【正文】 搏 信 息 , 這 難 免 存 在許 多 主 觀 臆 斷 因 素 , 況 且 這 種 用 手 指 切 脈 的 技 巧 很 難 掌 握 ,因 此 人 們 迫切 期 望 盡 早 實 現(xiàn) 脈 診 的 科 學 化 和 現(xiàn) 代 化 。隨 著 傳 感 器 技 術(shù) 及 計 算 機 處 理技 術(shù) 的 發(fā) 展 ，人 們 希 望 能 夠 將 現(xiàn) 代 技 術(shù) 應 用 于 中 醫(yī) 脈 象 診 斷 ，以 便 更 科學 、 更 客 觀 地 揭 示 脈 象 的 實 質(zhì) 與 特 征 。 另 一 方 面 從 西 醫(yī) 的 角 度 看 ,近年來人們也試圖根據(jù)脈搏波的變異性來評價和診斷人體心血管系統(tǒng)的病變 ,以 便 能 找 到 一 個 有 效 的 心 血 管 疾 病 早 期 無 創(chuàng) 診 斷 的 方 法 。因 此 ,對 脈搏 信 號 進 行 無 失 真 的 檢 測 、采 集 和 處 理 是 一 項 重 要 而 很 有 意 義 的 基 礎(chǔ) 工作 ,它 是 對 脈 搏 信 號 進 一 步 分 析 并 依 此 對 心 臟 及 動 脈 血 管 系 統(tǒng) 疾 病 進 行預 報 和 診 斷 的 前 提 。本 論 文 的 研 究 主 要 是 基 于 這 方 面 來 進 行 的 ，利 用 功能 強 大 的 虛 擬 儀 器 LabVIEW 設(shè) 計 出 脈 搏 的 采 集 與 分 析 系 統(tǒng) ，從 客 觀 、物理的角 度 來 詮 釋 人 體 脈 搏 系 統(tǒng) 。 心率 (Heart Rate)： 用 來 描 述 心 動 周 期 的 專 業(yè) 術(shù) 語 ， 是 指 心 臟 每 分鐘 跳 動 的 次 數(shù) ,以 第 一 聲 音 為 準 。 在 正 常 情 況 下 ，脈 率 和 心 率 是 一 致 的 。正 常 成 年 人 安 靜 時 的 心 率 有 顯 著 的 個 體 差 異 ， 平 均 在 75 次 /分 左 右 (60— 100 次 /分 之 間 )。 初 生 兒 的 心 率 很 快 ， 可 達 130 次 /分 以 上 。 在 成 年人 中 ，女 性 的 心 率 一 般 比 男 性 稍 快 。健 康 成 人 的 心 率 為 60～ 100 次 /分，大 多 數(shù) 為 60～ 80 次 /分 ， 女 性 稍 快 ； 3 歲 以 下 的 小 兒 常 在 100 次 /分以上 ；老 年 人 偏 慢 。成 人 每 分 鐘 心 率 超 過 100 次（ 一 般 不 超 過 160 次 /分）或 嬰 幼 兒 超 過 150 次 /分 者 ，稱 為 竇 性 心 動 過 速 。如 果 心 率 在 160～ 220次 /分 ， 常 稱 為 陣 發(fā) 性 心 動 過 速 。 心 率 低 于 60 次 /分 者 （ 一 般 在 40 次 /分 以 上 ）， 稱 為 竇 性 心 動 過 緩 。 如 心 率 低 于 40 次 /分 ， 應 考 慮 有 房 室 傳導 阻 滯 。 心 率 過 快 超 過 160 次 /分 ， 或 低 于 40 次 /分 ， 大 多 見 于 心 臟 病病 人 ，病 人 常 有 心 悸 、胸 悶 、心 前 區(qū) 不 適 ，應 及 早 進 行 詳 細 檢 查 ，以 便針 對 病 因 進 行 治 療 。對 某 些 陣 發(fā) 性 心 率 過 速 或 過 緩 ，往 往 在 就 醫(yī) 時 測 試出 心 率 正 常 ，以 至 使 醫(yī) 生 無 法 確 診 ，所 以 我 們 設(shè) 計 出 這 種 可 以 隨 時 進 行心 率 測 量 的 心 率 計 ，不 僅 可 以 隨 時 地 監(jiān) 測 一 個 人 的 健 康 狀 況 ，而 且 為 醫(yī)生對這 種 病 癥 的 確 診 提 供 證 據(jù) 。 