【正文】 .................. 37 附件 附件 A 開題報告 附件 B 譯文及原文影印件 第 1 頁 共 40 頁 1 緒論 課題背景及目的 脈搏是臨床檢查和生理研究中常見的生理現(xiàn)象 [1]，包含了反映心臟和血管狀態(tài)的重要生理信息。人體脈象中富含有關(guān)心臟、內(nèi)外循環(huán)和神經(jīng)等系統(tǒng)的動態(tài)信息，我們可以通過對脈搏波檢測得到的脈波圖含有出許多有診斷價值的信息，可以用來預(yù)測人體某些器臟結(jié)構(gòu)和功能的變換趨勢，如 :血管幾何形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)的變異會引起脈搏波波形和波速等性質(zhì)的改變，而脈搏的病理生理性改變常引發(fā)各種心血管事件，脈搏生理性能的改變可以先于 疾病臨床癥狀出現(xiàn)，通過對脈搏的檢測可以對如高血壓和糖尿病等引起的血管病變進行評估。 在醫(yī)院臨床監(jiān)護和日常中老年保健中，脈搏是一項基本的生命指標(biāo)，因而脈搏測量是最常見的生命特征的提取。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。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。達到了方便、快速、準(zhǔn)確地測量心率的目的。 第 2 頁 共 40 頁 國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢 早在 1860 年 Vierordt 創(chuàng)建了第一臺杠桿式脈搏描記儀 [3]，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。以下按脈象儀探頭的形式，傳感器的特點及研制者作一簡單的歸納 [4]，詳見表 11。 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行自動分析。因此，未來脈搏自動檢測的內(nèi)容將更加詳細，自動分析診斷功能也更強大。 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。 （ 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。 課題研究難點 由于人體的脈搏信號具有頻率低、幅度小干擾大，不穩(wěn)定度低，隨機性強等特點，使得對脈搏信號的采集放大電路的設(shè)計提 出了很嚴(yán)格的要求，尤其是抗干擾變?yōu)槭种匾?，需要設(shè)計低通濾波器進行濾波。 抗干擾 （ 1） 工頻 50HZ 干擾及其各次諧波 使用頻率為 50HZ 的市電的電子儀器設(shè)備會對檢測系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的干擾，其幅值大約是脈搏信號峰峰值的 50%,是主要的干擾源 （ 2） 肌電干擾 肌肉的收縮會產(chǎn)生微伏級的電勢，其幅值大約是脈搏信號峰峰值的 10％，維持時間大約是 50ms，頻帶范圍可以在 0HZ~10000HZ。呼吸所引起的 ECG 信號的幅度的變化可以達到 15％。 低噪聲、低漂移 在脈搏信號放大器中，由于增益較高，噪聲和漂移是兩個較重要的參數(shù)。為了獲得一定信噪比的輸出信號，對放大器的低噪聲性能有嚴(yán)格要求。而脈搏信號具有很低的頻率成分，為了能正常測量，必須采取措施來限制放大器的漂移。 課題主要研究內(nèi)容 正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘 60～ 80 次（嬰兒為 90～ 140 次 ,老年人則為 100～ 150次 ), 這種頻率信號屬于低頻范疇 .因此 ,脈搏測量儀是用來測量低頻信號的裝置 ,它的基本功能要求應(yīng)該是 : （ 1）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。 （ 3）在很短的時間（若干秒）內(nèi)，測出經(jīng)放大后的電信號頻率值。可見，脈搏測量儀的主要組成部分是計數(shù)器和數(shù)字顯示器。 （ 2）測量脈搏跳動固定次數(shù)（比如 5 次， 10 次）所需的時間 ，然后轉(zhuǎn)換為每分鐘的脈搏數(shù) [7]。本設(shè)計采用第二種方案?？紤]到系統(tǒng)的實現(xiàn)，有兩種方案可以實現(xiàn)。整個系統(tǒng)的框圖如下圖 所示 圖 純硬件脈搏測量儀框圖 方案二：使用單片機電路來實現(xiàn)。使用該方案其框圖如下圖圖 所示。方案一由于使用純硬件方式，系統(tǒng)穩(wěn)定度比較高。而單片機方案有較大的活動空間，不但能實現(xiàn)所要求的功能而且能在很大的程度上擴展功能，而且還可以方便的對系統(tǒng)進行升級，所以我們采用后一種方案。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動產(chǎn)生的干擾。