【正文】 ........................................................................ 26 7 總結(jié)與展望 ......................................................................................................... 25 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................... 28 附 錄 ..................................................................................................................... 29 致 謝 ..................................................................................................................... 32 1 1 概述 選題的背景和意義 脈搏攜帶有豐富的人體健康狀況的信息，自公元三世紀(jì)我國最早的脈學(xué)專著《脈經(jīng)》問世以來，脈學(xué)理論得到不斷的發(fā)展和提高。脈診是我國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中最具特色的一項診斷方法，其歷史悠久，內(nèi)容豐富，是中醫(yī) “ 整體觀念 ” 、 “ 辨證論證 ” 的基本精神的體現(xiàn)與應(yīng)用。但由于中醫(yī)是靠手指獲取脈搏信息，雖然脈診具有簡便、無創(chuàng)、無痛的特點易為患者接受，然而在長期的醫(yī)療 實踐中也暴露出一些缺陷。脈診的這種定性化和主觀性，大大影響了其精度與可行性，成為中醫(yī)脈診應(yīng)用、發(fā)展和交流中的制約因素。 醫(yī)院的護(hù)士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘脈搏數(shù)，方法是用手按在病人腕部 的動脈上，根據(jù)脈搏的跳動進(jìn)行計數(shù)。為了提高脈搏測量的精確與速度，多種脈搏測量儀被運用到醫(yī)學(xué)上來，從而開辟了一條全新的醫(yī)學(xué)診斷方法。此后隨著機械及電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外在研制中醫(yī)脈象儀方面進(jìn)展很快，尤其是 70 年代中期，國內(nèi)天津、上海、江 西等地相繼成立了跨學(xué)科的脈象研究協(xié)作組，多學(xué)科共同合作促使中醫(yī)脈象研究工作進(jìn)入了一個新的境界。 目前脈搏測量儀在多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，除了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如無創(chuàng)心血管功能 2 檢測、妊高癥檢測、中醫(yī)脈象、脈率檢測等等，商業(yè)應(yīng)用也不斷拓展，如運動、健身器材中的心率 測試都用到了技術(shù)先進(jìn)的脈搏測量儀。起初用于體育測量的脈搏測試集中在對接觸式傳感器的研究，利用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測量儀各有其優(yōu)缺點。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度 影響明顯，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確。 近年來國內(nèi)外致力于開發(fā)無創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的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，能夠自動消除儀表自身系統(tǒng)的誤差，測量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數(shù)。具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)使用等優(yōu)點。 人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動脈的收縮和舒張，是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，這種波成為脈搏波。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。 3 2 脈搏測量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 脈搏測量儀的設(shè)計，必須是通過采集人體脈搏變化引起的一些生物信號，然后把生物信號轉(zhuǎn)化為物理信號，使得這些變化的物理信號能夠表達(dá)人體的脈搏變化，最后要得出每分鐘的脈搏次數(shù)，就需要通過相應(yīng)的硬件電路及芯片來處理物理變化并存儲脈搏次數(shù)。 光電脈搏測量儀的結(jié)構(gòu) 光電脈搏測量儀是利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢測脈搏跳動的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號，用電子儀表進(jìn)行測量和顯示的裝置。 （ 1） 光電傳感器 即將非電量 (紅外光 )轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它由紅外發(fā)射二極管和接收三極管組成，它可以將接收到的紅外光按一定的函數(shù)關(guān)系 (通常是線性關(guān)系 )轉(zhuǎn)換成便于測量的物理量 (如電壓、電流或頻率等 )輸出。 （ 3） 單片機電路 即利用單片機自身的定時中斷計數(shù)功能對輸入的脈沖電平進(jìn)行運算得出心率（包括AT89C5外部晶振、外部中斷等）。 （ 5） 電源 即向光電傳感器、信號處理、單片機提供的電源，可以是 5V 直流的穩(wěn)壓電源。脈搏測量儀硬件框圖如下圖 所示： 4 圖 脈搏測量儀的工作原理 當(dāng)手指放在紅外線發(fā)射二極管和接收 二 極管中間，隨著心臟的跳動，血管中血液的流量將發(fā)生變換。該信號經(jīng)放大、濾波、整形后輸出，輸出的脈沖信號作為單片機的外部中斷信號。 光電脈搏測量儀的特點 與 傳統(tǒng)的脈搏測量儀相比，光電式脈搏測量儀具有以下特點： （ 1） 測量的探測部分不侵入機體，不造成機體創(chuàng)傷，通常在體外。 （ 3） 測試的適用電壓為 5V 的直流電壓。 （ 5） 由于結(jié)構(gòu)簡單，因此體積小、重量輕、性價比優(yōu)越。 外部中斷信號 光電傳感器 低通放大器 比較和整形 單片機 AT89C51 液晶 顯示電路 外部晶振 5 3 硬件系統(tǒng) 控制器 本系統(tǒng)基于 51 系列單片機來實現(xiàn)，因為系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了 AT89C51 通用的比較普通單片機來實 現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。 AT89C51 的特點 （ 1） 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 （ 2） 4k 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器 （ 3） 1000 次擦寫周期 （ 4） 全靜態(tài)操作： OHz24MHz （ 5） 三級加密程序存儲器 （ 6） 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM （ 7） 32 個可編程 I／ O 口線 （ 8） 2 個 16 位定時／計數(shù)器 （ 9） 6 個中斷源 （ 10） 可編程串行 UART 通道 （ 11） 低功耗空閑和掉電模式 AT89C51 的結(jié)構(gòu) 此次設(shè)計所使用的 AT89C51 的封裝形式是 DIP40。 6 圖 AT89C51 的封裝形式 引腳功能： Vcc：電源電壓 GND：接地 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I／ 0 口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。 Pl 口： P1 是 — 個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 (吸收或輸出電流 )4 個 TTL 邏輯門電路。作輸入口使用時，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電萌。對端口寫 “ 1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 ② 作為第二功能使用，每一位功能定義如表 所示。當(dāng)振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。即使不訪問外部存儲器， ALE 仍以時鐘振器頻率的 1／ 6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的 PSEN信號不出現(xiàn)。 EA ＝ 1，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器。 XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。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 ,具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)好等優(yōu)點。 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。 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。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將可以間接測量到人體的脈搏信號。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。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。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。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。 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。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。 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)射強度就越大，所以對 R21 阻值的選取要求較高。 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。當(dāng)手指離開傳感器或檢測到較強的干擾光線時，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。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。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。 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，使其以較強方波形式輸出。 圖 整形后的方波 圖 為脈搏信號在放大整形前后的對比。 來自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機 89C51 的 引腳 ，單片機設(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。 圖 單片機處理電路 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。它的使用范圍包括傳感放大器、直