過USART發(fā)送至藍(lán)牙模塊。當(dāng)藍(lán)牙模塊與Android手機(jī)連接成功時(shí)，即將信號數(shù)據(jù)無線傳輸至手機(jī)。

5)脈象異常報(bào)警：當(dāng)脈象異常時(shí)，Android手機(jī)會(huì)反饋給MCU一個(gè)信號，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

基于Eclipse 4.5.1和Android 5.1.1開發(fā)了Android手機(jī)交互界面，軟件流程如圖4所示。“開啟藍(lán)牙”按鈕控制與HC—05藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，接收數(shù)據(jù)；“繪制波形”按鈕控制波形繪制；“顯示結(jié)果”按鈕控制計(jì)算并顯示脈率及相應(yīng)的脈象；當(dāng)脈象異常時(shí)，會(huì)反饋給MCU一個(gè)信號。

圖4 上位機(jī)軟件流程

4 測試結(jié)果與分析

系統(tǒng)的硬件電路板的尺寸為8.0 cm×5.5 cm，正常工作時(shí)電流約為80 mA，體積小，功耗低。系統(tǒng)測試時(shí)，用腕帶將脈象傳感器固定最佳取脈點(diǎn)，即橈骨突出處下方的橈動(dòng)脈最強(qiáng)搏動(dòng)點(diǎn)，在平靜狀態(tài)下測試。

4.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

為了驗(yàn)證軟件濾波的有效性，在下位機(jī)未植入濾波算法的條件下，采集脈象信號，通過串口將脈象信號發(fā)送至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)采用串口調(diào)試助手Serial Port Utility接收數(shù)據(jù)，并將接收的數(shù)據(jù)記錄于文本文件中。MATLAB對文件中的數(shù)據(jù)做0.5 Hz高通濾波處理，得到濾除基線漂移前后信號對比，如圖5所示。對濾除基線漂移后的信號加權(quán)滑動(dòng)平均濾波處理，得到濾波前后信號整體對比，如圖6所示，局部對比如圖7所示。

圖5 濾除基線漂移前后信號對比

圖6 加權(quán)滑動(dòng)平均濾波前后信號整體對比

圖7 加權(quán)滑動(dòng)平均濾波前后信號局部對比

由圖5可以看出：濾除基線漂移后的信號波峰基本平穩(wěn)，取得了較好的效果；圖6可以看出：加權(quán)滑動(dòng)平均濾波并未改變信號的時(shí)域特性；而圖7是對圖6第一個(gè)波谷進(jìn)行了局部放大，可以看出：濾波后的信號波形較濾波前平滑。經(jīng)過兩次濾波后，有效降低了信號噪聲，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

當(dāng)Android手機(jī)與HC—05藍(lán)牙模塊配對成功后，采集脈象信號，手機(jī)界面及測試結(jié)果如圖8所示。可以看出：上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了與藍(lán)牙模塊的無線通信，并得到了質(zhì)量較好的脈搏波形。根據(jù)脈象數(shù)據(jù)，計(jì)算出脈率，并顯示脈率及相應(yīng)的脈象結(jié)果。

圖8 Android手機(jī)界面及測試結(jié)果

脈率與脈象的對應(yīng)關(guān)系如表1所示，其中遲脈和數(shù)脈均屬于異常脈象。當(dāng)檢測的脈象異常時(shí)，上位機(jī)會(huì)自動(dòng)反饋給下位機(jī)，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。

表1 脈率與脈象的對應(yīng)關(guān)系

4.2 系統(tǒng)準(zhǔn)確性測試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)測量脈率的準(zhǔn)確性，以合肥華科電子技術(shù)研究所的HK—2010/3中醫(yī)脈象儀為參考，分別采集了5名健康成年人的脈象，并計(jì)算脈率。測試結(jié)果如表2所示。

表2 脈率測試結(jié)果

測試結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的脈象檢測系統(tǒng)與HK—2010/3中醫(yī)脈象儀對脈率的測量結(jié)果平均相對誤差在1.5 %以內(nèi)，具有良好的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的便攜式脈象檢測系統(tǒng)，以PVDF壓電薄膜作為脈象傳感器，用STM32F103單片機(jī)和HC-05藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)控制和無線傳輸，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。通過Android智能手機(jī)與用戶進(jìn)行人機(jī)交互，用戶可以在手機(jī)上看到顯示的脈搏波形、脈率及相應(yīng)的脈象。系統(tǒng)具有脈象異常報(bào)警功能，適合家庭日常健康監(jiān)護(hù)。

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