郭廣靈，李智強(qiáng)，王艷芳

(1.華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系，湖北武漢430074;2.河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州450007)

0 引言

在世界范圍內(nèi)，心血管類疾病患者與日俱增，已成為人類健康的頭號殺手.人體脈搏系統(tǒng)是心血管系統(tǒng)的重要組成部分，從脈搏波中提取人體的生理和病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，受到中外醫(yī)學(xué)界的重視.隨著傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展，中醫(yī)數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化研究日益深入，進(jìn)行中醫(yī)輔助診療應(yīng)運(yùn)而生。自上個(gè)世紀(jì)50年代始，很多學(xué)者就利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和儀器，致力于中醫(yī)脈診客觀化的研究，旨在開發(fā)出能用于中醫(yī)脈診的儀器設(shè)備。但國內(nèi)脈診客觀化研究尚未取得突破性進(jìn)展.第一，脈象信息的采樣手段單一，目前傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，尚不能實(shí)現(xiàn)脈象信息的全面采集，使脈象顯示一般只能實(shí)現(xiàn)壓力脈搏圖的描記及分析，由于脈象形成的復(fù)雜性，僅采集單維壓力脈搏信息，顯然是不夠的，應(yīng)實(shí)現(xiàn)多維動(dòng)態(tài)采集［1］;第二，脈搏的測量參數(shù)較少，且沒有參考特征值，受測者不能自己判斷身體狀況，不利于客觀化脈診儀的推廣;另外，提取與信息分析處理方法簡單，僅限于時(shí)域、頻域的常規(guī)分析方法，不能滿足脈象信息的客觀、定量化，以及后續(xù)的診斷和治療［2-3］.

筆者基于FPGA和Matlab技術(shù)的脈圖信息處理系統(tǒng)，從中醫(yī)的脈診數(shù)字化入手，采集并重現(xiàn)中醫(yī)的脈圖和心血管功能參數(shù)，可為醫(yī)師臨床工作帶來極大的方便.

1 系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)的研究主要由硬件部分和軟件部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理.具體包括3個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集電路部分(下位機(jī))、USB接口電路部分和上位機(jī).硬件系統(tǒng)由 FPGA芯片EP2C8Q208C8、USB接口芯片 FT245BM、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364和存儲器芯片AM29LV160DB及其外圍電路組成.傳感器采集的實(shí)時(shí)脈搏波信號通過處理，變成A/D可以采樣的信號后送入采集系統(tǒng)，F(xiàn)PGA通過A/D轉(zhuǎn)換器對輸入電壓信號進(jìn)行采樣，將16位的采樣結(jié)果存儲在 FLASH AM29LV160DB中，USB系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從中讀出，并送至主機(jī)，并將脈搏波波形顯示在屏幕上，如圖1所示.

圖1 脈圖數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成Fig.1 Pulse figure data processing system composition

2 主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集電路

下位機(jī)軟硬件是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ).脈圖數(shù)據(jù)采集電路主要由傳感器、信號處理電路、脈圖采集(A/D轉(zhuǎn)換)電路部分組成，本設(shè)計(jì)采用的脈搏傳感器為合肥華科電子技術(shù)研究所研制開發(fā)的基于PVDF壓電膜的HK-2000G，它可由電壓或電流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生正比于輸入壓力的毫伏等級電壓輸出信號，其驅(qū)動(dòng)電壓＜15 Vdc，驅(qū)動(dòng)電流＜3 mA，具有優(yōu)異的可重復(fù)性和時(shí)間穩(wěn)定性.

信號處理模塊主要由放大和濾波電路組成.放大電路主要由AD623構(gòu)成，它是在傳統(tǒng)的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種新型儀表放大器，能在單電源(+3V～+12V)下提供滿電源幅度的輸出，AD623允許使用單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，以得到良好的用戶靈活性［4］.AD623通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比而保持最小的誤差.

濾波電路采用OP07芯片，構(gòu)成二階無限增益多路反饋低通濾波器，由于人體的脈搏大約在1 s/次，約1 Hz，但考慮一些特殊情況，特征頻率取20 Hz.