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)。 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。 （ 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，采用光電效應(yīng)手指脈搏傳感器 [8][9]來拾取脈搏信號。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，并由此產(chǎn)生的光電流均隨之作相應(yīng)變化。 采用紅外對管。 采用反射式的紅外管。 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。缺點 第 7 頁 共 40 頁 是價格非常昂貴，一般均在五百元以上 。 缺點： 外部光源的變化對測量結(jié)果的影響較大； 需要購買專門的醫(yī)用光電傳感器，價格較貴且不易購買； 對這樣的器件接觸很少，對其進行調(diào)試時可能會出現(xiàn)較 大困難。 缺點：直接與人體相接觸，容易因為人體肌肉的顫動等而產(chǎn)生干擾。 （ 3）集成式 : 優(yōu)點 :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。 考慮到種種情況，結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計要求以及經(jīng)費的考慮，最終選擇壓電式傳感器。 壓電陶瓷片 [12][13]的外觀和電路符號如下圖 所示。外部壓力作用于銅片時，壓電陶瓷就可以感受壓力而產(chǎn)生電信號，并最終通過鍍銀層將該信號輸出。 圖 壓電陶瓷片的符號及外觀 第 8 頁 共 40 頁 由于壓電陶瓷片的資料比較少，為了確定使用該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)本次設(shè)計的目的，先要對其進行實驗，來確定它的輸出電壓是否符合要求。 表 21 壓電陶瓷片輸出電壓測試表 壓力 (N) 輸出電壓 (mV) 由于只需要 4mv5mv 左右的電壓輸出，就可以實現(xiàn)設(shè)計要求 [14]。 單片機的選擇 本設(shè)計作為一個簡單脈搏測量儀，最后需給出脈搏波動頻率。 （ 1） AVR 單片機 AVR 單片機 [15][16]是 ATMEL 公司生產(chǎn)的單片機。相對于出現(xiàn)較早也較為成熟的 51 系列單片機， AVR系列單片機片內(nèi)資源更為豐富，接口也更為強大，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。 AVR 單片機如 LPC2131 等。micro。圍繞 micro。micro。采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以amp?！痭SP 內(nèi)核為中心集成不同規(guī)模的 ROM PAM 和功能豐富的各種外設(shè)部件。micro。除此之外的其它功能模塊均為可選結(jié)構(gòu)。 amp?！痭SP 家族有有以下特點：體積小 ，集成度高，可靠性好易于擴展。micro。內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，因為減少了各功能部件之間的連接，提高了其可靠性和抗干擾能力，另外，模塊化的結(jié)構(gòu)易于系列的擴展，以適應(yīng)不同用戶的需求。 μ’nSPTM家族的中斷系統(tǒng)支持 10 個中斷向量及 10 余個中斷源，適合實時應(yīng)用領(lǐng)域。 如 SPCE061 等。該系列單片機的始祖是 Intel 的 8031 單片機，后來隨著 Flash rom 技術(shù)的發(fā)展， 8031 單片機取得了長足的進展，成為目前應(yīng)用最廣泛的 8 位單片機之一，其代表型號是 ATMEL 公司 的 AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控 系統(tǒng)之中。 51 單片機是基礎(chǔ)入門的一個單片機，還是應(yīng)用最廣泛的一種。它具有結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，易于開發(fā)的特點。但是其功能相對較少，訪問外部數(shù)據(jù)有瓶頸，作電壓范圍窄。而對 51 單片機，本人比較熟悉，所以，本設(shè)計中選擇 51 單片機作為信息處理中心 。 AT89S51 就是其中一款，它可以完全滿足本設(shè)計的設(shè)計要求，而且， AT89S51 的價格較低。由于傳感器輸出的電壓比較 第 10 頁 共 40 頁 小，在幾毫伏左右，且頻率較低，需要低噪聲，低漂移，高輸入阻抗的放大器，所以選擇使用儀表放大器。因此還需要另一個放大器。這部分電路的框圖如圖 所示。可以看出測量 fx 必須將 N 或 t 兩個量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對另一個量進行測量。 （ 1）周期測量法：適用于低頻信 號。