【正文】 21 致謝 ..................................................... 22 基于單片機的指脈檢測系統(tǒng)的設(shè)計 1 1 緒論 脈診是中醫(yī)傳統(tǒng)診斷中最主要的一個診斷方法，已有近千年的歷史，它是種無創(chuàng)傷的檢測方法，簡便易行。但是，傳統(tǒng)的診斷方法屬于主觀診斷，其結(jié)果容易受到生理、心理等變化的影響，使臨床處理的有效 性降低。如果采用電子測量技術(shù)，就能夠精確測量，還可以借助現(xiàn)代化的工具進行更高效、合理的判斷和分析。隨著集成電路的發(fā)展，脈搏測量計必然向微型化、大眾化、智能化發(fā)展。脈搏測試系統(tǒng)可以從脈搏波中提取人體的生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生理信號 , 必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。 本文的研究現(xiàn)狀 中醫(yī)脈診具有歷史悠久，內(nèi)容豐富的特點，將中醫(yī)“整體觀念，辨證論治 的思想得到了很好的體現(xiàn)和應(yīng)用。早在秦漢時期的黃帝內(nèi)經(jīng)的《靈樞》和《素問》中曾提到過：從《靈樞》的記載中可知秦代以前的醫(yī)師通常用人迎、寸口對比的診脈方法來對疾病部位進行診察。而《素問》中又指出：“五臟相音，可以意識，五色微診，可以目察，能合色脈，可以萬全。 明確記錄了古人脈診使用了通過對顏面、手腕和足踩 3部的血管脈搏搏動進行比較來診斷病癥。到 了漢代，《難經(jīng)》又進一步確立寸口部位的寸關(guān)尺脈與其浮、中、沉診法為定為三部九候的診脈方法。東漢末年，中醫(yī)鼻祖張仲景在總結(jié)前人的成果后開創(chuàng)了病、脈、診綜合治病的先河。 三國時期，我國第一部脈學(xué)專著《脈經(jīng)》由王叔和撰寫成功。其主要內(nèi)容是：闡述了近于完善和成熟在脈理、脈名、脈形和脈法以及診斷等多方面的理論，為脈診成為一門獨立的學(xué)科創(chuàng)造了基本條件。所以，當(dāng)前我們普遍認(rèn)為它是標(biāo)志著脈學(xué)的形成。明代，李時珍以六朝時期的高陽生所撰《脈決》一書中的理論為基礎(chǔ)，并兼顧各家所長再加上自己的研究心得，于 1564 年撰寫完成了《瀕山 東大湖脈學(xué)》一書，該書中詳細(xì)定義和描述了浮、沉、遲、數(shù)、滑、澀等 27 種脈象的形態(tài)、對應(yīng)病癥及相似脈之間的鑒別 15J。而對于脈診客觀化的研究，可以追溯到宋代，宋代的許叔微繪有仲景脈法圖，而明代沈際飛則編著有《人元脈影歸指圖說》，其中記載有七表、八里、十六怪脈等的脈搏圖形。他們都試圖利用圖形來描繪脈搏從而使脈診能夠更加具體化，但由于其均帶有較強的個人主觀性強，缺乏必要的客觀基礎(chǔ)。近年來隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，脈診客觀化的研基于單片機的指脈檢測系統(tǒng)的設(shè)計 2 究也得到了很快的進步。 20 世紀(jì) 50 年代末期設(shè)計出的利用酒石酸鉀鈉壓電晶片作為傳感器件的脈 搏儀，其主要原理為：將中醫(yī)寸、關(guān)、尺 3 處的脈搏信息，通過換能器采集并轉(zhuǎn)換電信號，再加以放大等處理再進行描述并記錄，初步確定了中醫(yī)弦脈、滑脈、平脈等主要的脈象圖形；60 年代初研制出的三線脈象儀，首先實現(xiàn)完成了對寸、關(guān)、尺 3 部位的切脈壓力進行任意調(diào)節(jié)和客觀定量的測定，并進而完成了對壓力脈搏波圖形的描述與記錄。 隨后，全國各地陸續(xù)研制出采用各種不同材料的換能器 (如半導(dǎo)體硅應(yīng)變片換能器，電感式壓力換能器，電阻抗式換能器 )為基礎(chǔ)設(shè)計的脈搏儀，其目的均是為了不斷提高換能器件的靈敏度，精確度，并對探頭的形狀進行改造。在脈 診客觀化的研究中，脈搏信息的獲取是脈搏采集裝置中最為重要的一環(huán)，脈搏信息的獲取必須要用到脈搏傳感器來檢測，所以脈搏采集系統(tǒng)的發(fā)展與脈搏傳感器的發(fā)展密切相關(guān)，最早的脈搏傳感器為機械式傳感器，后來逐漸開發(fā)了壓電式傳感器，光電式傳感器，液態(tài)傳感器， PVDF(壓電薄膜 )傳感器等一系列多種傳感器。而其信號的轉(zhuǎn)換方式分為固體、氣壓、液壓等方式，其材料可以采用壓電晶體、半導(dǎo)體應(yīng)變片、 PVDF 壓電薄膜和液態(tài)可變電阻等多種材料。 國外研究狀況，公元前四世紀(jì)，希臘的 Herophilus 就曾重點注意到了脈搏的節(jié)律、速率、強度和形 狀，他還認(rèn)為認(rèn)為脈搏的搏動可以通過音樂的形式來進行表達(dá)。隨后，Calen 成為國外第一個采用檢查手腕處脈搏來對疾病進行診斷的方法的醫(yī)學(xué)家。國外在關(guān)于脈診理論方面也出現(xiàn)過不少相關(guān)的著作，總結(jié)了許多與脈診有關(guān)的臨床經(jīng)驗，其中波蘭 Struthius 于 1540 年撰寫的《脈診的藝術(shù)》一書，占有比較重要的地位，書中描繪出了脈搏圖形，是西方最早的脈搏圖解。 