2.2 FPGA邏輯控制模塊

系統(tǒng)中的 FPGA采用了 CycloneⅡ系列的EP2C8Q208C8，該芯片提供 8，256 LEs，165，888 RAM bits，2 PLL，18個(gè)18x18 Embedded Multipliers，138 user I/O pins，門數(shù)為 20萬門.FPGA配置芯片采用EPCS4N.

FPGA負(fù)責(zé)A/D模塊的控制及數(shù)據(jù)的存儲與讀取;USB芯片與外部電路及主機(jī)的通信，是系統(tǒng)的控制核心.用于控制整個(gè)系統(tǒng)，增大了系統(tǒng)的靈活性和實(shí)時(shí)性［5］.

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

該模塊采用了高速、低功耗、6通道同步采樣的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364，適用于噪聲比較大的環(huán)境.每個(gè)輸入端的ADCs保持信號用來保證幾個(gè)通道能同時(shí)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，可以對單極性或雙極性輸入電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換［6］.文中采用雙極性輸入方式，輸入電壓可以在±2.5，±5，±10 V范圍內(nèi).當(dāng)ADS8364采用5 MHz的外部時(shí)鐘來控制轉(zhuǎn)換時(shí)，它的采樣率是250 kHz.地址/模式信號(A0，A1，A2)決定 ADS8364 的數(shù)據(jù)讀取方式，可以選擇單通道、周期或FIFO模式.FPGA對A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入FLASH進(jìn)行緩存.16位的采樣結(jié)果存儲在FLASH存儲器芯片AM29LV160DB中.

2.4 USB接口電路

為了擺脫常規(guī)USB數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)的難度，加快設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)程，本設(shè)計(jì)采用了FT245BM芯片，F(xiàn)T245BM是FTDI(Future Technology Devices IntlLtd)公司的一種快速USB通信接口.它無需編寫片內(nèi)固件程序.FTDI公司提供D2XX官方驅(qū)動(dòng)程序，使用D2XX驅(qū)動(dòng)程序能獲得更好的數(shù)據(jù)傳輸性能，且傳輸速率最大可達(dá)1 MB/s［7］.

FT245BM由FTDI(Future Technology Devices Int.Ltd.)公司推出，該芯片的主要功能是進(jìn)行USB和并行I/O口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換.PC機(jī)通過USB接口與FT245BM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)T245BM通過并行方式與下位微控制器通信.

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 FPGA軟件設(shè)計(jì)

FPGA的任務(wù)是通過AD轉(zhuǎn)換采集脈搏信息，并將采集的脈搏信息通過USB口發(fā)送給上位機(jī).系統(tǒng)軟件主要由初始化模塊、脈搏數(shù)據(jù)的采集模塊(AD轉(zhuǎn)換)、USB通訊模塊3部分組成.主程序流程如圖2所示.系統(tǒng)上電復(fù)位后，完成初始化，設(shè)置A/D采樣頻率及采樣通道，啟動(dòng)A/D開始采樣.將其采樣結(jié)果送入FLASH進(jìn)行存儲.當(dāng)其存滿時(shí)，USB將數(shù)據(jù)讀出，通過數(shù)據(jù)線送入主機(jī)，在主機(jī)上完成波形輸出.

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig.2 System flow chart

3.2 PC機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 USB通訊軟件設(shè)計(jì)

PC機(jī)與接口設(shè)備通信的軟件程序設(shè)計(jì)有兩種方法：VCP和D2XX方式.本系統(tǒng)采用VCP方式，即在PC機(jī)上安裝一個(gè)由FTDI公司免費(fèi)提供的虛擬串行口VCP(Virtual COM Port)驅(qū)動(dòng)程序，將USB口虛擬成一個(gè)串口，像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串口那樣進(jìn)行進(jìn)行外設(shè)和PC機(jī)的通信.可本質(zhì)上所有針對虛擬串口的數(shù)據(jù)通信都是通過USB總線完成的.

