光電容積脈搏波采集系統設計及課程應用*

李華 梁永波 朱健銘 肖文香 張倩

桂林電子科技大學 廣西桂林 541004

0 引言

血氧飽和度是反映人體呼吸、循環功能的一個重要生理參數，是衡量人體血液攜帶氧的能力指標[1]。血氧飽和度的測量方法有電化學法和光學法兩種[2]，電化學法的測量結果精確，但是會有創傷，而且操作復雜，實時性差[3]。光學法是隨著科學技術的進步而發展起來的無創測量技術，其測量結果越來越精確，被廣泛應用于臨床等各個領域。光學法是無創的，使用血氧探頭獲取信息，不需要刺穿動脈獲取血液[4]。同時，它可以連續測量，操作方便。

新冠肺炎病人的心肺功能受到很大影響，特別是重癥病人，血氧飽和度小于93%，表現的癥狀為休克和呼吸衰竭等[5]。指套式血氧儀在新冠疫情期間使用廣泛，是一種重要的醫學電子儀器[6]。因此，醫學電子儀器設計和接口技術實驗課程結合課程思政，以單片機為核心，將傳感器、模電電子技術、數字電子技術、人體解剖學等知識交叉融合[7]，設計了一套光電容積脈搏波采集系統。該系統設計體現了生物醫學工程專業學科融合的特點，既體現了專業的特色與內涵，又具有一定的綜合性和探索性，提高了學生解決復雜工程問題的能力[8]。

1 實驗設計方案

本系統主要由血氧飽和度傳感器、信號調理電路、微控制器數據處理和控制電路、上位機顯示等部分組成，如圖1 所示。

圖1 實驗系統方案

1.1 血氧飽和度傳感器

學生需要掌握傳感器的選型，根據實驗需要，選擇合適的傳感器型號。同時，對傳感器的工作原理和特性進行分析，掌握傳感器與后續電路的連接方法。

1.2 信號調理電路

在通過脈搏傳感器獲取原始脈搏信號后，本設計中運用了信號調理電路將脈搏信號進行濾波放大。

放大電路采用兩級放大，并且前級采用差分輸入方式，濾波電路中采用了一個50 Hz 的陷波電路和0.2 ～45 Hz 的帶通濾波電路（由45 Hz 低通與0.2 Hz 低通串聯組成），以最大程度地減少工頻及人體干擾。

電壓抬升電路，抬升電壓在0 ～5 V 可調。最終經過調理電路后，使脈搏波信號在0 ～5 V 范圍內，滿足ADC0809 輸入電壓要求。學生需要掌握運放的放大倍數計算、運放芯片選型及使用、截止頻率計算等模擬電路基礎知識。同時，需要通過Proteus 軟件等進行仿真計算。

1.3 微控制器數據處理和控制電路

將調理后的信號送給ADC0809 進行模數轉換，由于脈搏波信號95%能量集中在0 ～6 Hz，另根據采樣定理，采樣頻率必須大于等于2 倍信號頻率，才能保證使還原信號不失真，并根據上位機調試時觀察，最終確定下位機采樣周期在3 ms 左右。經過STC89C52 單片機采集后的數據，經過簡單處理后，通過串口將數據發送給計算機。

1.4 上位機顯示

上位機軟件采用VC++編寫，該軟件能實現上位機對下位機的控制，能進行部分數據處理功能并能完整顯示脈搏波波形。

2 實驗硬件設計

2.1 血氧飽和度傳感器

脈搏波信號采集采用指夾式的標準醫用血氧飽和度探頭NELLCOR DS-100A[9]，如圖2 所示。醫用血氧飽和度探頭為七針接口，內含雙波長發光的LED 與光敏二極管。圖3、圖4 引腳輸出的信號實際為電流型信號，需要跨接MΩ 級電阻，轉換至mV 級電壓信號。

圖2 血氧飽和度傳感器

圖3 信號采集電路

圖4 信號調理電路設計

如圖3 為血氧飽和度傳感器的信號采集電路，兩個開關分別控制雙波長發光的LED，并配以限流電阻，采用手動對開關控制，所以一次只能有一路光導通，利用單波長對脈搏波進行測量。同時在接口處引出測試點，方便后續測量。

2.2 信號調理電路

LM324 是低成本的四路運算放大器，在單電源應用中具有較多優勢[10]，綜合考慮，選取LM324芯片作為信號調理電路的主要芯片，并采用直插封裝進行兩級放大，方便后續開發與修改。如圖4 所示，運放單電源供電，并采用分壓方式提供參考電壓，經過電壓跟隨器后連接到跨阻放大器。采用RC 阻容設計了50 Hz 陷波器與0.2 ～45 Hz 的帶通濾波電路，以最大程度地減少工頻及人體干擾。

在設計模擬電路參數時，首先通過仿真軟件，進行了仿真實驗，本設計中用的是PROTEUS 仿真軟件，該軟件可實現對大多數模擬和數字電路進行仿真，并且簡單易學。通過多次仿真實驗，最終確定了兩級放大電路、50 HZ 陷波電路、0.2 ～45 Hz 帶通濾波電路及外圍元件參數。并通過使用PROTEUS仿真軟件的圖表模式功能，觀察了各部分模擬電路的性能參數。通過生成的圖表，可以清晰地觀察到濾波電路和陷波電路的濾除效果。從生成的各部分圖表中發現，各部分模擬電路較好地滿足了設計要求。如下圖5 為整個信號調理電路及其頻率特性。

