趙陽(yáng), 徐秀林
上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海, 200093)
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脈搏檢測(cè)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
趙陽(yáng), 徐秀林
上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海, 200093)
【摘要】該文設(shè)計(jì)一種脈搏信號(hào)采集系統(tǒng), 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體脈搏的采集、 放大、 濾波和通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, 在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)接收, 波形顯示及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取。系統(tǒng)由PVDF脈搏傳感器模塊、 數(shù)字采集電路模塊、 串口通訊模塊、 軟件模塊等部分構(gòu)成, 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 操作方便、 便攜、 功耗低等特點(diǎn)。該系統(tǒng)既可用于防止中醫(yī)診斷“切脈”時(shí)醫(yī)生主觀影響, 使中醫(yī)脈象診斷客觀化; 也可用于心血管疾病的診斷及預(yù)防。
【關(guān)鍵詞】傳感器; 人體脈搏; 串口通信; 數(shù)據(jù)庫(kù)
0引言
脈搏信號(hào)的監(jiān)測(cè)在傳統(tǒng)中醫(yī)診斷中起到相當(dāng)重要的作用, 心血管疾病的病理狀態(tài)也能在患者的脈搏波形和波速度上表現(xiàn)出來(lái)[1]。脈搏波所表現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)、 強(qiáng)度、 速率與節(jié)律等方面的綜合信息在相當(dāng)程度上反映出人體心血管系統(tǒng)的生理和病理特征, 因此采用正確的方法獲得人體脈搏波顯得非常重要[2]。脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)能安全方便地獲取脈搏信號(hào), 通過(guò)分析較早發(fā)現(xiàn)病情并進(jìn)行治療。為從脈搏波形中獲取豐富的信息, 首先要以較高的采樣頻率實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè); 同時(shí)要求上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示脈搏波形圖, 使醫(yī)生能夠方便地選擇記錄有效的波形曲線(xiàn)。國(guó)內(nèi)外常用采集脈搏波的方法是利用電極或傳感器接觸人體的探測(cè)部位, 再經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)放大、 濾波、 信號(hào)處理得出人體的生理信號(hào)。本文采用壓力脈搏傳感器來(lái)進(jìn)行脈搏信號(hào)的測(cè)量。
1總體設(shè)計(jì)方案
本設(shè)計(jì)的人體脈搏波采集系統(tǒng)是通過(guò)PVDF壓電薄膜脈搏傳感器采集脈搏信號(hào), 微弱的脈搏信號(hào)經(jīng)過(guò)脈搏傳感器輸出后傳送至放大電路, 放大電路在單片機(jī)控制下, 把接收到的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理, 之后把放大電路輸出的模擬信號(hào)送給內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)D/A轉(zhuǎn)換接口, 此A/D轉(zhuǎn)換器在單片機(jī)的控制下, 對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換, 同時(shí)設(shè)定采樣頻率等一些必要的參數(shù)。在接收端接收始發(fā)端的信號(hào), 再把A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的異步通用串行收發(fā)器傳送到上位機(jī), 上位機(jī)是用C++語(yǔ)言在Visual Studio 2010中進(jìn)行編程, 在上位機(jī)就能實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、 顯示和保存, 得到準(zhǔn)確的脈搏信號(hào)。系統(tǒng)還通過(guò)SQL Server2008數(shù)據(jù)庫(kù)建立個(gè)人病歷系統(tǒng), 在檢測(cè)個(gè)人脈搏數(shù)據(jù)之前建立患者信息數(shù)據(jù)庫(kù), 把病人基本信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)?;颊咝畔⑾到y(tǒng)有查詢(xún)的功能, 通過(guò)姓名和編號(hào)二者進(jìn)行模糊查詢(xún)。系統(tǒng)還擁有登陸功能和密碼修改功能, 在保證操作簡(jiǎn)捷的前提下確保了系統(tǒng)的安全性, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1脈搏監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
Fig.1Analysis system structure diagram of pulse monitor
2硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
