【正文】 .............................................................................................................. 32 附錄 A 原理圖 ............................................................................................................. 32 附錄 B 主程序 ............................................................................................................. 33 附錄 C 顯示程序 ......................................................................................................... 37 附件 附件 A 開題報(bào)告 附件 B 譯文及原文影印件 第 1 頁 共 40 頁 1 緒論 課題背景及目的 脈搏是臨床檢查和生理研究中常見的生理現(xiàn)象 [1]，包含了反映心臟和血管狀態(tài)的重要生理信息。人體內(nèi)各器官的健康狀態(tài)、病變等信息將以某種方式顯現(xiàn)在脈搏中即在脈象中。人體脈象中富含有關(guān)心臟、內(nèi)外循環(huán)和神經(jīng)等系統(tǒng)的動態(tài)信息，我們可以通過對脈搏波檢測得到的脈波圖含有出許多有診斷價(jià)值的信息，可以用來預(yù)測人體某些器臟結(jié)構(gòu)和功能的變換趨勢，如 :血管幾何形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)的變異會引起脈搏波波形和波速等性質(zhì)的改變，而脈搏的病理生理性改變常引發(fā)各種心血管事件，脈搏生理性能的改變可以先于 疾病臨床癥狀出現(xiàn)，通過對脈搏的檢測可以對如高血壓和糖尿病等引起的血管病變進(jìn)行評估。同時脈搏測量還為血壓測量，血流測量及其他某些生理檢測技術(shù)提供了一種生理參考信號。 在醫(yī)院臨床監(jiān)護(hù)和日常中老年保健中，脈搏是一項(xiàng)基本的生命指標(biāo)，因而脈搏測量是最常見的生命特征的提取。 [2]近年來出現(xiàn)的日常監(jiān)護(hù)儀器，如便攜式電子血壓計(jì)，可以完成脈搏的測量。但是這種便攜式電子血壓計(jì)利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，每次測量都需要一個加壓和減壓的過程，存在體積龐大、加減壓過程會有不適、脈搏檢測的精確度低等缺點(diǎn)。 人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致 主動脈的收縮和舒張，使血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播，這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征。 本設(shè)計(jì)所使用的系統(tǒng)利用壓電陶瓷片將脈博轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理后利用AT89S51 單片機(jī)進(jìn)行信號采集和處理，在短時間內(nèi)，測量出人體一分鐘的脈搏數(shù)，并將心率進(jìn)行實(shí)時顯示，便于攜帶。達(dá)到了方便、快速、準(zhǔn)確地測量心率的目的。這樣的脈搏測量系統(tǒng)性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，性價(jià)比高，輸出顯示穩(wěn)定，比較適應(yīng)大眾化，適 合家庭進(jìn)行自我檢查以及醫(yī)院護(hù)士進(jìn)行每日的臨床記錄。 第 2 頁 共 40 頁 國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢 早在 1860 年 Vierordt 創(chuàng)建了第一臺杠桿式脈搏描記儀 [3]，國內(nèi) 20 世紀(jì) 50 年代初朱顏將脈搏儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。