圖5 信號調理電路及其頻率特性

在實際測試中信號由圖4 中的測試點1 輸入，具體信號如圖6（a）所示。原始信號通過跨阻放大器放大，并經過了R19 和C20 組成的18.45 Hz 低通濾波器，得到了如圖6（b）所示的測試點2 信號，緊接著信號通過了由R17 和C18 組成的0.451 5 Hz高通濾波器，得到了圖6（c）所示的測試點3 信號。最后信號通過運放與C19 和R22 組成的16.22 Hz低通濾波器，得到如圖6（d）所示的測試點4 信號，也是最終獲得的脈搏波信號。在此過程中可以看出濾波器完成了有效濾波，獲得了具有明顯特征的脈搏波信號。

圖6 實際測試信號

2.3 模數轉換電路

經過濾波后的信號輸入到ADC0809 芯片中進行模數轉換，該芯片是逐次逼近式的A/D 轉化器，具有8 路輸入通道，8 位分辨率，采用單電源5 V 供電[11]，符合設計要求，與本項目中的目標信號相符合，因此采用ADC0809 進行數模轉換電路的設計。由于ADC0809 芯片需要10KHz 至1 280 KHz 范圍內的時鐘信號，采用74LS74 數字芯片設計D 觸發器，為ADC0809 提供時鐘信號。

由于ADC0809 的采樣時鐘信號CLOCK 是由單片機的ALE 端通過2 個D 觸發器4 分頻而產生的。ALE的輸出時鐘頻率是六分之一的單片機晶振頻率，所以可以知道ADC0809 的時鐘頻率為500 KHz。

如圖7 為模數轉換電路的原理圖。目標信號經過上述電路采集并處理后從PulseWave 端輸出，連接到ADC0809 芯片的26 腳，單片機發送指令使能，同時D 觸發器產生時鐘信號供芯片正常工作，最后將8 位數字量輸出端接入單片機，并進行處理分析。

圖7 ADC0809 模數轉換電路

2.4 主控部分

主控采用的是亞博智能的成品開發板Mini51，如圖8 所示，主控芯片為STC89C52。該開發板包括數碼管與液晶屏顯示模塊、串口通信與紅外模塊、流水燈、按鍵與溫度傳感器等，可擴展能力強。

圖8 STC89C52 單片機開發板

在本實驗中，首先需要用到的是USB 供電部分，采用USB 對整體系統進行5 V 的單電源供電。模數轉換電路中的8 位輸出數字量與單片機的P0.0 至P0.7 相連，使能端ENABLE，START 與EOC 分別連接單片的P2.1，P2.0 與P3.2 進行控制。通信部分，通過CH340 芯片與電腦相連，進行串口通信傳輸數據。并且除了該項目外，該開發板還可進行流水燈、數碼管顯示、溫度測量等實驗，具有良好的拓展性。

3 實驗系統軟件設計

軟件上位機采用VC++編寫[12]，通過串口與光電容積脈搏波采集系統相連接。具有脈搏波波形顯示，心率數據計算顯示，數據保存等功能，主要程序如下：

并且軟件內包含濾波算法，如滑動均值濾波，中值濾波等。如圖9 為上位機的界面。

圖9 上位機界面

根據采集到的數據，還可進行心率的計算，如圖10 為心率計算的流程框圖。首先在接收到模數轉換后的數據時，根據數據查找信號的波峰與波谷并記錄，在出現一次脈沖時記錄一次心跳，利用定時器計算兩次心跳的間隔。若間隔過長，可能測量方法不準確，則舍棄此次數據重新計算。根據測量的心跳間隔計算心率并取平均值。最后顯示在屏幕上。

圖10 心率計算流程圖

4 實驗系統實現

光電容積脈搏波采集系統實物如圖11 所示。采用透射式血氧探頭夾住手指，信號采集與調理電路濾波，模數轉換輸入MCU，在MCU 中經過簡單處理后傳到上位機通信，最終測得脈搏波數據。最終顯示結果如圖12 所示，圖中線條代表脈搏波部分，可見具有脈搏波明顯特征。

圖11 光電容積脈搏波采集系統實物

圖12 脈搏波數據采集與顯示

5 實驗效果

實驗的設計和實踐，實現了醫學與工學、電子信息與生物醫學工程專業內涵的雙向交叉融合，培養的學生能夠滿足醫學電子儀器行業對生物醫學工程專業人才培養的需求。實驗過程中，實行分類評價和考核，使每個學生都能有獲得感和滿足感。每個學生都可以實現“學習醫電課程，做臺醫學儀器”的目標，從而極大增強學生的自信心和學習熱情。

在實驗過程中，學生首次親自設計和制作了一臺簡易的醫學電子儀器，對其專業能力的提升起到了重要的作用。學生自主研制的基于肌電信號的機械手，獲得“挑戰杯”廣西賽區一等獎。同時，相關的醫學電子儀器設計還獲得“互聯網+銀獎”、全國生物醫學工程創新設計大賽二等獎、國家級大學生創新重點項目等。

在光電容積脈搏波實驗系統設計過程中，同時也培養了學生的“同情心”和“好奇心”，使學生在課程學習過程中不知不覺樹立“醫學電子儀器使用對象是人體，我們需要承擔更大的社會責任”的思想，“潤物細無聲”地完成生物醫學工程課程思政的重點教學內容。

6 結束語

本實驗將醫學電子儀器設計、單片機、數字信號處理等知識綜合起來，實現了教學與實踐的融合，使學生在實踐中學習，激發了醫學儀器研發的潛能與興趣。同時，本系統可拓展能力較強，為未來復雜醫學電子儀器的設計打下了良好的基礎。