脈搏測(cè)量系統(tǒng)的硬件部分主要由PVDF壓電傳感器、 信號(hào)放大濾波電路以及上位機(jī)處理系統(tǒng)組成。利用脈搏傳感器獲取人體手腕處橈動(dòng)脈的脈搏信號(hào), 將橈動(dòng)脈處的脈搏壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào), 該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、 濾波調(diào)理電路, 得到適合A/D轉(zhuǎn)換需要的電壓信號(hào), A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào), 經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后由數(shù)據(jù)采集控制單元通過(guò)串口通信與計(jì)算機(jī)連接, 將數(shù)字信號(hào)傳送到上位機(jī), 利用上位機(jī)的軟件對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行采集并繪制曲線(xiàn), 可進(jìn)行必要的處理和分析。
2.1脈搏傳感器
基本功能是將撓動(dòng)脈搏動(dòng)壓力和切脈壓力等物理量轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電信號(hào), 用于人體脈搏的臨床測(cè)量。本文采用合肥華科電子技術(shù)研究所研制開(kāi)發(fā)的基于PVDF(聚偏氟乙烯)壓電膜的HK-2000C型集成化脈搏傳感器。它是一種軟接觸式的無(wú)創(chuàng)傷脈搏傳感器。由于傳感器提取信號(hào)較弱, 易受周?chē)h(huán)境的干擾, 因此必須對(duì)信號(hào)濾波和放大, 電路包含電荷放大電路和高通濾波電路[3]。
2.2放大電路
人體生理信號(hào)的基本特征是信噪比低、 信號(hào)弱、 頻率低, 所以對(duì)測(cè)量放大電路的要求比較高, 本研究采用的信號(hào)放大電路系統(tǒng)如圖2所示。 整個(gè)電路工作于 3.3 V 電源電壓下, 接在電源上的電阻R3和傳感器, 完成傳感器供電和波動(dòng)信號(hào)的輸出。 由于人體脈搏信號(hào)是弱信號(hào), 傳感器輸出的信號(hào)比較微弱(幾十毫伏), 不能直接用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行處理[4]。用兩級(jí)運(yùn)放(U1和U2)構(gòu)成的同相比例放大電路來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大, 用同相放大電路來(lái)做一個(gè)基線(xiàn)調(diào)整, 即在放大器的輸入端另加一個(gè)輸入量, 通過(guò)改變R2和R5、 R1和R4的比例來(lái)設(shè)置放大倍數(shù), 把電壓信號(hào)放大到 1 ~3.3 V。這樣在上位機(jī)對(duì)脈搏波形進(jìn)行還原時(shí), 可以顯示所有脈搏波, 不會(huì)部分丟失。
圖2放大電路圖
Fig.2Amplifier circuit diagram
2.3濾波電路
由于人體脈搏信號(hào)的頻率主要分布在0.5~10 Hz之間, 這樣容易引入干擾信號(hào), 主要包括:
(1)基線(xiàn)漂移、 人體呼吸等低頻干擾, 頻率小于1 Hz;
(2)工頻干擾, 是固定頻率的干擾, 頻率為50 Hz;
(3)其他干擾信號(hào), 主要是高于60 Hz的高頻干擾[5]。
系統(tǒng)通過(guò)R9、 C4、 R6、 C3構(gòu)成低通濾波器濾掉高頻噪聲, 再通過(guò)一個(gè)二階有源帶阻陷波器來(lái)濾掉 50 Hz 的工頻信號(hào)。如圖3所示為雙 T 型 50 Hz 陷波器, 通過(guò)改變R13可以調(diào)節(jié)品質(zhì)因素Q的值, 中心點(diǎn)越往上調(diào), Q 值越大, 反之則越小。在雙T電路中, 取R11=R12=2×R14=R, C9=C10=1/2C11=C, 則陷波點(diǎn)f 0=1/(2 RC)=50 Hz。
使用STM32單片機(jī)通過(guò)ADC模塊采集經(jīng)過(guò)放大濾波過(guò)后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)(Vout1接在ADC_IN0引腳上)。數(shù)字信號(hào)通過(guò)單片機(jī)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的平滑濾波處理后通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī), 由于計(jì)算機(jī)串口是RS232電平, 所以電路中通過(guò)PL2303芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
系統(tǒng)用PL2303HXD串口轉(zhuǎn)USB實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)向上位機(jī)的傳輸, 脈搏模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī), 再通過(guò)串口通訊發(fā)送給數(shù)字信號(hào)到上位機(jī)。
圖3濾波電路圖
Fig.3Filter circuit diagram
3軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
軟件部分的功能是對(duì)脈搏信號(hào)采集之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集顯示以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、 傳輸?shù)然静僮鳎?并建立病人數(shù)據(jù)庫(kù), 存儲(chǔ)病人信息。操作流程如圖4所示。
圖4軟件部分操作流程圖
Fig.4Software part operation flow chart
軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境為 Visual Studio2010, 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C++。軟件部分主要包括串口通訊編程; 脈搏信號(hào)實(shí)時(shí)采集、 顯示、 存儲(chǔ)(以TXT文檔進(jìn)行存儲(chǔ)); 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的編寫(xiě); 數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用。具體包括編寫(xiě)進(jìn)行串口控制和通訊的類(lèi), 實(shí)現(xiàn)串口參數(shù)設(shè)置、 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收; 設(shè)置相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu), 保存脈搏數(shù)據(jù), 使用數(shù)據(jù)文件保存采樣數(shù)據(jù); 實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示, 波形可縮放; 可以調(diào)整基線(xiàn); 使程序通過(guò)可調(diào)節(jié)的采樣頻率和采樣信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的采樣; 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件播放顯示; 通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)脈搏特征參數(shù)的計(jì)算(幅度、 頻率)。本系統(tǒng)選用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù), 為每一個(gè)受試者建立相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。需要查詢(xún)時(shí), 可根據(jù)受試者的姓名和編號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的模糊查詢(xún)。為了便于數(shù)據(jù)操作, 系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫(kù)的添加、 刪除、 修改功能。
3.1串口協(xié)議的編寫(xiě)
數(shù)據(jù)采集和顯示主要通過(guò)串口編程實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)可以方便地進(jìn)行脈搏采集通道、 波特率、 數(shù)據(jù)位、 校驗(yàn)位、 停止位的設(shè)置。采集的脈搏波以時(shí)間作橫軸、 幅度為縱軸, 進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。
為在脈搏采集系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多路高頻采集, 防止串口讀寫(xiě)速度與CPU速度不匹配引起程序效率的下降, 建立了一個(gè)基于多線(xiàn)程的Windows API串口控制和通訊類(lèi), 通過(guò)同步使工作線(xiàn)程在實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備參數(shù)設(shè)置、 打開(kāi)和關(guān)閉的同時(shí), 主線(xiàn)程還能控制指令發(fā)送、 接收和數(shù)據(jù)解碼操作、 實(shí)時(shí)繪圖等[6]。
系統(tǒng)編寫(xiě)了CSerialPort類(lèi)(類(lèi)的封裝使程序有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和可移植性)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)串口參數(shù)設(shè)置、 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收, 并添加了多線(xiàn)程控制函數(shù)CommThread(), 發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)SendData(), 延時(shí)監(jiān)測(cè)函數(shù)GetCommTimeOuts(), GetWriteBufferSize()和數(shù)據(jù)寫(xiě)入函數(shù)WriteToPort(); 然后生成CSerialPort類(lèi)的實(shí)例: m_bIsSuspened, m_CommTimeouts, m_nWriteSize, m_Thread, 并通過(guò)套接字m_hWriteEvent, m_szWriteBuffer建立數(shù)據(jù)的傳輸。串口通訊參數(shù)設(shè)置包括: USB 或 232接口; 采樣頻率: 200~1 000 Hz; 采集精度: 8位; 10級(jí)硬件幅度調(diào)整。
3.2數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)編寫(xiě)了CPulseDlg類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示, 主界面如圖5所示, 添加了OnDeltaposSpinBaseline()函數(shù)調(diào)整基線(xiàn), Replay()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)脈搏波形的回放, OnBnClickedBtnOpenFile()函數(shù)使采集脈搏數(shù)據(jù)以文件形式保存。
圖5脈搏采集分析系統(tǒng)主界面
Fig.5 Main interface of pulse acquisition and analysis system