此后隨著機(jī)械及電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外在研制中醫(yī)脈象儀方面進(jìn)展很快，尤其是 70 年代中期，國內(nèi)天津、上海、貴州、江西等地相繼成立了跨學(xué)科的脈象研究協(xié)作組，多學(xué)科共同合作促使中醫(yī)脈象研究工作進(jìn)入了一個新的境界。以下按脈象儀探頭的形式，傳感器的特點(diǎn)及研制者作一簡單的歸納 [4]，詳見表 11。 表 11 脈象儀的研制情況 研制者 探頭形式（單部） 探頭形勢（三部） 北京醫(yī)療器械廠 MX1 型（應(yīng)變片） BYS14 型（應(yīng)變片） 上海醫(yī)療儀器研究所 MX3 型， MX 型（ 7 點(diǎn)式） 3MX1 型（應(yīng)變片） 天津醫(yī)療儀器研究所 MTYA（寸部 7 點(diǎn)，應(yīng)變片） 上海中醫(yī)學(xué)院 ZM1 型（子母式，應(yīng)變片） 九路型（徑向 7 點(diǎn)，軸向 3組） 貴州省脈象協(xié)作組 ZHI 型（應(yīng)變片） ZHII 型，軸向徑向均可調(diào)節(jié) 西安交通大學(xué) 圓形氣囊加壓式（ 7 點(diǎn)） 上海中醫(yī)研究院 橫向線列 式九道（應(yīng)變片） 浙江大學(xué) 63 點(diǎn)（ PVDF 壓電薄膜） 西苑醫(yī)院 壓電晶體 江西脈圖協(xié)作組 MX811 型（液態(tài)泵） 中科院基礎(chǔ)所 硅杯式（單晶硅） 中科院智能機(jī)械所 軟接觸式（應(yīng)變片，液態(tài)） 湖南省中醫(yī)學(xué)院 血管容積式（光敏元件） 湖南省中醫(yī)研究院 阻抗儀 中國臺灣 汪叔游 三部壓力換能器 美國 Dr. Laub （壓電晶體） 三部手套力與壓力復(fù)合式 德國 Park. 三部綁帶充氣加壓 脈象探頭式 樣 [5]很多，有單部、三部、單點(diǎn)、多點(diǎn)、剛性接觸式、軟性接觸式、氣壓式、硅杯式、液態(tài)汞、液態(tài)水、子母式等組成脈象探頭的主要原件有應(yīng)變片，壓電晶體、單晶硅、光敏元件、 PVDF 壓電薄膜等，其中以單部單點(diǎn)應(yīng)變片式為最廣泛，不過近年來正在向三部多點(diǎn)式方向發(fā)展。 脈搏測量儀的發(fā)展主要向以下幾個趨勢發(fā)展： (1) 自動測量脈搏并且對所得到的脈搏進(jìn)行自動分析。 目前很多脈搏測量儀都具有檢測血氧等其他的功能，但是對這些信號的分析和診斷還需要一些有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生觀察，進(jìn)行分析后才能確認(rèn)結(jié)果，浪費(fèi)大量的人力，且由人為 第 3 頁 共 40 頁 引入的誤差較 大。因此，未來脈搏自動檢測的內(nèi)容將更加詳細(xì)，自動分析診斷功能也更強(qiáng)大。 (2) 數(shù)字化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。 隨著數(shù)字科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量儀集成度將更高，更便于攜帶。數(shù)字信號處理的運(yùn)用將使干擾更小，測量更為準(zhǔn)確。 （ 3）多功能化越來越明顯 目前的脈搏測量儀，一般都具有測試血氧，心電圖等等功能，單純的脈搏測量儀已經(jīng)很少見。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量儀必然可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。 課題研究難點(diǎn) 由于人體的脈搏信號具有頻率低、幅度小干擾大，不穩(wěn)定度低，隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得對脈搏信號的采集放大電路的設(shè)計(jì)提 出了很嚴(yán)格的要求，尤其是抗干擾變?yōu)槭种匾?，需要設(shè)計(jì)低通濾波器進(jìn)行濾波。選擇放大器時需要從增益、頻率響應(yīng)，輸入阻抗，共模抑制比，噪聲，漂移等幾個方面加以綜合考慮 [6]。 