在PC端，應(yīng)用 VB對 VCP(通常設(shè)置為COM3)進(jìn)行編程.可以直接應(yīng)用MSComm控件，將 MSComm.CommPort置為 3，MSComm.Setings置為“9600，n，8，1”(該速率為默認(rèn)設(shè)置，實(shí)際上VCP驅(qū)動(dòng)程序總是使數(shù)據(jù)以最快速率傳輸);通過MSComm.PortOpen設(shè)置COM3的開關(guān)狀態(tài);通過MSComm.Input和 MSComm.Output讀入或輸出數(shù)據(jù).在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置MSComm.Rthreshold的值為1.只要有數(shù)據(jù)傳到PC機(jī)，就立即觸發(fā)MSComm.CommEvent事件，自動(dòng)讀取COM3的數(shù)據(jù);而發(fā)送數(shù)據(jù)則可自動(dòng)或手動(dòng)發(fā)送，由用戶自己設(shè)置.以上操作與操縱標(biāo)準(zhǔn)的串行口完全一致.

3.2.2 脈圖信號處理中用到的算法

上位機(jī)軟件是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)另一個(gè)核心部分.設(shè)計(jì)思想是，借助于VB和Matlab混合編程技術(shù)，對采集到的脈圖信號進(jìn)行希爾伯特黃變換、小波變換、均值微分、積分、模糊插值等算法進(jìn)而得到脈圖的相關(guān)信息.該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示、存儲、打印數(shù)字化脈波圖像和相關(guān)信息，自動(dòng)運(yùn)算得到脈圖特征參數(shù)，并對采集到的脈搏圖像進(jìn)行瞬時(shí)頻率分析，判斷受測者的身體狀況.由于篇幅，僅介紹均值微分和HHT變換及B-樣條插值

(1)均值微分.對于常微分方程：

離散微分方程，即再用向前差值商近似代替微分.

式中：x(n+1)為下一時(shí)刻的采樣值，Δt為采樣時(shí)間.

本軟件中由于脈圖信號的頂點(diǎn)有可能不是一個(gè)值，而是連續(xù)幾個(gè)極值點(diǎn)，因此采用均值處理，在第一個(gè)極值點(diǎn)周圍的差值小于某一特定值的極值進(jìn)行均值處理.即將在第一個(gè)極值點(diǎn)周圍的差值小于某一特定值的在連續(xù)五個(gè)出現(xiàn)的極值點(diǎn)求均值.得到高壓和低壓.

(2)HHT變換及B-樣條插值.HHT方法主要有兩步：EMD分解和Hilbert變換.EMD分解即Huang變換.對滿足本征模式分量兩個(gè)限定條件的信號可以通過Hilbert變換求出其瞬時(shí)頻率.但大多數(shù)實(shí)際信號并不是本征模式函數(shù)，任何時(shí)刻，信號中可能包含多個(gè)振蕩模式，采用希爾伯特變換并不能求出具有物理意義的瞬時(shí)頻率，因此大多數(shù)信號在Hilbert變換之前都要進(jìn)行EMD分解.

在進(jìn)行EMD分解時(shí)，需要將極大極小值包絡(luò)線與均值曲線擬合.這是 HHT的關(guān)鍵問題，它在很大程度上將影響到新理論的成熟和推廣應(yīng)用.但現(xiàn)有文獻(xiàn)幾乎都采用三次樣條插值，而未提出新的和更合理的方法.三次樣條插值容易造成過沖和欠沖，只有二階光滑性，如果采用直接擬合均值曲線的方法，可以降低過沖和欠沖現(xiàn)象但有時(shí)結(jié)果仍然很嚴(yán)重.這里采用B-樣條插值算法擬合所有的極大、極小值點(diǎn)，得到極大、極小值的平滑包絡(luò)線.

4 脈圖信息處理系統(tǒng)功能界面

脈圖信息處理系統(tǒng)的主要功能如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)主要功能Fig.3 System main function

4.1 初始界面

測試軟件的初始界面如圖4所示.

