人体脉搏信号检测系统设计

第1章绪论

1.1 研究背景和意义

随着社会和科学技术的不断进步，人们对生命现象的认识也越来越深入，生物医学信号的检查是对人体健康状况评估的手段。在医院里，通过检查必要的生物医学数据，医生可以对病人健康程度做一个评估，并且根据数据诊断出病患所得的疾病以及康复状况。同时，医药保健类产品早已经不是医院的专利，以家庭为单位，几乎每个家庭都配备了必要的医疗保健类用品[1-3]。在适宜的医疗设备条件下，病人可以不依靠医生的辅助，自己采集医学生理数据，通过医学根据对此参数分析，评估健康水平或者诊断自身是否有疾病。现代的医疗仪器给人民生活带来了便捷，在智能化、便携式、可靠性、安全性等方面都有了很大的提高。仪器在实现功能的同时都有不同的特点，有的仪器便于携带，有的仪器操作简单。当然，结合众多优点的仪器无疑受到消费者的青睐。以医院为单位，因为测量出来的数据可以直接提供给医生作为诊断或评估病人身体状况的参考，所以这类医疗仪器性能高、功能强大、测量数据准确。而对于以家庭或个人来说，在保证功能的同时，方便测量生理数据、便于携带、价格低廉、智能化这些特点是此类医疗仪器发展的趋势。

作为诸多生理信号的一种，脉象信号蕴含着丰富的信息，从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多

生理病理的血流特征[4]。许多中医文献分析脉象的形成和西医分析虽然表、述各有不同，但是有相同的科学原理。

人体循环系统由心脏、血管、血液所组成，负责人体氧气、二氧化碳、养分及废物的运送。血液经由心脏的左心室收缩而挤压流入主动脉，随即传递到全身动脉。当大量血液进入动脉将使动脉压力变大而使管径扩张，在体表较浅处动脉即可感受到此扩张，即所谓的脉搏[1]。

正常人的脉搏和心跳是一致的。脉搏的频率受年龄和性别的影响，婴儿每分钟

120-140次，幼儿每分钟90-100次，学龄期儿童每分钟80-90次，成人为60-100次/分，老年人为55-60次/分。正常人脉率规则，不会出现脉搏间隔时间长短不一的现象，脉搏强弱均等，不会出现强弱交替的现象。成人脉率每分钟超过100次，称为心动过速；每分钟低于60次，称为心动过缓[2]。

综上所述，脉搏信号对于人体心脑血管系统和整体健康水平都有很好的反映，因此研制出一种能够对脉搏信号进行检测、分析的脉搏分析仪器就拥有重要的意义：其一，对于前期心脑血管疾病预防和中期病情监护，安全、方便、快捷的评估心脑血管健康状况的设备对人体心脑血管系统功能进行监测，及早发现病情，实时把握健康状况，并准确做出诊断具有重要的现实意义。对于危重病人既可用于检查治疗，可及早发现致命性病变。其二，对一般人则可用于早期健康评估和病人身体状况的愈后检查。通过脉搏信号的检测和分析，可以结合其他生理参数，对人体亚健康状态的早期病变进行预测。脉搏信号检测不需要复杂昂贵的设备，且操作简便拥有无创性的特点，在心脑血管和临床医学检查、治疗、用药、康复、保健等方面都有着良好的应用前景。

因此，诊脉建立切实可行的客观指标，即脉诊客观化，乃是继承和发扬中医脉学迫切需要解决的首要问题，在此同时实现可视化，对于疾病人群和健康人群的分类有着重大的意义。利用现代的科学技术仿真中医诊脉，用科学的分析方法从不同角度分析脉搏波数据是实现客观化和可视化指标的重要手段。应用脉诊的客观指标就可以使脉诊有了共同的客观标准和依据，促进相互讨论和交流脉诊的实践经验和研究成果，促进中医脉学的现代化和快速发展，提高中医临床诊断水平。应用脉诊的客观指标，可以研究中医名家的诊脉特点，有利于吸取经验和观点。现代脉搏信号仪器实现脉诊指标的客观化和可视化是通过测量脉搏信号，画出脉象图，测量图上各个指标来进行的。因此，脉象图是实现脉诊客观化的一项重要指标。脉诊所得脉象的各种信息可用脉搏传感器放在切脉部位的皮肤上，以不同的压力取法画出脉象曲线，这种脉象曲线称为脉象图。以此为心脑血管疾病作诊断，这也为无创伤诊断开辟了一条新途径。

现代脉象诊断就要实现可视化，可以通过分析脉搏图，测量脉搏图的参数。脉搏图指标在很多资料中命名方法各有不同，在实际中还没有统一的标准。去除医生主观因素，运用科学的分析手段，对脉象信号进行分析，是势在必行的。

