一種便攜式PWV測量樣機的設計與實現

郭昌華 楊超 張輝 胡旭

摘 要：文章設計了一種便攜式脈搏波測量樣機，通過兩個傳感器獲取兩種不同動脈的脈搏波數據測量PWV。然后通過提取特征點，分別計算兩個脈搏波的脈沖波發射時間（PWTT），并通過兩個不同測點與PWTT之間的距離比值求得PWV。此外，還為數據無線傳輸提供了藍牙功能，將數據保存在存儲器中，作為醫生診斷疾病的有效參考。實驗結果表明，該樣機是一種簡便易行的家用PWV監測設備，可以幫助醫生準確分析或診斷心血管疾病。

關鍵詞：便攜式脈搏波測量樣機；硬件設計；軟件設計

中圖分類號：TH776 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）16-0018-02

Abstract： In this paper， a portable pulse wave measuring prototype is designed， and the pulse wave data of two different arteries are obtained by two sensors to measure the pulse wave velocity（PWV）. Then， by extracting the characteristic points， the pulse emission time of two pulse waves is calculated， and the PWV is obtained by the distance ratio between the two different measuring points and the pulse wave transit time （PWTT）. In addition， the Bluetooth function is provided for wireless data transmission， and the data is stored in memory as an effective reference for doctors to diagnose diseases. The experimental results show that the prototype is a simple and convenient household PWV monitoring device， which can help doctors to accurately analyze or diagnose cardiovascular diseases.

Keywords： portable pulse wave measuring prototype； hardware design； software design

引言

作為評估動脈僵硬度的一個指標脈搏波波速（PWV）的作用正日益引起重視。脈搏波波速（PWV）越快，表示動脈的硬度較高，動脈的擴張性越差。許多前瞻性研究都證實，PWV是預測心腦血管疾病發生的最有價值的指標之一，PWV也是評價動脈硬化的重要指標[1]。Yamashina等[2]測量了一些常規體檢人群的PWV和傳統心血管的重要因素，結果表明，PWV是心血管疾病，獨立于其他因素，如年齡和其他血流動力學參數的重要因素。

此外，動脈硬度增加導致PWV升高，不僅促進了腦血管疾病發生的風險，而且還與癡呆、腦認知障礙相關[3]。1749名未患癡呆和中風的患者被追蹤14年PWV測量和腦認知能力功能[4]。結果顯示，PWV與中風、癡呆和認知能力下降有關。此外，臂踝脈波速度是高血壓患者微蛋白尿的重要因素[5]。

在以往的研究中，一些學者在液體耦合傳感器上提取脈搏波，或者在液體耦合傳感器的基礎上對傳感器進行改進，耦合的方式直接影響到測量結果[6]。也有一些研究通過光電傳感器獲取脈搏波，這種傳感器基于光電體積的法則，通過監測指尖的透光率，間接得到脈搏波[7]。

為了實現便攜式和易于使用的目標，我們開發了一個樣機，它使用兩個脈沖傳感器來同步不同的動脈脈沖信號。實驗結果表明，設計的樣機可以方便地計算出兩路脈搏波，結果可以作為醫生診斷心血管疾病的有效參考。

1 硬件和軟件設計

首先，使用一個傳感器記錄心電圖。然后用另一個傳感器連續記錄近波和遠波。最后，對近波和心電圖（T1），遠波和心電圖（T2）進行時差，從而得到T2-T1的傳導時間。另一種設計方案是在不同的部分記錄同一信號的實時波，即同步記錄近波和遠波。顯然，后一種方法可以得到更精確的傳導時間，因為我們可以直接得到傳導時間，所以本文使用第二種方法。

1.1 硬件設計

為了設計一個便攜設備，最主要考慮的因素是功耗和大小，所以我們嘗試采用低功耗芯片來滿足需求。

傳感器：考慮前面提到的三種脈沖傳感器，由于液體的慣性、液體流動的內摩擦阻力以及導管和膜片的靈活性問題，液體耦合傳感器的輸出可能產生畸變。此外，還有許多研究采用光電傳感器來提取脈沖波信號。但這種方法主要用于記錄指尖的信號，不適合記錄其他部位的脈沖波。在PWV的測量中，我們應該同時記錄至少兩個不同部位的信號。因此，壓電傳感器是最好的選擇。在本研究中，我們使用了兩個壓電式脈沖傳感器，HK-2000B。

