【正文】 .................. 37 附件 附件 A 開題報(bào)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(dòng)態(tài)信息，我們可以通過對(duì)脈搏波檢測(cè)得到的脈波圖含有出許多有診斷價(jià)值的信息，可以用來預(yù)測(cè)人體某些器臟結(jié)構(gòu)和功能的變換趨勢(shì)，如 :血管幾何形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)的變異會(huì)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(duì)脈搏的檢測(cè)可以對(duì)如高血壓和糖尿病等引起的血管病變進(jìn)行評(píng)估。 在醫(yī)院臨床監(jiān)護(hù)和日常中老年保健中，脈搏是一項(xiàng)基本的生命指標(biāo)，因而脈搏測(cè)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(jì)利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，每次測(cè)量都需要一個(gè)加壓和減壓的過程，存在體積龐大、加減壓過程會(huì)有不適、脈搏檢測(cè)的精確度低等缺點(diǎn)。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)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(dá)到了方便、快速、準(zhǔn)確地測(cè)量心率的目的。 第 2 頁 共 40 頁 國(guó)內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 早在 1860 年 Vierordt 創(chuàng)建了第一臺(tái)杠桿式脈搏描記儀 [3]，國(guó)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(diǎn)及研制者作一簡(jiǎn)單的歸納 [4]，詳見表 11。 脈搏測(cè)量?jī)x的發(fā)展主要向以下幾個(gè)趨勢(shì)發(fā)展： (1) 自動(dòng)測(cè)量脈搏并且對(duì)所得到的脈搏進(jìn)行自動(dòng)分析。因此，未來脈搏自動(dòng)檢測(cè)的內(nèi)容將更加詳細(xì)，自動(dòng)分析診斷功能也更強(qiáng)大。 隨著數(shù)字科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x，一般都具有測(cè)試血氧，心電圖等等功能，單純的脈搏測(cè)量?jī)x已經(jīng)很少見。 課題研究難點(diǎn) 由于人體的脈搏信號(hào)具有頻率低、幅度小干擾大，不穩(wěn)定度低，隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得對(duì)脈搏信號(hào)的采集放大電路的設(shè)計(jì)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(jì)低通濾波器進(jìn)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(huì)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，其幅值大約是脈搏信號(hào)峰峰值的 50%,是主要的干擾源 （ 2） 肌電干擾 肌肉的收縮會(huì)產(chǎn)生微伏級(jí)的電勢(shì)，其幅值大約是脈搏信號(hào)峰峰值的 10％，維持時(shí)間大約是 50ms，頻帶范圍可以在 0HZ~10000HZ。呼吸所引起的 ECG 信號(hào)的幅度的變化可以達(dá)到 15％。 低噪聲、低漂移 在脈搏信號(hào)放大器中，由于增益較高，噪聲和漂移是兩個(gè)較重要的參數(shù)。為了獲得一定信噪比的輸出信號(hào)，對(duì)放大器的低噪聲性能有嚴(yán)格要求。而脈搏信號(hào)具有很低的頻率成分，為了能正常測(cè)量，必須采取措施來限制放大器的漂移。 課題主要研究?jī)?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(hào)屬于低頻范疇 .因此 ,脈搏測(cè)量?jī)x是用來測(cè)量低頻信號(hào)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(dòng) )轉(zhuǎn)換成電信號(hào) ,這就需要借助傳感器。 （ 3）在很短的時(shí)間（若干秒）內(nèi)，測(cè)出經(jīng)放大后的電信號(hào)頻率值。可見，脈搏測(cè)量?jī)x的主要組成部分是計(jì)數(shù)器和數(shù)字顯示器。 （ 2）測(cè)量脈搏跳動(dòng)固定次數(shù)（比如 5 次， 10 次）所需的時(shí)間 ，然后轉(zhuǎn)換為每分鐘的脈搏數(shù) [7]。本設(shè)計(jì)采用第二種方案?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，有兩種方案可以實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的框圖如下圖 所示 圖 純硬件脈搏測(cè)量?jī)x框圖 方案二：使用單片機(jī)電路來實(shí)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(jī)方案有較大的活動(dòng)空間，不但能實(shí)現(xiàn)所要求的功能而且能在很大的程度上擴(kuò)展功能，而且還可以方便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾。當(dāng)選用電極傳感器時(shí) ,需要 3 個(gè)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(chǎng)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(jiǎn)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(diǎn)，采用光電效應(yīng)手指脈搏傳感器 [8][9]來拾取脈搏信號(hào)。指端血管的容積和透光度隨 心搏改變時(shí)，將使光電三極管極管收到不同的光強(qiáng)，并由此產(chǎn)生的光電流均隨之作相應(yīng)變化。 采用紅外對(duì)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(hào)可以精 確地測(cè)得血管內(nèi)容積變化。缺點(diǎn) 第 7 頁 共 40 頁 是價(jià)格非常昂貴，一般均在五百元以上 。 缺點(diǎn)： 外部光源的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較大； 需要購(gòu)買專門的醫(yī)用光電傳感器，價(jià)格較貴且不易購(gòu)買； 對(duì)這樣的器件接觸很少，對(duì)其進(jìn)行調(diào)試時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)較 大困難。 缺點(diǎn)：直接與人體相接觸，容易因?yàn)槿梭w肌肉的顫動(dòng)等而產(chǎn)生干擾。 （ 3）集成式 : 優(yōu)點(diǎn) :集成度高 ,包含了濾波 ,放大電路 ,可以直接輸出信號(hào) ,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(jì)要求以及經(jīng)費(fèi)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(hào)如下圖 所示。外部壓力作用于銅片時(shí)，壓電陶瓷就可以感受壓力而產(chǎn)生電信號(hào)，并最終通過鍍銀層將該信號(hào)輸出。 圖 壓電陶瓷片的符號(hào)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(jì)的目的，先要對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(cè)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求 [14]。 