1.2人体脉搏信号检测系统研究现状

1860年法国的Vierordt研制出第一台弹簧杠杆式脉搏描记器，使脉象研究由示意图阶段进入示波图阶段[6]。随着技术水平的发展，脉象仪不断发展，国内外的学者制造出了有代表性、性能各异的脉诊仪器。

脉诊仪器研究的重点是传感器的设计，到现在为止，研究人员已经研制出种类繁多的传感器来模拟中医切脉时的手指，采集脉搏信号记录并分析。现阶段，用于脉象信息采集的传感器根据其工作原理可分为：压力传感器、光电式脉搏传感器、传声器和超声多普勒技术[9-11]。其中，压力传感器用的最多，因为它是将压力信号转换为电信号，是最接近中医切脉的模拟医生手指的功能。它还包括压电式传感器，压阻型传感器和压磁式传感器[9,10]。

(1)压电式传感器利用压电材料的特性将脉搏的压力信号转换为电信号，根据压电式[12]材料的不同可分为压电晶体式传感器、压电陶瓷式传感器、压电聚合物传感器和复合压电材料传感器。其中以PVDF压电薄膜传感器用的最多。

(2)压阻型传感器主要利用电阻率随应力变化的性质制成的，目前它的应用最为广泛，压阻式传感器根据压力的传导方式不同可分为固态压阻式传感器、液压传感器和气导式传感器。

(3)压磁式传感器也称作磁弹性传感器，是近年来国内外新兴的一种新型传感器。它的作用原理是建立在磁弹性效应的基础上，即利用这种传感器将作用力变换成传感器导磁率的变化，并通过导磁率的变化输出相应变化的电信号。但因理论和技术上尚未成熟，限制了其广泛应用。

(4)光电容积式脉搏传感器此种传感器测量部位是指端，由指总动脉分两路从指干两侧通向指尖，再由丰富的冠状小动脉弥散至毛细血管，然后从静脉回流。用一束光线透过指端的毛细血管床，由于人体手指末端微血管床随着动脉搏动而发生血管容积的变化，因为随着脉搏搏动前后对光的吸收量不同，透过手指的光强也随之变化，利用光敏元件可测出这种随血管容积的变化而变化的光强信号，转换成电信号输出，以此反映出脉搏波的变化情况即获得指端容积脉搏波信号[13,14]。

(5)超声多普勒技术国外对脉搏波的研究，在仪器上正朝着超声显像方面发展，脉搏图也进入了由示波图到声像图研究的新阶段。动脉脉搏除发出压力搏动的信息之

外，还有管腔容积、血流速度、脉管的三维运动等多种信息，仅用压力脉图难以全部定量地反映脉象构成要素的指标。随着医学超声显像诊断技术的发展，超声多普勒技术在脉象客观化的研究中已经日益受到重视，取得了一定的进展。

当然，传感器探头种类也很多，有单探头、双探头和多探头的传感器。

(1)单探头传感器的研究

现在检测人体脉象信息的装置，主要是带有一个单点式脉象传感器的脉象仪，这类仪器是用的最多最广泛的、时间也是最久的。人们用这类仪器已能初步识别十几种常见脉象，这些仪器的深入应用推动了我国脉象客观化的研究。

目前常用的单触头压力脉搏传感器在整体结构上主要采用了表带式和支架式两种形式。表带式结构一般是通过尼龙绑带将传感器绑扎在被测者的腕部，操作方便、简单，记录的脉图受人体体位和呼吸的干扰较小。支架式结构的特点是传感器固定在加压机构上，无须绑扎被测者的腕部，因而可以避免绑扎所引起的附加张力，与医者手指切脉的情景较为相符。但是由于人体体位和呼吸的影响，被测者手腕与传感器之间的相对位置难以保持稳定，检测过程中会产生较大的呼吸干扰和杂散振动干扰。

另有一种是指套式的单触头压力脉搏传感器结构。美国https://www.360docs.net/doc/889823124.html,ub在20世纪80年代设计的一种脉搏波动检测装置将压力传感器分别并排固定于食指、中指、无名指的手套前端，按在被测者的寸、关和尺三部上，用三支电动描记笔同时记录三部脉的波形，用于进行脉象分析，并且可以将医者的取脉压力也同时显示出来。用这种结构的传感器进行脉象信息检测，很好地模拟了手指切脉的情景，如果通过一定的设计使指套前端具有良好的力传导性能的话，那么在诊脉过程中除了由传感器检测脉波之外，医者还能根据指端对脉搏波动的感受来进行各种灵活的指法变化，从而测得不同取脉压力下脉搏波动的动态变化。这种指套式结构所具有的良好模拟特性使得它具有一定的实用性，但是也有文献指出，这种结构形式难以保证医者指端与被测者腕部之间的位置相对稳定，以至于记录的脉图波形缺乏足够的稳定性，而且检测结果的重复性较差[8,15]。