人體心室周期性的收縮和舒張導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 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 。 傳統(tǒng)的脈搏測量采用脈診方式 ,中醫(yī)脈象診斷技術(shù)就是脈搏測量在中 醫(yī) 上 卓 有 成 效 的 應 用 ,但 是 受 人 為 的 影 響 因 素 較 大 ,測 量 精 度 不 高 。無創(chuàng) 測 量 （ NoninvasiveMeas2urements） 又 稱 非 侵 入 式 測 量 或 間 接 測 量 ,其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 ,通常在體 2 外 ,尤其 是 在 體 表 間 接 測 量 人 體 的 生 理 和 生 化 參 數(shù) 。 生 物 醫(yī) 學 傳 感 器 獲 取 生 物 信 息 并 將 其 轉(zhuǎn) 換 成 易 于 測 量 和 處 理 信 號 的一 個 關(guān) 鍵 器 件 。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 。 光 電 式 脈 搏 傳 感器 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 無 損 傷 、 可 重 復 好 等 優(yōu) 點 ,本 文 討 論 的 就 是 基 于 光 電式脈搏 傳 感 器 的 設(shè) 計 和 具 體 實 現(xiàn) 。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 脈 搏 系 統(tǒng) 和 脈 搏 信 息 的 研 究 包 括 兩 大 方 面 : 一 是 理 論 分 析 與 計 算(即 建 模 方 面 )；二 是 信 號 檢 測 與 分 析 。從 發(fā) 表 的 文 獻 來 看 , 國 外 在 前 一方面做了大量的研究 , 也早于國內(nèi)學者 。 而國內(nèi)在后一方面的研究多于國外 。 對 脈 搏 信 號 的 分 析 主 要 包 括 以 下 方 面 : （ 1） 脈 搏 信 號 檢 測 與 提 取 用 脈 搏 記 錄 儀 器 描 繪 脈 搏 波 圖 像 已 有 百 余 年 的 歷 史 。 1860 年 法 國 人研 制 了 杠 桿 脈 搏 描 記 器 ，成 為 現(xiàn) 代 脈 象 描 記 的 基 礎(chǔ) 。脈 象 儀 的 總 體 構(gòu) 成包括 脈 象 信 號 檢 測 ，信 號 預 處 理 和 信 號 分 析 三 個 環(huán) 節(jié) 。我 國 醫(yī) 務 界 約 從50 年 代 初 就 開 始 了 用 西 方 傳 來 的 脈 搏 描 記 技 術(shù) ， 使 脈 象 圖 形 化 。 近 十多 年 來 ，已 經(jīng) 研 制 出 了 許 多 性 能 各 異 的 脈 象 儀 ，各 類 脈 搏 描 記 器 最 關(guān) 鍵和 差 異 較 大 的 部 分 就 是 脈 象 傳 感 器 的 研 制 。從 測 量 原 理 上 講 ，脈 象 傳 感器可分 為 機 械 式 、 壓 電 式 、 光 電 容 式 等 多 種 。 （ 2）脈 搏 信 號 處 理 與 特 征 提 取 目 標 信 號 檢 測 的 關(guān) 鍵 是 提 取 信 號 的 特 征 。 在 實 際 中 ,目 標 信 號 總 是淹 沒 在 大 量 的 雜 波 或 干 擾 中 ,而 且 目 標 信 號 的 幅 值 或 功 率 較 雜 波 或 干 擾信號可 能 還 低 得 多 ,這 就 需 要 進 行 有 效 的 信 號 處 理 。 時 域 分 析 法 ： 目 前 國 內(nèi) 對 脈 象 信 號 的 特 征 提 取 方 法 ,多 數(shù) 采 用 時 域 分 析法 ,即 在 時 間 方 向 上 分 析 波 動 信 號 的 動 態(tài) 特 征 ,通 過 對 主 波 、 重 搏 前 波 、重 搏 波 的 高 度 、 比 值 、 時 值 、 夾 角 、 面 積 值 的 參 量 分 析 ,找 出 某 些 特 征與 脈 象 變 化 的 內(nèi) 在 聯(lián) 系 。 時 域 分 析 法 包 括 直 觀 形 態(tài) 法 、 多 因 素 識 脈 法 、脈象速 率 圖 法 、 脈 圖 面 積 法 。 直 觀 形 態(tài) 法 。 頻 域 分 析 法 ： 頻 域 分 析 主 要 是 通 過 離 散 快 速 傅 里 葉 變 換 ,將 時 域 的 脈 搏波曲線變換到頻域 ,得到相應的脈搏頻譜曲線 ,通過頻譜曲線的特征分析 ,從 中 提 取 與 人 體 生 理 病 理 相 應 的 信 息 ,實 現(xiàn) 脈 象 分 類 。與 時 域 分 析 不同 , 脈 搏 信 號 的 頻 域 特 征 可 分 辨 性 好 , 因此 80 年 代 以 來 國 內(nèi) 外 一 些 學者 開 始 在 頻 域 內(nèi) 對 脈 搏 信 號 進 行 分 析 , 初 步 取 得 了 有 意 義 的 結(jié) 果 。這 種從 頻 域 和 能 量 的 角 度 來 分 析 脈 搏 信 號 的 思 想 是 十 分 正 確 的 。我 們 從 能 量角度研究了幾種不同疾病脈搏信號的特征頻域特征和差異 , 利用頻域分 析 的 延 伸 技 術(shù) —— 倒 譜 與 同 態(tài) 解 卷 ,首 次 估 計 出 了 人 體 脈 搏 系 統(tǒng) 的 傳遞函數(shù) , 分析了脈 搏 系 統(tǒng) 的 頻 率 特 性 。 時 頻 聯(lián) 合 分 析 法 ：是 把 一 維 信 號 或 系 統(tǒng) 表 示 成 一 個 時 間 和 頻 率 的 二 維 函數(shù) ,時 頻 平 面 能 描 述 出 各 個 時 刻 的 譜 成 分 。 常 用 的 時 頻 表 示 方 法 有 短 時傅立葉 變 換 和 小 波 變 換 (WT) 。 短 時 傅 立 葉 變 換 (STFT)方 法 ： 是 一 種 廣 義 情 形 ,是 一 種 線 性 時 頻 表 示 方法 ,它依賴于被分析信號的線性特性 ,即信號的頻譜與在數(shù)據(jù)中提供正 3 弦 成 分 的 幅 度 成 線 性 比 例 。其 最 主 要 的 優(yōu) 點 是 容 易 實 現(xiàn) 、計 算 簡 潔 有 效 ,而 它 主 要 的 缺 陷 是 時 間 和 頻 率 分 辨 率 在 整 個 時 頻 平 面 上 固 定 不 變 。另 外的限制 是 對 一 個 特 殊 的 信 號 ,需 要 一 個 特 殊 的 窗 才 能 得 到 最 佳 分 辨 率 。 小 波 變 換 (WT)： 是 另 外 一 種 重 要 的 線 性 時 頻 表 示 ,它 在 時 頻 平 面 上 具 有可 變 的 時 間 和 頻 率 分 辨 率 ,把 FT 中 的 正 弦 基 函 數(shù) 修 改 成 在 整 個 時 頻 平面 上 具 有 可 變 時 頻 分 辨 率 的 基 函 數(shù) ,使 得 它 在 高 頻 區(qū) 域 能 夠 提 供 高 的 時間 分 辨 率 ,而 在 低 頻 區(qū) 域 能 夠 提 供 高 的 頻 率 分 辨 率 。 