加法單元：脈沖傳感器輸出帶有負值的信號，為了適應A/D芯片的模擬信號輸入（TLC1549），設計了兩個加法單元，用于將脈沖波向上移動。

A/D轉換器： TLC1549是10位模數轉換器。它采用CMOS工藝，具有內在的采樣和保持，采用差分基準電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉換范圍等特點。

MCU：我們選擇ATmega16 AVR SCM。ATmega16是一種基于AVR增強RISC架構的低功耗CMOS 8位微控制器。AVR核心結合了一個豐富的指令集和32個通用的工作寄存器。所有32個寄存器都直接連接到算術邏輯單元，允許在一個時鐘周期內執行的一個指令訪問兩個獨立的寄存器。由此產生的體系結構比傳統的CISC微控制器（CISC微控制器）提高了10倍，從而提高了代碼的效率。

藍牙：我們采用HC06藍牙模塊來實現無線傳輸。HC06的尺寸只有28毫米x15毫米x2.35毫米，價格低廉。

鍵盤，外部存儲，LCD12864：鍵盤用于輸入測量零件的距離。外部存儲器用于存儲采集數據。LCD12864用于顯示菜單和測量結果。

1.2 軟件設計

MCU控制軟件包括MCU、傳感器、藍牙、鍵盤和LCD的初始化代碼；數據采集和處理程序；藍牙與PDA或其他設備之間的通信程序。

在本研究中，我們在10秒內獲得5000個樣本，采樣率為500Hz。由于TLC1549是一個串行數據采集芯片，需要至少10個時鐘來采集樣本，所以時鐘頻率至少應該是5 kHz。首先，我們提取了兩個通道信號中的一個特征點。在此基礎上，我們可以方便地得到其他信號的特征點。然后，通過一個簡單的算法，我們可以很容易地得到PWV值。最后，我們還可以通過藍牙技術傳輸數據。

2 實驗&結果

PWV的臨床參考值為14m/s。PWV越高，動脈硬化的風險就越高。實驗涉及10名受試者，5名男性和5名女性。

志愿者將兩個傳感器分別放置在臂動脈和橈動脈上，通過我們所開發的儀器可以獲得脈沖波發射時間（PWTT）。

我們對這兩個信號進行了10秒的測量，并計算了每一對的PWTT，如T1、T2等。我們使用平均值作為最后的PWTT，通過10秒的記錄，然后我們可以利用PWTT將兩個傳感器之間的距離劃分出來，從而得到PWV。實驗結果如表1所示。

3 結束語

為了幫助早期發現心血管疾病并滿足家庭使用設備的要求，本研究提出了一種無創、便攜、易于使用的PWV監測樣機。該樣機可以計算用戶的PWV，通過藍牙無線功能將脈沖信號發送到PDA或計算機，顯示脈搏波，提供長時間的數據存儲，可以幫助醫生早期分析或診斷心血管疾病。

參考文獻：

[1]李國杰，黃秀先，梁樹俊，等.脈搏波傳導速度與心血管病及其危險因素的相關性分析[J].中國循證心血管醫學雜志，2013，5（01）：15-16.

[2]Yamashina A， Tomiyama H， Arai T， et al. ：Brachial-ankle pulse wave velocity as a marker of atherosclerotic vascular damage and cardiovascular risk， Hypertens res.（2003），26（8）：615-622.

[3]生物谷.動脈硬化可預測認知能力下降[J].上海醫藥，2016，37（10）：22.

[4]Waldstein SR， Rice SC， Thayer JF， et al.：Pulse pressure and pulse wave velocity are related to cognitive decline in the Baltimore Longitudinal Study of Aging， Hypertension，（2005），51：90-104.

[5]趙清華，王青，莊曉明，等.心血管疾病危險人群中微量白蛋白尿與踝臂脈搏波傳導速度的相關性研究[J].中華臨床醫師雜志（電子版），2012，6（03）：570-574.

[6]Ling YW， Peter C. ：Frequency distribution of human pulse spectra， IEEE Trans. BME（1985），32（3）：245-247.

[7]Texas Instruments： Monolithic photodiode and Single Supply Tran Impedance Amplifier OPT101 Datasheet， 2004，pp.1-15.