圖4 測試軟件的歡迎界面Fig.4 The welcome screen

4.2 版權(quán)與用戶設(shè)置模塊

在該模塊中，用戶既可以參照初始畫面的傳感器放置方法進(jìn)行傳感器的放置，也可以通過用戶名和密碼的設(shè)置界面進(jìn)行用戶名和密碼的添加、修改、刪除.在該界面可以設(shè)置多個(gè)用戶，但只有管理員可以修改和刪除用戶名和密碼.

4.3 參數(shù)設(shè)置模塊

在該模塊中，用戶需要設(shè)置必要的參數(shù).該模塊又包含兩個(gè)子模塊：①受測者個(gè)人信息模塊，用戶需要根據(jù)受測者的個(gè)人信息進(jìn)行填寫，受測者不同，個(gè)人信息不同，以便于后期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和存檔;②數(shù)據(jù)采集端口設(shè)置模塊，用來選擇數(shù)據(jù)采集的端口，即傳感器的端口，這個(gè)端口是個(gè)虛擬的串行口，用戶選擇不正確的話，系統(tǒng)會自動(dòng)提示錯(cuò)誤.

4.4 脈圖測試分析顯示模塊

該模塊是該項(xiàng)目的重點(diǎn).主要完成脈圖信息的采集、特征提取、顯示、打印功能.該模塊可以完成：①脈圖參考波形.該模塊給出了以健康年輕人的參考波形，以便于與后面的受測者的實(shí)時(shí)波形相比較;②脈圖實(shí)時(shí)波形.該模塊將受測者的實(shí)時(shí)波形顯示出來，用戶可以實(shí)時(shí)看到自己當(dāng)前脈圖波形，選擇自己想要的采集數(shù)據(jù)起始點(diǎn)，由于信息量較大，因此在后續(xù)的特征提取過程中，我們僅選取其中一段具有代表性的脈圖信息進(jìn)行計(jì)算;③脈圖參考特征信息.該模塊給出了國際上公認(rèn)的各個(gè)年齡段的脈搏數(shù)、高壓、低壓、舒張壓等能量特征信息以供受測者參考比對，以判斷受測者的個(gè)人身體狀況;④脈圖用戶特征信息.該模塊將受測者的實(shí)時(shí)脈圖信息進(jìn)行小波變換、模糊差值、微分、積分等運(yùn)算后得到受測者當(dāng)前的脈搏數(shù)、高壓、低壓、舒張壓等能量特征信息，可以根據(jù)受測者的特征信息與參考特征信息相比較;⑤黃變換結(jié)果參考.該模塊給出了黃變換的結(jié)果如何分析的一個(gè)參考建議，每個(gè)黃變換結(jié)果所代表的含義在該模塊進(jìn)行了詳細(xì)的敘述;⑥黃變換時(shí)頻信息.該時(shí)頻信息是根據(jù)受測者當(dāng)前采集到的脈圖的瞬時(shí)頻率從高到低排列，高頻代表了受測者的心血管方面的一些信息，低頻代表了受測者的脈搏數(shù)、呼吸等信息，受測者可以自己根據(jù)⑤中的說明自己進(jìn)行身體狀況的分析;⑦打印結(jié)果.該模塊可以將受測者的個(gè)人信息，脈搏圖打印出來，交給專業(yè)醫(yī)生診斷.典型界面如圖5和圖6所示.

5 結(jié)論

本研究在硬件和軟件上均從實(shí)際應(yīng)用和行業(yè)要求的角度出發(fā)，器件選擇合理，布局得當(dāng)，整個(gè)系統(tǒng)按照干擾小、穩(wěn)定性高以及成本低的原則進(jìn)行設(shè)計(jì).軟件算法具有創(chuàng)新性、高效性和可移植性.該研究的成果在醫(yī)學(xué)亞健康診斷及病態(tài)診斷和家庭醫(yī)療方面有廣泛的應(yīng)用價(jià)值.

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