單片機(jī)的選擇 本設(shè)計(jì)作為一個(gè)簡(jiǎn)單脈搏測(cè)量?jī)x，最后需給出脈搏波動(dòng)頻率。 （ 1） AVR 單片機(jī) AVR 單片機(jī) [15][16]是 ATMEL 公司生產(chǎn)的單片機(jī)。相對(duì)于出現(xiàn)較早也較為成熟的 51 系列單片機(jī)， AVR系列單片機(jī)片內(nèi)資源更為豐富，接口也更為強(qiáng)大，同時(shí)由于其價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，在很多場(chǎng)合可以替代 51 系列單片機(jī)。 AVR 單片機(jī)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(diǎn)：體積小 ，集成度高，可靠性好易于擴(kuò)展。micro。內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，因?yàn)闇p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(kuò)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(gè)中斷向量及 10 余個(gè)中斷源，適合實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域。 如 SPCE061 等。該系列單片機(jī)的始祖是 Intel 的 8031 單片機(jī)，后來隨著 Flash rom 技術(shù)的發(fā)展， 8031 單片機(jī)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的 8 位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是 ATMEL 公司 的 AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控 系統(tǒng)之中。 51 單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，易于開發(fā)的特點(diǎn)。但是其功能相對(duì)較少，訪問外部數(shù)據(jù)有瓶頸，作電壓范圍窄。而對(duì) 51 單片機(jī)，本人比較熟悉，所以，本設(shè)計(jì)中選擇 51 單片機(jī)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(jì)的設(shè)計(jì)要求，而且， AT89S51 的價(jià)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(gè)放大器。這部分電路的框圖如圖 所示?？梢钥闯鰷y(cè)量 fx 必須將 N 或 t 兩個(gè)量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對(duì)另一個(gè)量進(jìn)行測(cè)量。 （ 1）周期測(cè)量法：適用于低頻信 號(hào)。被測(cè)信號(hào)的周期作為信號(hào)閘門，由程序控制開關(guān)對(duì)時(shí)基進(jìn)行計(jì)數(shù)得 nx，因此被測(cè)信號(hào)周期為 Tx nx Ts??，每分鐘脈搏跳動(dòng)次數(shù)為60/N Tx? 。其特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)不是用來填充待測(cè)信號(hào)的周期，而是與待測(cè)信號(hào)分別輸入到兩個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行同步計(jì)數(shù)。充分利用單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè)作為定時(shí)器 ，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)，另一個(gè)作為計(jì)數(shù)器。所以，本設(shè)計(jì)中選擇周期測(cè)量法。查詢方式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，硬件開銷??；缺點(diǎn)是 CPU 在整個(gè)傳送過程中需要不斷檢測(cè)外設(shè)狀態(tài)，由于 CPU 的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息的顯示。脈搏波動(dòng)頻率一般為60～ 80 次 /min?？梢赃x擇 LCD 字符液晶屏來對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息進(jìn)行顯示。 （ 1）靜態(tài)顯示：所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)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(shí)。利用人的視覺暫留功能可以看到整個(gè)顯示，但必需保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。 本設(shè)計(jì)中，顯示的脈搏波動(dòng)頻率，同時(shí)顯示脈搏次數(shù)和測(cè)試時(shí)間，選用動(dòng)態(tài)顯示。然后，將放大后的脈搏信號(hào)經(jīng)過整形電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的脈沖。本章對(duì)各部分電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)論述與分析。 為了達(dá)到上述要求 ,并聯(lián)型雙運(yùn)放放大電路 [21]能滿足其要求 圖 并聯(lián)型雙運(yùn)放放大電路 前兩個(gè)運(yùn)放為同向比例放大器 ,輸入阻抗很高 ,它對(duì)共模信號(hào)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(hào)將通過放大器獲得增益并且得到放大。 以上電路需要三個(gè)運(yùn)放，在調(diào)試的時(shí)候會(huì)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(hào)是在強(qiáng)噪聲下的微弱信號(hào)，它對(duì)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(xiàng)目 規(guī)格 備注 增益范圍 1～ 1000 只需一個(gè)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(yùn)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(jì)時(shí)考慮兩級(jí)放大 ,第一級(jí)采用 AD620,外接一個(gè) 的電阻 ,放大倍數(shù)由公式大約放大十倍左右。 圖 一級(jí)放大電路 二階濾波器電路的設(shè)計(jì) 由于脈搏信號(hào)的頻率在 左右，正常情況下不會(huì)出現(xiàn)高于 2HZ 的信號(hào)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，用來濾去高頻信號(hào)。 （ 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(shí)，采用二階濾波器即可達(dá)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(dá)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(shí)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(jí)放大電路的設(shè)計(jì) 第二級(jí)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(yùn)放本身同相端對(duì)地的共模輸