【正文】 國最早的脈學(xué)專著《脈經(jīng)》問世以來，脈學(xué)理論得到不斷的發(fā)展和提高。在中醫(yī)四診（望、聞、問、切）中，脈診占有非常重要的位置 [1]。脈診是我國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中最具特色的一項(xiàng)診斷方法，其歷史悠久，內(nèi)容豐富，是中醫(yī)“整體觀念”、“辨證論證”的基本精神的體現(xiàn)與應(yīng)用。脈診作為“綠色無創(chuàng)”診斷的手段和方法，得到了中外人士的關(guān)注。但由于中醫(yī)是靠手指獲取脈搏信息，雖然脈診具有簡便、無創(chuàng)、無痛的特點(diǎn)易為患者接受，然而在長期的醫(yī)療實(shí)踐中也暴露出一些缺陷。首先，切脈單憑醫(yī)生手指感覺辨別脈象 的特征，受到感覺、經(jīng)驗(yàn)和表述的限制，并且難免存在許多主觀臆斷因素，影響了對脈象判斷的規(guī)范化；其次，這種用手指切脈的技巧很難掌握；再則，感知的脈象無法記錄和保存影響了對脈象機(jī)理的研究 [2]。脈診的這種定性化和主觀性，大大影響了其精度與可行性，成為中醫(yī)脈診應(yīng)用、發(fā)展和交流中的制約因素。為了將傳統(tǒng)的中醫(yī)藥學(xué)發(fā)揚(yáng)光大，促進(jìn)脈診的應(yīng)用和發(fā)展，必須與現(xiàn)代科技相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更科學(xué)、客觀的診斷 [3]。 醫(yī)院的護(hù)士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘脈搏數(shù)，方法是用手按在病人腕部的動脈上，根據(jù)脈搏的跳動進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了節(jié)省時間 ，一般不會作 1分鐘的測量，通常是測量 10 秒鐘時間內(nèi)心跳的數(shù)，再把結(jié)果乘以 6 即得到每分鐘的心跳數(shù)，即使這樣做還是比較費(fèi)時，而且精度也不高。為了提高脈搏測量的精確與速度，多種脈搏測量儀被運(yùn)用到醫(yī)學(xué)上來，從而開辟了一條全新的醫(yī)學(xué)診斷方法 [4]。 早在 1860年 Vierordt 創(chuàng)建了第一臺杠桿式脈搏描記儀，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、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 [5]。脈象探頭式樣很多，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，不中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 2頁 共 46頁 過近年來正在向三部多點(diǎn)式方向設(shè)計(jì) [6]。 目前脈搏測量儀在多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，除了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如無創(chuàng)心血管功能檢測、妊 高癥檢測、中醫(yī)脈象、脈率檢測等等，商業(yè)應(yīng)用也不斷拓展，如運(yùn)動、健身器材中的心率測試都用到了技術(shù)先進(jìn)的脈搏測量儀 [7]。 脈搏測量儀的發(fā)展與應(yīng)用 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量技術(shù)也越來越先進(jìn)，對脈搏的測量精度也越來越高，國內(nèi)外先后研制了不同類型的脈搏測量儀，而其中關(guān)鍵是對脈搏傳感器的研究。起初 用于體育測量的脈搏測試 集中在對接觸式傳感器的研究，利用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測量儀各有其優(yōu)缺點(diǎn)。 指脈測量比較方便、簡單，但因?yàn)槭种干系暮瓜佥^多，指夾常年 使用，污染可能會使測量靈敏度下降：耳脈測量比較干凈，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護(hù)。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確 [8]。過去在醫(yī)院臨床監(jiān)護(hù)和日常中老年保健中出現(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) [9]。 近年來國內(nèi)外致力于開發(fā)無創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的重要特征是測量的探測部分不侵入機(jī)體 ，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，能夠自動消除儀表自身系統(tǒng)的誤差，測量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數(shù) [10]。 其中光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，通過對手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號。具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。通過光電式脈搏傳感器所研制的脈搏測量儀已經(jīng)應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)等各個方面并收到了理想效果 [11]。 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，是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，這種波成為脈搏波 [12]。從脈搏波 中提取人體的心理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài) (波形 )、強(qiáng)度 (波幅 )、速率 (波速 )和節(jié)律 (周期 )等方面的綜合信息，在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 ,因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價值和應(yīng)用前景 [13]。但人體的生物信號多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻的弱信中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 3頁 共 46頁 號 , 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號 ,因此必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求 [14]。 本文的研究內(nèi)容 本系統(tǒng)研發(fā)主要包括了系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件。硬件的設(shè)計(jì)包括了各功能模塊的方案論證和電路設(shè)計(jì)， 各模塊硬件電路調(diào)試和總體調(diào)試。軟件的設(shè)計(jì)主要包括主程序 ，脈沖檢測記數(shù) 與顯示 。 