小 波 變 換 這 種 獨 特的 能 力 使 其 成 為 分 析 脈 搏 這 種 非 平 穩(wěn) 信 號 的 有 力 工 具 。在 目 前 已 知 的 小波函數(shù) 中 ,復 值 調(diào) 制 的 Gaussian 函數(shù)是 使 用 最 高 的 小 波 之 一 。 論文結(jié)構(gòu)安排 本 文 首 先 對 方 案 的 選 擇 做 了 詳 細 的 論 證 與 設(shè) 計 。本 設(shè) 計 用 到 的 主 要 核 心部 件 是 AT89C2051，為 了 加 深 對 該 單 片 機 的 了 解 ， 本 文 詳 細 介 紹 了 該 單片 機 的 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 圖 以 及 它 的 復 位 電 路 和 振 蕩 電 路 。 該 電 路 為 了 采 集 脈 搏波 信 號 用 到 了 光 電 傳 感 器 ，并 對 光 電 傳 感 器 的 信 號 拾 取 ，信 號 放 大 做 了較 為 詳 細 的 介 紹 ，因 為 采 集 到 的 光 電 信 號 比 較 弱 ，所 以 用 到 了 二 級 放 大 ，經(jīng)過二級放大后的波形經(jīng)過整形電路， 將脈沖信號傳送到單片機，經(jīng)CPU 的計 數(shù) 、 比 較 最 終 將 結(jié) 果 顯 示 出 來 。 4 2 方案原理及設(shè)計 方案原理介紹 及論證 正常人 的 脈 搏 次 數(shù) 是 每 分 鐘 60～ 90 次 （ 嬰 兒 為 90～ 120 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 試 儀 是用來測 量 低 頻 信 號 的 裝 置 ,它 的 基 本 功 能 要 求 是 : 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 。對 轉(zhuǎn)換 后 的 電 信 號 要 進 行 放 大 、濾 波 和 整 形 處 理 ，以 保 證 后 續(xù) 電 路 能 正 常 對其 進 行 進 一 步 的 加 工 和 處 理 。脈 搏 測 試 儀 要 能 在 幾 秒 左 右 測 出 脈 搏 跳 動次 數(shù) ，并 作 出 是 否 報 警 的 判 斷 。報 警 的 上 、 下限 及 對 象 選 擇 可 以 通 過 多路 開 關(guān) 調(diào) 節(jié) 。總 之 ，脈 搏 測 試 儀 的 核 心 是 要 對 低 頻 信 號 在 固 定 的 短 時 間計 數(shù) ，最 后 以 數(shù) 字 形 式 顯 示 出 來 ?？?見 ，脈 搏 測 試 儀 的 主 要 組 成 部 分 是計數(shù)器 和 數(shù) 字 顯 示 器 。 脈 搏 傳 感 器 的 作 用 是 將 脈 搏 信 號 轉(zhuǎn) 換 為 相 應 的 點 沖 信 號 。 脈 搏 傳 感器 是 脈 搏 象 檢 測 系 統(tǒng) 中 重 要 的 組 成 部 分 ，其 性 能 的 好 壞 直 接 影 響 到 后 置電 路 的 處 理 和 結(jié) 構(gòu) 的 顯 示 。目 前 典 型 的 脈 搏 傳 感 器 有 以 下 三 種 ：光 電 類 、壓 阻 類 和 壓 電 類 。 在 這 三 種 目 前 采 用 最 多 的 是 壓 電 類 傳 感 器