【文章內(nèi)容簡介】 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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(rèn)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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 脈搏信號介紹 由于光電傳感器所輸出的信號波源強(qiáng)度比較弱，且為類似于正弦波波形，如圖 所示，所以對信號進(jìn)行放大整形處理，使其以較強(qiáng)方波形式輸出。 圖 脈搏仿真信號正弦波 放大整形電路 11 圖 放大整形電路 圖 為正弦信號通過放大整形電路之后得到的方型波。 圖 整形后的方波 圖 為脈搏信號在放大整形前后的對比。 圖 脈搏信號對比 12 單片機(jī)處理電路 如圖 ，本部分運用了 ATMEL公司的 89C51單片機(jī)作為核心元件，在這里運用單片機(jī)能更快更準(zhǔn)確地對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算 ，而且可以根據(jù)實際情況進(jìn)行 編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。 來自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī) 89C51 的 引腳 ，單片機(jī)設(shè)為 下降沿 中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達(dá)時觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計時，來一個脈沖脈搏次數(shù)就加一；定時器中斷主要完成 十秒鐘 的定時功能。單片機(jī)對 十秒鐘 內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加 并進(jìn)行計算得出所測人一分鐘的脈搏次數(shù) ，通過 P0、 P1 口把測量過程和結(jié)果送到 液晶 顯示出來。 圖 單片機(jī)處理電路 顯示電路 LCD 的綜述 13 顯示部分采用 SMC 1602 液晶屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，其主要技術(shù)參數(shù)為： 表 2 液晶屏技術(shù)指標(biāo) 接口信號說明如表 3 所示。 表 3 液晶屏接口信號說明 14 圖 數(shù)碼管顯示電路 LM358 介紹 LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)?雙運算放大器 ，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其 他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。 內(nèi)部頻率補償 直流電壓增益高 (約 100dB) 單位增益頻帶寬 (約 1MHz) 電源電壓范圍寬：單電源 (3— 30V) 雙電源 (177。 一177。 15V) 低功耗電流，適合于 電池 供電 低輸入偏流 15 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 差模輸入電壓范圍寬，等于 電源 電 壓范圍 輸出電壓擺幅大 (0 至 ) 脈搏測量儀電路原理圖 16 圖 電路原理圖 4 軟件系統(tǒng) 主程序流程： 系統(tǒng)主程序控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運行 , 它是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后 ,對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對單片機(jī)內(nèi)專用寄存器、定時器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的設(shè)定。系統(tǒng)初始化之后 , 進(jìn)行定時器中斷、外部中斷、顯示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。流程如 17 圖 所示。 圖 主程序流程圖 定時器中斷程序流程： 定時器中斷服務(wù)程序由 十秒鐘 鐘計時、按鍵檢測、有無測試信號判斷等部分組成。當(dāng)定時器中斷開始執(zhí)行后，對 十秒 鐘開始計時， 50ms 計時到之后繼續(xù)檢測下 50ms，直到 10s 到了再停止并保存測得的脈搏次數(shù)。同時可以對按鍵進(jìn)行檢測，只要復(fù)位測試值就可以重新開始測試。主要完成一分鐘的定時功能和保存測得的脈搏次數(shù)。流程如圖 所示。 開始 初始化 外部中斷計數(shù) 顯示程序 18 圖 定時器中斷程序流程圖 INT 中斷 程序流程： 外部中斷服務(wù)程序完成對外部信號的測量和計算。外部中斷采用邊沿觸發(fā)的定時器 0 中斷進(jìn)入 定時器初始值設(shè)置 到 1S？ 到 10S？ 處于檢測？ 保存脈搏數(shù) 返回 繼續(xù)計時 按鍵檢測 N N Y Y Y 19 方式，當(dāng)處于測量狀態(tài)的時候，來一個脈沖脈搏次數(shù)就加一，由單片機(jī)內(nèi)部定時器控制 十秒 鐘， 并通過計算 得出一分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)。流程如圖 所示。 圖 INT 中斷程序流程圖 顯示程序流程： 顯示程序包括顯示上次的脈搏次數(shù)、本次測量中的時間和脈搏的次數(shù)。從中斷程序中取得結(jié)果后，先顯示上次的脈搏次數(shù)，經(jīng)過 10ms 的延時后再顯示測試中的脈搏次數(shù)，再經(jīng)過 10ms 的延時 顯示測試中的時間。流程如圖 所示。 外部中斷 0 進(jìn)入 處于檢測？ 脈搏數(shù) +1 返回 等待按鍵按下 Y 20 圖 顯示程序流程圖 軟件說明 本程序采用 C 語言，程序的可讀性非常好。 程序中對前一次測量的脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行了自動保存，并且用數(shù)碼顯示。 程序在執(zhí)行過程若發(fā)現(xiàn)有干擾則忽略該干擾而不顯示，進(jìn)一步減少讀入數(shù)據(jù)的誤差。 顯示子程序 取結(jié)果 延時 顯示測試中的脈搏次數(shù) 延時 返回 21 5 抗干擾措施及使用方法 抗干擾措施 為了提高測量儀的精確度，系統(tǒng)首先要解決的是硬件方面的干擾問題。光電式脈搏測量儀的測量過程中，前端測量到的 脈搏信號十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾，其中主要的干擾源有測量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測量運動噪聲。 環(huán)境光對脈搏傳感器測量的影響 在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含脈搏信息的透射光的信號，而且包含測量環(huán)境下的背景光信號，由于動脈波動引起的光強(qiáng)變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當(dāng)中要保持測量背景光的恒定，減少背 22 景光的干擾。 測量環(huán)境下的背景光包含環(huán)境光和在測量過程中引起的二次反射光。為了減少環(huán)境光對脈搏信號測量的影響，同時考慮到傳感器使用的方便性，采用密封的指套式包裝 方式，整個外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色，盡量減小外界環(huán)境光的影響，為了避免測量過程中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的內(nèi)層表面涂上一層吸光材料，這樣能有效減少二次反射光的干擾。 加上指套式外殼后的脈搏傳感器測量到的脈搏波形比較平滑。這是因為加指套式的脈搏傳感器中環(huán)境光在測量過程中基本不受外界環(huán)境光的影響，而且能夠有效減少二次反射光，使照射到手指上的光波長單一，所以得到的脈搏信號較為穩(wěn)定，沒有明顯的重疊雜波信號，能夠很好的體現(xiàn)出脈搏波