脈搏信號(hào)采集傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁 妮, 陳 妮, 張琥石, 黃代政

(廣西醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 廣西 南寧 530021)

我校開(kāi)設(shè)的生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)課程采用項(xiàng)目教學(xué)法實(shí)施教學(xué)[1]。采用項(xiàng)目教學(xué)法的關(guān)鍵是根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)選取典型的工程對(duì)象作為教學(xué)項(xiàng)目[2-3]。對(duì)生物電信號(hào)的檢測(cè)及分析是生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)(醫(yī)療儀器方向)的一個(gè)重要知識(shí)模塊，因此生理參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)常被選取作為生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的典型工程實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目[4-5]。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置通常是將心電、血壓、脈搏等多項(xiàng)生理信號(hào)的檢測(cè)電路集成在一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱中[6],并通過(guò)有線的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端顯示。學(xué)生在該實(shí)驗(yàn)裝置上以觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為主,如通過(guò)調(diào)試電路參數(shù)觀測(cè)各級(jí)調(diào)理電路的輸出,觀察PC端接收到的信號(hào)波形和計(jì)算出的生理參數(shù)值。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置集成的功能模塊多、涵蓋的知識(shí)點(diǎn)全,但技術(shù)更新慢且不能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),僅能滿足驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。

近年來(lái),移動(dòng)醫(yī)療行業(yè)的興起使得便攜式醫(yī)療和健康監(jiān)測(cè)設(shè)備成為研究的熱點(diǎn)[7-9]。該類(lèi)設(shè)備包含生理參數(shù)檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊及PC端/手機(jī)端的數(shù)據(jù)分析模塊[10-11]。脈搏信號(hào)的檢測(cè)原理簡(jiǎn)單且具有代表性,對(duì)其做進(jìn)一步的計(jì)算分析,還可以得到血壓、血氧飽和度、呼吸率、心率變異等其他生理參數(shù)[12-15]。因此,本文基于移動(dòng)醫(yī)療模式下設(shè)備的開(kāi)發(fā)方案,設(shè)計(jì)了一套實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)檢測(cè)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)支持3種脈搏傳感器信號(hào)的采集，預(yù)留了程序下載接口,以便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。利用PC端強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,將新技術(shù)引入到教學(xué)中,解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置存在的不足。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成包括傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊及無(wú)線藍(lán)牙傳輸模塊。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

傳感器模塊包含壓電式、透射式和反射式3種脈搏傳感器。由于3種傳感器特性不同,第一級(jí)信號(hào)調(diào)理電路采用3種不同結(jié)構(gòu)的功能電路。第二級(jí)放大濾波電路為3類(lèi)傳感器共用。單片機(jī)開(kāi)發(fā)模塊以STC12C5A60S2

單片機(jī)為核心,在外圍配備了晶振電路、復(fù)位電路、按鍵電路、液晶顯示模塊及無(wú)線藍(lán)牙傳輸模塊。無(wú)線藍(lán)牙模塊采用2.0標(biāo)準(zhǔn)的HC-05模塊。在單片機(jī)上編寫(xiě)程序可完成脈搏信號(hào)的采集及無(wú)線傳輸。

系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：傳感器將感應(yīng)到的脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)過(guò)放大濾波后,由單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣處理,再通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙模塊傳輸至其他數(shù)據(jù)終端。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 第一級(jí)信號(hào)調(diào)理電路

2.1.1 壓電式脈搏信號(hào)調(diào)理電路

壓電薄膜傳感器的型號(hào)為SDT1-028K。由于SDT1-028K的輸出阻抗很大,直接接入放大電路、將會(huì)產(chǎn)生信號(hào)衰減,不利于信號(hào)的放大采集。因此,壓電式脈搏信號(hào)調(diào)理電路包括阻抗變換電路和低通濾波電路，如圖2所示。

阻抗變換電路由一個(gè)高輸入阻抗的電壓跟隨器構(gòu)成。該電路的輸入阻抗由R17確定,為10 MΩ。由于運(yùn)放的輸出阻抗理想狀態(tài)下為0,可將壓電傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩埂?/p>

圖2 壓電式脈搏信號(hào)調(diào)理電路

為避免噪聲干擾,傳感器信號(hào)經(jīng)阻抗變換后送入U(xiǎn)3B、構(gòu)成有源二階低通濾波器進(jìn)行濾波,濾波器截止頻率為20 Hz。信號(hào)最后通過(guò)C16耦合到后級(jí)放大電路進(jìn)行幅度放大。

2.1.2 透射式脈搏信號(hào)調(diào)理電路

透射式傳感器采用HRM-2104型號(hào)的紅外發(fā)射、接收傳感器,信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。傳感器通過(guò)J1接口接入信號(hào)調(diào)理電路,C7與R12構(gòu)成截止頻率為0.5 Hz的一階無(wú)源高通濾波器,C9和R11構(gòu)成截止頻率為20 Hz的一階有源低通濾波器。運(yùn)放U2A采用單電源的工作方式,同相放大倍數(shù)為40倍。

圖3 透射式脈搏信號(hào)調(diào)理電路

2.1.3 反射式脈搏信號(hào)調(diào)理電路

反射式脈搏傳感器的發(fā)射管采用主波長(zhǎng)為525 nm的綠色發(fā)光二極管AM2520ZGC09。接收管使用型號(hào)為APDS-9008的光敏元件。APDS-9008是一款環(huán)境光感受器,感受峰值波長(zhǎng)為 565 nm。發(fā)射管與接收管的峰值波長(zhǎng)相近,提高了脈搏信號(hào)的檢測(cè)靈敏度。反射式脈搏傳感器的信號(hào)調(diào)理電路見(jiàn)圖4。

