【正文】 技術(shù)也越來越先進，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。指脈測量比較方便、簡單，但因為手指上的汗腺較多，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。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)護和日常中老年保 健中出現(xiàn)的日常監(jiān)護儀器，如便攜式電子血壓計，可以完成脈搏的測量 ,但 是這種便攜式電子血壓計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。 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體，不造成機體創(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)。 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。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。 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。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。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號 , 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。 3 2 脈搏測量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 脈搏 測量儀的設(shè)計，必須是 通過 采集人體脈搏變化引起的一些生物信號 ，然后把生物信號轉(zhuǎn)化為物理信號，使得這些變化的物理信 號能夠表達人體的脈搏變化，最后要得出每分鐘的脈搏次數(shù)，就需要 通過相應(yīng)的 硬件電路及 芯片來 處理物理變化并 存儲脈搏次數(shù)。在硬件設(shè)計中一般的物理信號就是電壓變化， 有了這個系統(tǒng) 的 設(shè)計思路，本 課題 就此開始實施。 光電脈搏測量儀 的結(jié)構(gòu) 光電脈搏測量儀是利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢測脈搏跳動的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號，用電子儀表進行測量和顯示的裝置。本系統(tǒng) 的組成包括 光電傳感器 、 信號處理 、 單片機電路 、數(shù)碼 顯示 、電源等部分。 （ 1） 光電 傳感器 即將非電量 (紅外光 )轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件， 它由紅外發(fā)射二極管和接收三極管組成， 它可以將 接收到的紅外光 按一定的函數(shù)關(guān)系 (通常是線性關(guān)系 )轉(zhuǎn)換成便于測量的物理量 (如電壓、電流或頻率等 )輸出。 （ 2） 信號處理 即處理 光電 傳感器 采集到的低頻 信號的 模擬電 路 (包括 放大 、整形 等 )。 （ 3） 單片機 電路 即利用單片機自身的定時中斷計數(shù)功能對輸入的 脈沖電平 進行運算得出心率 （包括AT89C5外部晶振、外部中斷等）。 （ 4） 數(shù)碼顯示 即把單片機計 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 光電 傳感器 、信號處理、 單片機提供的 電源，可以是 5V 的 交流或直流的穩(wěn)壓電源。 工作原理 本設(shè)計采用單片機 AT89C51 為控制核心，實現(xiàn)脈搏測量儀的基本測量功能。 脈搏測量儀硬件框圖如下 圖 所示： 4 圖 脈搏測量儀的工作原理 當(dāng)手指放在紅外線發(fā)射二極管和接收三極管中間，隨著心臟的跳動，血管中血液的流量將發(fā)生變換。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和程度的變化將引起光的強度發(fā)生變 化，因此和心跳的節(jié)拍相對應(yīng)，紅外接收三極管的電流也跟著改變，這就導(dǎo)致紅外接收三極管輸出脈沖信號。該信號經(jīng)放大 、 濾波 、 整形后輸出，輸出的脈沖信號作為單片機的外部中斷信號。單片機電路對輸入的脈沖信號進行 計算處理后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。 光電 脈搏測量儀 的特點 與傳統(tǒng)的 脈搏測量儀 相比， 光電式脈搏測量儀 具有以下特點 ： （ 1） 測量的探測部分不侵入機體，不造成機體創(chuàng)傷，通常在體外。 （ 2） 傳感器可重復(fù)使用且速度快 ，精度高。 （ 3） 測試的適用電壓為 5V 的直流電壓 。 （ 4） 穩(wěn)定性好、磨損小、壽命長、維修方便。 （ 5） 由于結(jié)構(gòu)簡單，因此體積小、重量輕 、性價比優(yōu)越 。 （ 6） 測量的 有效范圍為 50 次 300 次 /分鐘。 外 部中斷信號 光電傳感器 低通放大器 比較和整形 單片機 AT89C51 數(shù)碼顯示電路 外部晶振 5 3 硬件系統(tǒng) 控制器 本系統(tǒng)基于 51 系列單片機來實現(xiàn)，因為系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了 AT89C51 通用的比較普通單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。 AT89C51 簡介 AT89C5l 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器 (PEROM)和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89CSl 單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 AT89C51 的特點 （ 1） 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 （ 2） 4k 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器 （ 3） 1000 次擦寫周期 （ 4） 全靜態(tài)操作： OHz24MHz （ 5） 三級加密程序存儲器 （ 6） 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM （ 7） 32 個可編程 I／ O 口線 （ 8） 2 個 16 位定時／計數(shù)器 （ 9） 6 個中斷源 （ 10） 可編程串行 UART 通道 （ 11） 低功耗空閑和掉電模式 AT89C51 的結(jié)構(gòu) 此次設(shè)計所使用的 AT89C51 的封裝形式是 DIP40。如圖 所示 。 6 圖 AT89C51 的封裝形式 引腳功能： Vcc：電源電壓 GND： 接 地 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I／ 0 口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫 “ 1” 可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。 Pl 口： P1 是 — 個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 (吸收或輸出電流 )4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 “ 1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用 時，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電萌 。 