被測信號的周期作為信號閘門，由程序控制開關(guān)對時基進行計數(shù)得 nx，因此被測信號周期為 Tx nx Ts??，每分鐘脈搏跳動次數(shù)為60/N Tx? 。其特點是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號不是用來填充待測信號的周期，而是與待測信號分別輸入到兩個計數(shù)器進行同步計數(shù)。充分利用單片機內(nèi)的兩個定時 /計數(shù)器，一個作為定時器 ，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號，另一個作為計數(shù)器。所以，本設(shè)計中選擇周期測量法。查詢方式優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，硬件開銷小；缺點是 CPU 在整個傳送過程中需要不斷檢測外設(shè)狀態(tài)，由于 CPU 的速度遠遠高于外設(shè)， 第 11 頁 共 40 頁 因此通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低。 本設(shè)計中，選擇 中斷 方式 。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備及顯示電路，來實現(xiàn)對脈搏波動頻率信息的顯示。脈搏波動頻率一般為60～ 80 次 /min?？梢赃x擇 LCD 字符液晶屏來對脈搏波動頻率信息進行顯示。 （ 1）靜態(tài)顯示：所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的 I/O 接口用于筆劃段字形顯示。靜態(tài)顯示適用于顯示器位數(shù)較少時。利用人的視覺暫留功能可以看到整個顯示，但必需保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。 本設(shè)計中，顯示的脈搏波動頻率，同時顯示脈搏次數(shù)和測試時間，選用動態(tài)顯示。然后，將放大后的脈搏信號經(jīng)過整形電路將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，將脈搏信號轉(zhuǎn)換為同頻率的脈沖。本章對各部分電路的設(shè)計進行詳細論述與分析。 為了達到上述要求 ,并聯(lián)型雙運放放大電路 [21]能滿足其要求 圖 并聯(lián)型雙運放放大電路 前兩個運放為同向比例放大器 ,輸入阻抗很高 ,它對共模信號有很高的抑制比。由于 Rx兩端的電壓等于 V2V1,所以流過 Rx的電流等于(V2V1)/Rx,因此輸入信號將通過放大器獲得增益并且得到放大。 以上電路需要三個運放，在調(diào)試的時候會比較復(fù)雜。 第 13 頁 共 40 頁 以下是幾種常用的集成儀表放大器 [22][23],其主要參數(shù)如表 31 表 31 三種集成醫(yī)用放大器參數(shù) 器件 輸入失調(diào)電壓 輸入偏置電流 輸入失調(diào)電流 輸入噪聲 AD620 50uV 13 INA128 125nV 10 OPA131 1mV 50pA 50pA 21 脈搏信號是在強噪聲下的微弱信號，它對前置放大器的共模抑制比，輸入阻抗，輸入噪聲，輸入失調(diào)電壓有較嚴(yán)格的要求，由表 31 知 AD620 是最為理想的。 表 32 AD620 參數(shù)表 項目 規(guī)格 備注 增益范圍 1～ 1000 只需一個電阻 就可以設(shè)定 電源供應(yīng)范圍 ~ 18V 低耗電量 最大供應(yīng)電流 = 可用電池供電， 方便 運用于便攜式器材 精確度高 40ppm 的最大非線性度； 最大偏置電壓為 50181。所以設(shè)計時考慮兩級放大 ,第一級采用 AD620,外接一個 的電阻 ,放大倍數(shù)由公式大約放大十倍左右。 圖 一級放大電路 二階濾波器電路的設(shè)計 由于脈搏信號的頻率在 左右，正常情況下不會出現(xiàn)高于 2HZ 的信號，因此需要設(shè)計一個低通濾波器，用來濾去高頻信號。 （ 1）方案選擇： 方案一：無源濾波器 采用 RC 低通濾波器。 其幅頻特性如圖 所示。由于主要的干擾出現(xiàn) 在 50HZ 左右，所以在截止頻率較低時，采用二階濾波器即可達到很好的濾波效果。其幅頻特性如圖 所示。我們現(xiàn)在設(shè)定 C1=C2=， R1=R2=100K。符合所要達到的指標(biāo)。 （ 3）方案確定 由于使用二階有源濾波器能夠很好的實現(xiàn)系統(tǒng)的濾波目的，所以選擇使用方案二，即二階有源濾波器。 第 17 頁 共 40 頁 圖 二階濾波器 第 二級放大電路的設(shè)計 第二級放大采用同相放大器 [24],其電路圖為 圖 同相放大器電路 其閉環(huán)電壓增益 AVF=1+RFR1 （ 33） 輸入 電阻 Ri=ric （ 34） 輸出電阻 R0=0 （ 35） VIR 1RPRFVO——+ 第 18 頁 共 40 頁 平衡電阻 RP=R1//RF （ 36） 其中， ric 為運放本身同相端對地的共模輸