圖4 反射式脈搏信號(hào)調(diào)理電路

2.2 第二級(jí)信號(hào)調(diào)理電路

3種脈搏傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)前期的處理后,直接送到放大電路進(jìn)行幅度放大。為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì),3路脈搏信號(hào)共用同一個(gè)放大電路，電路見(jiàn)圖5。

U2B構(gòu)成一個(gè)增益可調(diào)的放大器,通過(guò)調(diào)節(jié)電阻W1的阻值大小,可以實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的調(diào)整。運(yùn)放采用單電源的工作方式,參考電位1/2VCC由穩(wěn)壓二極管構(gòu)成。U4A構(gòu)成一個(gè)電壓跟隨器,減少后級(jí)負(fù)載效應(yīng)對(duì)脈搏信號(hào)的影響。

圖5 第二級(jí)信號(hào)調(diào)理電路

2.3 單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊采用STC公司的STC12C5A60S2型號(hào)作為主處理器。該處理器具有1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期,運(yùn)算速度比普通8051單片機(jī)快6～12倍,內(nèi)部包含10位的ADC、2路PWM等電路模塊，具有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)勢(shì),在小型的醫(yī)學(xué)電子儀器中有廣泛應(yīng)用。

單片機(jī)模塊電路如圖6所示。單片機(jī)電源由AMS1117穩(wěn)壓芯片提供。由于單片機(jī)沒(méi)有AD轉(zhuǎn)換的獨(dú)立參考電壓源,系統(tǒng)采用低壓差低功耗的穩(wěn)壓芯片AMS1117可以保證AD轉(zhuǎn)換的參考電壓源相對(duì)穩(wěn)定。4個(gè)獨(dú)立按鍵由P3-2—P3-5口控制, 液晶顯示模塊與P00—P04口相連。無(wú)線藍(lán)牙模塊與程序下載端口共用單片機(jī)UART接口,與P30—P31相連。為避免通信數(shù)據(jù)沖突,下載單片機(jī)程序時(shí)SW1開(kāi)關(guān)切換到TXD_DL處,進(jìn)行藍(lán)牙通信時(shí)SW1開(kāi)關(guān)切換到TXD_BT處。

圖6 單片機(jī)模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分完成脈搏信號(hào)的AD采樣及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸,對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理由上位機(jī)完成。脈搏信號(hào)的采集傳輸流程如圖7所示。

圖7 脈搏信號(hào)的采集傳輸流程圖

系統(tǒng)上電后按下啟停鍵,單片機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)內(nèi)置的8位A/D模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。由于脈搏波信號(hào)的主要頻率成分集中在0.5～5 Hz,設(shè)置A/D采樣率為20 Hz以滿足采樣需求。采樣完成后,通過(guò)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。藍(lán)牙模塊型號(hào)為HC-05,該模塊支持串行通信,可直接與單片機(jī)的串口相連。藍(lán)牙模塊在使用前被設(shè)定為從機(jī)模式,波特率為9 600 bit/s。上位機(jī)采用藍(lán)牙適配器接收脈搏數(shù)據(jù),利用LabVIEW或者M(jìn)atlab軟件對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理。

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試

4.1 信號(hào)調(diào)理模塊的測(cè)試

利用本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),分別用3種不同的傳感器對(duì)一名受試者靜息態(tài)下左手橈動(dòng)脈處的脈搏波進(jìn)行測(cè)試。圖8和圖9是受試者靜息態(tài)下通過(guò)示波器觀察到的第二級(jí)信號(hào)調(diào)理電路的輸出波形。

圖8 反射式和壓電式脈搏信號(hào)

圖9 透射式和壓電式脈搏信號(hào)

為對(duì)比不同類(lèi)型傳感器的輸出信號(hào),示波器采用雙蹤顯示方式。圖8中通道1為反射式脈搏信號(hào),通道2為壓電式脈搏信號(hào)。圖9中通道1為透射式脈搏信號(hào),通道2為壓電式脈搏信號(hào)。可以看出：壓電式脈搏信號(hào)采集只有一級(jí)放大,相對(duì)于其他兩種傳感器的信號(hào)輸出幅度較小；由于信號(hào)感應(yīng)原理不同,三種傳感器感應(yīng)得到的脈搏波波形特征稍有差異,但一定時(shí)間內(nèi)采集得到的脈搏波個(gè)數(shù)相同,即脈率是相同的。

4.2 系統(tǒng)的采集傳輸測(cè)試

在單片機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)脈搏波的AD采樣及無(wú)線傳輸后,利用實(shí)驗(yàn)室已開(kāi)發(fā)的PC端軟件查看接收到的脈搏信號(hào)波形[10],完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的采集傳輸測(cè)試。圖10為一名受試者靜息態(tài)下檢測(cè)到的反射式脈搏波。

圖10 反射式脈搏信號(hào)的PC端顯示

在PC端對(duì)脈搏信號(hào)的特征做進(jìn)一步算法處理,可實(shí)現(xiàn)心血管疾病的預(yù)警分析,還可得到血壓、血氧飽和度、呼吸率、心率變異等其他生理參數(shù)。

5 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選取了脈搏信號(hào)作為教學(xué)內(nèi)容,教學(xué)過(guò)程中可引入血壓無(wú)創(chuàng)測(cè)量、心血管參數(shù)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)等新技術(shù),解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備存在的技術(shù)更新慢等缺陷。系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì),預(yù)留了多處測(cè)試接口,適合學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)和開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已在我校生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中使用,提高了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。