1700 年著名的物理學(xué)家牛頓對動脈彈性腔的意義進行了論證， 1733 年生理學(xué)家斯蒂 文?哈爾斯提出動脈管的系統(tǒng)模型。 1741 年愛爾蘭的 Niheu 發(fā)表了“從脈搏觀察各種疾病變 化的新方法 的文章。到了近代，英國人 Marye 最早研制出采用彈簧為動力的杠桿式脈搏傳感器，并使用其對撓動脈脈搏波形圖進行了記錄。近年來日本、美國等國家的醫(yī)生、學(xué)者在對醫(yī)學(xué)與針灸研究中設(shè)計出了一些對脈象進行客觀化描述的描記儀器和裝置。其主要功能是描記脈象波形圖，在臨床上，也可用作觀察脈象變化的工具。但這些儀器裝置大多數(shù)沒有形成產(chǎn)品，沒有得到市場化，當(dāng)然在臨床上也沒有見到廣泛應(yīng)用的報道。這其中較有代表性的儀器如：美國醫(yī)學(xué)博士 John． H． Laub 研制的一種針灸臨床用的新型無創(chuàng)脈搏波記錄儀、日本的田口賢輝設(shè)計的一 種“壓力、脈搏測定裝置 和代用文彥設(shè)計的一種“局部加壓型可償還脈裝置”以及日本 Sony 公司曾經(jīng)推出的一種采用三個駐體微音器作為脈搏波轉(zhuǎn)換元件的脈搏波形儀器 141。 基于單片機的指脈檢測系統(tǒng)的設(shè)計 3 本文的研究目的 我們的目的很明確，可以了解單片機的發(fā)展歷史以及最新的發(fā)展動態(tài)，脈搏測試的發(fā)展現(xiàn)狀，可以從研究中得到設(shè)計系統(tǒng)的經(jīng)驗，了解了人體脈搏的一些知識，為發(fā)展我國的中醫(yī)事業(yè)做貢獻(xiàn)，中醫(yī)就是靠把脈得知患者的病情，我們可以作出一個儀器，這個儀器就能夠把脈而且準(zhǔn)確度很高。更加深層次的加深了對單片機控制電路的理解，切實結(jié)合實際經(jīng)驗來設(shè)計，認(rèn)真務(wù) 實，鍛煉我們的動手能力。 1. 3 本文的研究內(nèi)容 根據(jù)脈搏信號的特點，利用單片機設(shè)計和實現(xiàn)脈搏信號的實時采集系統(tǒng)，并將采集的信號放大以便于能夠清晰的在顯示屏上顯示，從而得到脈搏跳動的一些信心，如每次跳動的快慢，每分鐘跳動的次數(shù)等等信息。內(nèi)容涉及到傳感器的選擇，有光電脈搏傳感器，壓力測試脈搏傳感器，還有光電容積脈搏波法、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，而我們此次研究選擇的是光電脈搏傳感器，這是由于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。還有單片機的選擇在后文中會介紹到。 基于單片機的指脈檢測系統(tǒng)的設(shè)計 4 2 本系統(tǒng)的整體設(shè)計方案 系統(tǒng)的整體框圖 圖 系統(tǒng)整體框圖 本系統(tǒng)采用光電式傳感器獲得指脈的信息，由于指脈信號的特點，需對原始的指脈信號進行濾波、放大和積分等處理，然后傳入單片機，通過按鍵，利用單片機對指脈信息進行處理和控制，并將最終的指脈信息通過 LCD顯示。 系統(tǒng)的主要組成部分 光電脈搏傳感器 傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息 ，并能將檢測到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。脈搏傳感器的精度、靈敏度、抗干擾能力及安裝方式?jīng)Q定了脈搏測量精度。因此其選型對整個設(shè)計具有決定性的作用。 目前，脈搏信號的測量方式主要有： 1） 光電脈搏波傳感器。血管不受壓力時，血流均勻，反射光也比較均勻，故傳感器無脈搏信號輸出；當(dāng)血管受壓血液不流動時，傳感器也無輸出信號；只有當(dāng)血管受到擠壓，血管中的血液斷續(xù)流動時，反射光也隨之變化，這時傳感器輸 出脈搏信號，達(dá)到了測量脈搏的作用。這種傳感器的特點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、抗干擾能力強，主要用于測量脈搏的跳動次數(shù)。人體不同部位的脈搏波波形存在差異，光電脈搏波傳感器不適合用于提取不同部位的脈搏波信號。 2）力傳感器測量。其測量原理是，將測力傳感器的受力端壓在人體橈動脈處，模仿人的指頭。這種方式通常采用壓阻式傳感器，它具有抗干擾能力強的特點，但由于動光電脈搏傳感器 濾波 放大 積分 比較器 單片機 電源 按鍵 LCD 基于單片機的指脈檢測系統(tǒng)的設(shè)計 5 脈血管產(chǎn)生的力很小，故量程小，抗沖擊力不強。 3）脈搏信號還表現(xiàn)為皮膚振動，因此可以用加速度傳感器進行檢測，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、波形測量精度較高。 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。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事