单探头脉象传感器反映的信息比较局限，这是因为单点式脉象传感器的结构特点，限制了更多的脉搏信息及血管力学参数的测定。单探头、单部位的检测方法与中医实际临床“三部九候”的切脉方法上有一定的差异，主要有下列两方面不足

[8]：第一，单探头传感器无法区分血管轴向张力和径向搏动力。第二，单探头传感器加脉取压时，换能器受到皮肤软组织的反压力不但与受压组织的变形量有关，还与“皮肤-软组织-动脉管”力学特性有关。现有检测方法无法区分软组织变形量和无法区分软组织变形程度及软组织固有的弹性、硬度等力学参数对切脉压力的影响程度。

(2)双探头传感器的研究

设计了双探头复合式脉象传感器，即由外围传感器和中心传感器组成双探头传感器。中心传感器测得单纯垂直方向的力，而外围传感器测得脉搏搏动力、皮肤切向张力等的综合力对两路信号进行运算，能区分血管径向搏动力、轴向张力、血管等效硬度等力学指标。

双探头传感器的临床意义：目前国内对弦、平、滑等脉象的线性判别标准，由于受到单探头传感器件功能上的限制，只能根据波形形态来分析计算。利用双探头传感器检测的脉象数据，可能做出深刻地揭示；双探头传感器所测得的脉象力学指标有可能为判断有关血管的固有弹性、硬度等力学性质提供客观标准，利用双探头传感器在无损检测血压、心血管功能状态以及建立中医脉象的力学指标、补充脉象的判断标准等方面都可以进行深入的研究。

(3)三探头传感器的研究

三探头压力式传感器组合取脉时，挠动脉被加压以致阻断并被强制地分为三个有生理意义的小区。三点的脉搏特征是不同的、有特殊生理意义的。这种组合式的脉搏传感器，特别是“中突型”结构的，一是能测出挠动脉内血流状态；二是能比较压阻点近远心侧脉波的差别；三是能获得有关脉搏波传播速度的信息；四是能够鉴别脉波的拍变化的伪差；五是能大致估计整体外周阻力与首部外周阻力对脉波形态的影响。同步三部脉象，并与单探头压力式传感器检测单部脉象的结果进行比较，得出以下几个初步结论：二者在最佳脉压力上有差，单部脉象检测在最佳取脉压力下的脉图主峰波高度与在这个压力下三部脉象同步检测所建立的主峰波高度有显著差异，测取的脉图在形态上归平、弦、滑等类，没有发现本质上的差别，对三部脉象同步检测时测取的寸、关、尺脉图进行形态归类，也无明显区别，但幅值差别较大，且因人而异[8,9]。

1.3 本课题完成的主要内容

本文设计了一种人体脉搏信号检测系统，利用了现代的传感器技术，把光学传感器测到的信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的。本文的创新点在于低功耗，节能。

本文主要研究内容包括：

(1) 脉搏医学界理论，脉搏图的发展和现状。

(2) 设计了脉搏波信号采集系统，包括硬件和软件部分。信号采集硬件以MSP430单片机为控制核心，利用其低功耗技术，采集脉搏数据，使得信号通过串口进入计算机。低功耗还体现在滤波电路和比较电路的放大器件选用MCP6002。

(3) 把光学传感器测到的信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的。在液晶显示屏上显示出脉搏跳动数值，对不合格的心率信号进行语音报警。

本论文结构安排如下：

第 1 章，绪论。介绍课题的目的和意义，国内外研究现状以及本课题所研究的内容。

第 2 章，人体脉搏信号检测系统的总体设计。按照低功耗、廉价、便携、易操作、易升级等要求对检测系统进行了总体设计。

第 3 章，人体脉搏信号检测系统的硬件设计。介绍了人体脉搏信号检测系统的具体设计选择:传感器的选择，控制器的设计，显示器件的选择以及硬件电路设计。

第 4 章，人体脉搏信号检测系统的软件设计。

第 5 章，系统实验及调试。

第 6 章，结论与展望，说明了仪器可改进和提高的部分和需要进一步研究的地方。

第2章系统需求分析和总体方案设计

系统整体设计对整个系统的开发有重要的作用，系统整体设计决定了系统的功能和特点，并且对后续的开发、升级有着重要的影响。市场上的脉象采集仪器大都是脉诊仪器，采集脉搏图精细、准确，但是这类仪器仪表价钱昂贵、大型笨重、需要医生专家使用，不便于小医院或家庭使用，本文设计的仪器有价格低、便携式、低功耗的优点。