P2 口： P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P2 的輸 出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流 )4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 “ 1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時 ，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 。 P3 口 ： ① 可以作為輸入 /輸出口， 外接輸入 /輸出設(shè)備。 ② 作為第二功能使用，每一位功能定義如表 所示。 7 表 P3 口的第二功能 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。 ALE/PROG： 當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE(地址鎖存允許 )輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器， ALE 仍以時鐘振器頻率的 1／ 6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。 PSEN：程序存儲允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C51 由外部程 序存儲器取指令 (或數(shù)據(jù) )時．每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的 PSEN信號不出現(xiàn)。 EA／ VPP： EA ＝ 0，單片機只訪問外部程序存儲器。 EA ＝ 1，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器。 XTALI： 振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。 脈搏信號采集 目前脈搏波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。近年來 , 光電檢測技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很 快 , 這主要是由于光能避開強烈的電磁干擾 , 具有很高的絕緣性 , 且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息 ,具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)好等優(yōu)點 。用光電法提取指尖脈 搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。 8 光電 傳感器的原理 根據(jù)朗伯一比爾 (Lamber— Beer)定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時，通過人體組織吸收、反射衰減后 ， 測量到的光強將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。 脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖 組織中的 動脈成分含量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強相對較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。 手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定 的，而在血液中，靜脈血的搏動相對于動脈血是十分微弱的，可以忽略。 因此可以認為光 透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長的光源 照射下，通過檢測透過手指的光強將可以間接測量到人體的脈搏信號。 光電 傳感器的結(jié)構(gòu) 傳感器由紅外發(fā)光二級管和紅外接收三極管組成。采用 GaAs 紅 外發(fā)光二極管作為光源時，可基本抑制由呼吸運動造成的脈搏波曲線的漂移。 紅外接收三極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電 能，它的特性是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。 在 本設(shè)計中 ，紅外接收三 極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。 從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回， 其余部分透射出來。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式 2 種 。 其中透射式的發(fā)射光源與光敏 接收器件的距離相等并且對稱布置，接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時間關(guān)系。因此本系統(tǒng)采用 了指套式的透射型光電傳感器 , 實現(xiàn) 了光電隔離 ,減少了對后級模擬電路的干擾 。 結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 透 射式光電傳感器 光電傳感器檢測原理 9 檢測 原理是 : 隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變：當(dāng)血液送到人體組織時，組織的半透明度減小，當(dāng)血液流回心臟，組織半透明度則增大；這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。因此本設(shè)計將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的 手指 部位， 經(jīng)過手指組織的反 射和衰減由 裝在該部位旁邊的 光敏三 管來 接收其透 射光 并把它轉(zhuǎn)換成電信號 。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它 對光的反射和衰減也是周期性脈動的 , 于是紅外接收 三極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。 故只要把此電信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示，即可實時的測出脈搏的次數(shù)。 信號采集 電路 圖 是脈搏信號的 采集 電路， U3 是 紅外發(fā)射和接收裝置，由于 紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大，所以對 R21 阻值的選取要求較高 。 R21 選擇 270Ω 同時也是基于 紅外接收 三 極管感應(yīng)紅外光靈敏度 考慮的 。 R21 過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小， 紅外接收 三 極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。反 之， R21 過小，通過的電流偏大， 紅外接收 三極管 也不能準(zhǔn)確 地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當(dāng)手指離開傳感器或檢測到較強的干擾光線 時， 輸入端的直流電壓會出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄露到 U2B 輸入端而造成錯誤指示，用 C C9 串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷。 當(dāng)手指處于測量位置時，會出現(xiàn)二種情 況：一是無脈期。 雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是由于紅外接收三極管中存在暗電流，會造成輸出電壓 略低 。二是有脈期。當(dāng)有跳動的脈搏時，血脈使手指透光性變差，紅外接收三極管中的暗電流減小， 輸出 電壓 上升。 但 該傳感器輸出信 號的頻率很低，如當(dāng)脈搏只有為 50 次 /分鐘時， 只 有 ， 200 次 /分鐘時也只有 ，因此信號首先經(jīng) R2 C10 濾波以濾除高頻干擾 ，再由耦合電容 C C9 加到線性放大輸入端。 10 圖 信號采集電路 信號 放大 整形 脈搏