抗干擾 （ 1） 工頻 50HZ 干擾及其各次諧波 使用頻率為 50HZ 的市電的電子儀器設(shè)備會對檢測系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的干擾，其幅值大約是脈搏信號峰峰值的 50%,是主要的干擾源 （ 2） 肌電干擾 肌肉的收縮會產(chǎn)生微伏級的電勢，其幅值大約是脈搏信號峰峰值的 10％，維持時間大約是 50ms，頻帶范圍可以在 0HZ~10000HZ。 （ 3） 由于呼 吸引起的基線漂移和 ECG 幅度變化 呼吸引起的基線漂移可以看成是一個以呼吸的頻率加入 ECG 信號的竇性成分（正弦曲線），這個正弦成分的幅度和頻率是變化的。呼吸所引起的 ECG 信號的幅度的變化可以達(dá)到 15％。基線漂移的頻率是從 ～ 。 低噪聲、低漂移 在脈搏信號放大器中，由于增益較高，噪聲和漂移是兩個較重要的參數(shù)。脈搏信號放大器運(yùn)行過程中的噪聲主要表現(xiàn)為電子線路的固有熱噪聲和散粒噪聲，這些都屬于白噪聲，其幅值為正態(tài)分布。為了獲得一定信噪比的輸出信號，對放大器的低噪聲性能有嚴(yán)格要求。另外， 溫度變化會造成零點(diǎn)漂移，漂移現(xiàn)象限制了放大器的輸入范圍，使得 第 4 頁 共 40 頁 微弱的緩變信號無法被放大。而脈搏信號具有很低的頻率成分，為了能正常測量，必須采取措施來限制放大器的漂移。所以放大器應(yīng)選用低漂移，高輸入阻抗并且具有高共模抑制比的集成運(yùn)放電路。 課題主要研究內(nèi)容 正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘 60～ 80 次（嬰兒為 90～ 140 次 ,老年人則為 100～ 150次 ), 這種頻率信號屬于低頻范疇 .因此 ,脈搏測量儀是用來測量低頻信號的裝置 ,它的基本功能要求應(yīng)該是 : （ 1）要把人體的脈搏數(shù) (振動 )轉(zhuǎn)換成電信號 ,這就需要借助傳感器。 （ 2）對轉(zhuǎn)換后的電信號要進(jìn)行放大和整形處理，以保證其它電路能正常加工和處理。 （ 3）在很短的時間（若干秒）內(nèi)，測出經(jīng)放大后的電信號頻率值。 總之，脈搏測量儀的核心是要對低頻信號在固定的短時間計(jì)數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來?？梢姡}搏測量儀的主要組成部分是計(jì)數(shù)器和數(shù)字顯示器。 脈搏測量儀的上述功能要求，可采用兩個不同的方案來實(shí)現(xiàn)： （ 1）把轉(zhuǎn)換為電信號的脈搏信號，在單位時間內(nèi)（一分鐘或半分鐘）進(jìn)行計(jì)數(shù)，并用數(shù)字顯示其計(jì)數(shù)值，從而直接得到每分鐘的脈搏數(shù)。 （ 2）測量脈搏跳動固定次數(shù)（比如 5 次， 10 次）所需的時間 ，然后轉(zhuǎn)換為每分鐘的脈搏數(shù) [7]。 這兩種方案比較起來，第一種更直觀，所需的電路結(jié)構(gòu)更簡單些；第二種方案的測量誤差比較小，但實(shí)現(xiàn)起來電路要復(fù)雜些。本設(shè)計(jì)采用第二種方案。 第 5 頁 共 40 頁 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 脈搏測量儀要實(shí)現(xiàn)對脈搏信號的檢測，并且能夠?qū)γ}搏信號進(jìn)行處理，并進(jìn)而求得脈搏數(shù)來顯示?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，有兩種方案可以實(shí)現(xiàn)。 方案一：使用純硬件電路來實(shí)現(xiàn)。整個系統(tǒng)的框圖如下圖 所示 圖 純硬件脈搏測量儀框圖 方案二：使用單片機(jī)電路來實(shí)現(xiàn)。通過信號調(diào) 理電路，將脈搏信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)脈搏測量功能。使用該方案其框圖如下圖圖 所示。 圖 單片機(jī)脈搏測量儀框圖 通過比較以上兩種方案。方案一由于使用純硬件方式，系統(tǒng)穩(wěn)定度比較高。但是功能有限，靈活度較低，也不能很好的實(shí)現(xiàn)鍛煉自己的目的。而單片機(jī)方案有較大的活動空間，不但能實(shí)現(xiàn)所要求的功能而且能在很大的程度上擴(kuò)展功能，而且還可以方便的對系統(tǒng)進(jìn)行升級，所以我們采用后一種方案。 