2.1人体脉搏信号检测原理

本文设计的是人体脉搏信号检测系统。其工作原理是首先通过脉搏传感器把测到的信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的。在数码管上显示出脉搏跳动数值，对不合格的心率信号进行语音报警。系统便于被测人携带，突破了测量空间的限制，当需要检测时只需要硬件和普通的计算机连接，安装相应的软件就可以进行实时采集和检测。在进行系统的整体设计之前，需要考虑以下几点：

(1) 完成基本的功能。即系统能够对光学传感器测到的信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示；

(2) 能够有自身的优点。例如本系统的低功耗、便携式；

(3) 易于对系统进行改进和日后的升级；

(4) 操作方法简单，方便使用者。

确定系统整体功能和特点后，就开始进行任务的划分。系统包括两个部分，上位机和下位机。下位机主要是单片机系统，上位机是计算机系统。

下位机采用单片机系统，主要是因为单片机系统易于设计者开发，容易实现设计意图和仪器功能特点，便于扩展功能和以后的升级，经济廉价。在个人计算机上设计上位机主要是因为现在计算机比较普及，应用广泛；计算机可以提供软件平台，有利于人机交互；计算机存储量大，采集到的脉搏波数据可以存储到计算机硬盘，方便数据库存储和调用；计算机功能强大，处理速度快，如果后序欲对脉搏波数据分析并进行算法分析，我们可以继续使用现代的分析软件在计算机上实现。

2.2人体脉搏信号检测系统可实现的功能

系统的功能主要包含以下几个部分：第一部分，首先是数据采集部分，用传感器采集与心跳同频率的信息。第二部分，上位机软件实现多种功能，并设计相应的信号调理电路，通过对脉搏信号进行测量，进而对信号进行处理，最后在液晶显示屏上实时显示出脉搏数值，对不合格的患者心率信号进行语音报警。完成一次测量时间<10s，脉搏测量精度：≤±2次/分钟。

当然，在实现这些基本功能的基础上可以进行功能拓展，例如对脉搏信号进行采集、显示、存储、查询等。具体来说可以先对数据进行采集，采集人体脉搏信号，经过处理后进行无线传输。上位机软件也可进行多种功能拓展，包括患者个人信息记录和采集显示，数据查询和分析处理。

2.3人体脉搏信号检测系统的总体方案设计

进行硬件的总体设计需要考虑到以下几点：

首先，人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号, 而对于需要测量的人体脉搏来说，它的强度小，所引起传感器的电信号也比较微弱，而且变化频率随心脏搏动频率，大约一分钟几十次。所以，必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。

现代的数据采集仪器呈现多种特点。第一，小型化。在满足功能的同时，逐步淘汰大型笨重采集仪器。第二，低功耗和便携式。节约了电能，和过去相比，使用时间变长，便携式仪器用电池作为电源就能工作。第三，智能化。用户在使用时用更少的操作和说明就能完成功能。第四，传输速度快。运用各种方式和标准，现在数据传输的速度越来越快。第五，多功能。

系统的总体设计电路框图如图2-1所示，主要包括取样电路、放大电路、比较电路和MCU处理电路及显示电路。首先，使用压电传感器采集与心跳同频率的信息，送至MCU后，然后软件对信号进行处理，最后在液晶显示屏出数值，对不合格的心率信号进行语音报警。

图2-1系统设计原理框图

本系统的设计关键在于脉搏传感器的选取。硬件的选择从脉搏传感器开始。目前脉搏传感器种类繁多，性能各异，从工作原理可分为光电传感器、传声器、超声多普勒检测技术和压力传感器。本文期望找到一种可以与中医指压切脉的特点相符合，能够正确反映中医脉象的特征的传感器，要模仿中医诊断就需要找寻把压力变化信号转化为电信号的传感器。本文选取的光电传感器，利用的是光电检测原理。

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。

光电传感器中最常见普遍的光敏二极管做红外接收二极管和光面三极管做红外发送三极管。

1.光敏二极管

光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（<μA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

2.光敏三极管

光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

本文选择的光电式脉搏测量仪有以下特点：

1. 测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，通常在体外。

2. 传感器可重复使用且速度快，灵敏度高，精度高。

3. 测试的适用电压为5V-9V的直流电压。

4. 稳定性好、磨损小、寿命长、易于操作、维修方便。

5. 由于结构简单，因此体积小、重量轻、性价比优越。

6. 测量的有效范围为50次-199次/分钟。

2.4小结

本章首先介绍了人体脉搏检测系统的测量原理，包括脉搏信号采集、信号的转换以及频率在上位机的显示和分析。接着，具体介绍了系统可以实现的功能以及后序有可能进行的功能拓展。最后，给出了系统的总体方案设计。