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 4頁 共 46頁 2 脈搏監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 脈搏監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 脈搏測監(jiān)測系統(tǒng)是利用脈搏傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢測脈搏跳動的脈搏信號 轉(zhuǎn)換成電信號， 用電子儀表進(jìn)行測量和顯示的裝置。本系統(tǒng)的組成包括脈搏 傳感器、信號處理、單片機(jī)電路、數(shù)碼顯示、電源等部分。 1． 脈搏傳感器 即將非電量轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件。 2．信號處理 即處理 脈搏 傳感器采集到的低頻信號的模擬電路 (包括放大、濾波、整形等 )。 3. 單片機(jī)電路 即利用單片機(jī)自身的定時中斷計(jì)數(shù)功能對輸入的脈沖電平進(jìn)行運(yùn)算得出心率 。 4．?dāng)?shù)碼顯示 即把單片機(jī)計(jì)算得出的結(jié)果用 8位 LED數(shù)碼管靜態(tài)掃描來顯示，便于直接準(zhǔn)確無誤的讀出數(shù)據(jù)。 5. 電源 即向 傳感器、信號處理、單片機(jī)提供的電源，可以是 5V9V的交流或直流的穩(wěn)壓電源。 脈搏監(jiān)測系統(tǒng)工作原理 隨著電子測量技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代電子測量儀器以極快的速度向數(shù)字化、自動化的方向發(fā)展。制成的脈搏測量儀器性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，有較好的應(yīng)用和推廣價值。而其中關(guān)鍵是對脈搏傳感器的研究。起初 用于體育測量的脈搏測試 集中在對接觸式傳感器的研究，利用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測量儀各有其優(yōu)缺點(diǎn)。 指脈測量比較方便、簡單，但因?yàn)槭种干系暮瓜佥^多，指夾常年使用，污染可能會使測量靈敏度下降：耳脈測量比較干凈，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護(hù)。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確。過去 在醫(yī)院臨床監(jiān)護(hù)和日常中老年保健中出現(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 ,中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 5頁 共 46頁 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)。 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。 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī) AT89C51為控制核心，實(shí)現(xiàn)脈搏測量儀的基本測量功能。 通過脈搏傳感器采集脈搏信號， 由脈搏信號（非電量）變成微弱的電信號，經(jīng)過放大電路、濾波電路和整形電路后，變成脈沖輸入單片機(jī)計(jì)數(shù)，算出脈率 并輸出到數(shù)碼管顯示。 脈搏測量儀硬件框圖如下圖 ： 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 6頁 共 46頁 圖 脈搏測量儀的工作原理 外部中斷信號 脈搏傳感器 一級放大器和低通濾波器 二級放大電路和比較器 單片機(jī) AT89C51 數(shù)碼顯示電路 外部晶振 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 7頁 共 46頁 3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案 傳感器選擇 （ 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。現(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 造成的中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8頁 共 46頁 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 ,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)是價格非常昂貴，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。 檢測距離長，對檢測物體的限制少，響應(yīng)時間短，可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測，可實(shí)現(xiàn)顏色判價格便宜，使用壽命長 。 缺點(diǎn)：外部光源的變化對測量結(jié)果的影響較 大； （ 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，且價格低廉。 缺點(diǎn)：直接與人體相接觸，容易因?yàn)槿梭w肌肉的顫動等而產(chǎn)生干擾。并且容易受到外界其他信號的干擾。 （ 3）集成式 : 優(yōu)點(diǎn) :集成度高 ,包含了濾波 ,放大電路 ,可以直接輸出信號 ,便于操作 ,有效的減少了各種干擾。 缺點(diǎn) :降低了本任務(wù)的難度 ,如果采用該傳感器，只需將其直接接上單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)功能，且價格非常昂貴。 考慮到種種情況，結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及經(jīng)費(fèi)的考慮，最終選擇 光電式 傳感器。該傳感器價格較低，而且輸出電壓變化較為明顯，可以實(shí)現(xiàn)我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 單片機(jī)的選擇 本設(shè)計(jì)作為一個簡單脈搏測量儀，最后需給出脈搏波動頻率。以單片機(jī)作為信息處理中心，通過對單片機(jī)進(jìn)行編程，完成信號輸入檢測、信息分析處理及信息顯示。 （ 1） AVR 單片機(jī) AVR 單片機(jī)是 ATMEL 公司生產(chǎn)的單片機(jī)。 1997 年 ,由 ATMEL 公司 挪威 設(shè)計(jì)中心的 A先生與 V 先生利用 ATMEL 公司的 Flash 新技術(shù) , 共同研發(fā)出 RISC 精簡指令集的高速 8中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9頁 共 46頁 位單片機(jī)，簡稱 AVR。相對于出現(xiàn)較早也較為成熟的 51系列單片機(jī)， AVR 系列單片機(jī)片內(nèi)資源更為豐富，接口也更為強(qiáng)大，同時由于其價格低等優(yōu)勢，在很多場合可以替代 51系列單片機(jī)。其特點(diǎn)是 高速度 (50ns)、低功耗 ,硬件應(yīng)用 Harward 結(jié)構(gòu)，具有預(yù)取指令功能，使得指令可以在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行，而 MSC51要 12個時鐘周期執(zhí)行一條指令。AVR單片機(jī)如 LPC2131 等。 （ 2）凌陽單片機(jī) 凌陽是臺灣凌陽公司推出的單片機(jī)，具有高速度、低價、可靠、實(shí)用、體積小、功耗低和簡單易學(xué)等特點(diǎn)， 它的 CPU 內(nèi)核采用凌陽推出 的 Microcontroller and Signal Process