標(biāo)準(zhǔn)時標(biāo)（分）發(fā)生 器 計(jì)數(shù)器 放大整形 脈搏檢 測 人體 譯碼器 LCD 顯示 （ 3 位） 信號調(diào)理 脈搏檢測 人體 單片機(jī)電路 顯示 第 6 頁 共 40 頁 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案 傳感器的選擇 （ 1）壓電式傳感器 目前常用的是一次性心電電極 ,它是用印刷方法制得的 Ag/ Agcl 傳感器。這種傳感器采用接扣與敏感區(qū)分離的方法 ,能明顯的減少由于人體運(yùn)動產(chǎn)生的干擾。電極的好壞對采集到的心電信號質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用 ,采用的電極應(yīng)有貼力強(qiáng) ,能緊附在人體表面 ,柔軟、吸汗、極化電壓低、導(dǎo)電性良好等特點(diǎn)。當(dāng)選用電極傳感器時 ,需要 3 個電極分別置于左右手和左腿 ,構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)。臨床上為了統(tǒng)一和便于比較所獲得的脈搏信號 ,在檢測脈搏信號時 ,對電極的位置 ,引線與放大器的連接方式都有嚴(yán)格的統(tǒng)一規(guī)定。 目前市場上有一種采用新型高分子壓電材料聚偏氟乙烯研制的壓電傳感器 ,其靈敏度高 ,頻帶范圍好 ,結(jié)構(gòu)簡單 ,便于使用。當(dāng)手指前端受到輕微的壓力時，可以感覺到手指前端在血壓的作用下有一張一弛的感覺，將這個信號用傳感器提取出來，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，通過指脈的波形檢測，就可以獲得人體的脈搏信號。 （ 2）光電式傳感器 血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比血液中大幾十倍，據(jù)此特點(diǎn)，采用光電效應(yīng)手指脈搏傳感器 [8][9]來拾取脈搏信號。反向偏壓的光敏二極管，它的反向電流具有隨光照強(qiáng)度增加而增加的光電效應(yīng)特性，在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)，光敏二極管的反向電流與光強(qiáng)呈線性關(guān)系。指端血管的容積和透光度隨 心搏改變時，將使光電三極管極管收到不同的光強(qiáng)，并由此產(chǎn)生的光電流均隨之作相應(yīng)變化。常用檢測脈搏的光電傳感器 [10]分為紅外對管和紅外放射管。 采用紅外對管。將對管夾于手指端部，通過手指的血液濃度會隨著心臟的跳動發(fā)生變化，紅外對管對應(yīng)的信號便會發(fā)生相應(yīng)的變化，采集此信號經(jīng)過放大，濾波，比較等處理便可以得到理想的信號。 采用反射式的紅外管?，F(xiàn)在市場上的心率計(jì)普遍采用這種傳感器來采集信號，因?yàn)榇思t外管接收和發(fā)射都在手指的同一側(cè)，因此便不用考慮每個人手指情況不同所造成的麻煩。 接收的是血液漫反射回來的光，此信號可以精 確地測得血管內(nèi)容積變化。 （ 3）集成傳感器 當(dāng)前 ,市面上有很多類型的集成心電傳感器 [11],其靈敏度高 ,集成度高 ,直接就可以反映出心率的變化 ,且已包含了濾波等抗干擾電路 ,波形經(jīng)過放大可以直接處理使用。缺點(diǎn) 第 7 頁 共 40 頁 是價(jià)格非常昂貴，一般均在五百元以上 。 三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較 （ 1）光電式： 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，易于操作 ,響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單。 缺點(diǎn)： 外部光源的變化對測量結(jié)果的影響較大； 需要購買專門的醫(yī)用光電傳感器，價(jià)格較貴且不易購買； 對這樣的器件接觸很少，對其進(jìn)行調(diào)試時可能會出現(xiàn)較 大困難。 （ 2）壓電式： 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)時性好，工作頻帶寬，應(yīng)用電路簡單，且價(jià)