程序可以設(shè)置相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu); 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)TXT文件播放顯示, 記錄人體的脈搏波并實(shí)時(shí)顯示, 脈搏波形由升支A和降支K構(gòu)成。升支反映心室快速射血內(nèi)動(dòng)脈的被動(dòng)擴(kuò)張, 降支反映射血后期的回縮。脈搏波的形狀, 因循環(huán)系統(tǒng)的情況改變而不同。如主動(dòng)脈瓣是否健全, 心搏節(jié)律是否正常, 動(dòng)脈管的彈性影響等, 都可根據(jù)脈搏波形的變化進(jìn)行診斷。進(jìn)行脈搏特征數(shù)據(jù)的計(jì)算(幅度、 頻率), 并實(shí)現(xiàn)脈搏數(shù)據(jù)文件播放顯示和脈搏文件數(shù)據(jù)的回放。
3.3用戶(hù)登錄和信息錄入
該模塊用來(lái)錄入被測(cè)試者基本信息, 包括姓名、 性別、 出生年月、 身高、 體重、 收縮壓、 舒張壓等, 由Pluse數(shù)據(jù)庫(kù)中的dbo.Patients控制, 主要包含CPatients類(lèi)和CPatientRecordSet類(lèi), 使用ADO的方式操作數(shù)據(jù)庫(kù), 利用ADO對(duì)象來(lái)操作數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)[7], 該模塊使用_ConnectionPt型指針m_pConnection來(lái)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)連接, 使用_RecordsetPtr型指針m_pRecordset執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)命令, 打開(kāi)和關(guān)閉數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)CPatientDlg類(lèi)的成員函數(shù)OnNew()、 OnModify()、 OnDelete()、 OnLookUp()來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被采集者基本信息的新建、 修改、 刪除、 查詢(xún)。
該模塊主要負(fù)責(zé)用戶(hù)身份驗(yàn)證, 由Pluse數(shù)據(jù)庫(kù)中的dbo.Doctors控制, 添加了用戶(hù)編號(hào)、 用戶(hù)賬號(hào)和用戶(hù)密碼這三個(gè)字段。該模塊主要包含CLogin和CChangePassword兩個(gè)類(lèi), 兩個(gè)類(lèi)共有的變量是m_Username和m_Password, 登陸時(shí)輸入賬號(hào)和密碼, 點(diǎn)擊登陸, 系統(tǒng)開(kāi)始與Doctors表里面的字段匹配, 若用戶(hù)名和密碼都正確, 則成功登陸, 若有一個(gè)不正確, 彈出登錄失敗消息提示。CChangePassword還包括了m_NewPassword1和m_NewPassword2兩個(gè)變量, 以保證修改密碼的嚴(yán)密性, 修改密碼必須按照規(guī)定的步驟, 填錯(cuò)用戶(hù)名, 新舊密碼或者兩次新密碼的輸入不相同時(shí), 都會(huì)報(bào)錯(cuò)并提示重新輸入, 操作界面如圖6所示。
圖6患者信息模塊主界面
Fig.6Main interface of patient information module
4可靠性測(cè)試
選取10名健康的正常人, 年齡為25±2歲, 在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行脈搏信號(hào)的采集與評(píng)估, 設(shè)定9 600的波特率, 200 Hz的采樣頻率, 將其進(jìn)行兩倍的放大, 并與臨床在用的麥邦公司的MB-3000脈搏測(cè)量?jī)x器的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比, 將對(duì)比記錄存入文件, 經(jīng)過(guò)一周后, 在同樣的測(cè)試條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 將二者測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分析, 以判斷系統(tǒng)的可靠性[8], 操作流程如圖7所示。
測(cè)試結(jié)束后, 將保存在TXT里的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS數(shù)據(jù)分析軟件, 得出關(guān)于兩組脈搏信號(hào)的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC值), ICC是衡量和評(píng)價(jià)測(cè)試儀器的信度的系數(shù)指標(biāo), 等于個(gè)體的變異度除以總的變異度, 其值在0~1之間, 0表示不可信, 1表示完全可信。一般認(rèn)為ICC小于0.4表示信度較差, 0.6~0.75之間表示信度較好, 大于0.75表示信度極好。測(cè)試結(jié)果顯示, 一周前的數(shù)據(jù)與一周后的數(shù)據(jù)組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC值)均大于0.6, 說(shuō)明該系統(tǒng)有很好的可靠性。
圖7系統(tǒng)調(diào)試流程圖
Fig.7System debug flow chart
5結(jié)論與展望
脈搏是反映人體循環(huán)系統(tǒng)功能重要的生理參數(shù), 它包含了人體心率變化等重要信息。市場(chǎng)上的脈象采集儀器雖然采集脈象清楚、 準(zhǔn)確, 但是這類(lèi)儀器價(jià)格昂貴、 大型笨重, 不便于小醫(yī)院或家庭使用, 本文設(shè)計(jì)的脈搏檢測(cè)分析系統(tǒng)便攜、 功耗低, 能對(duì)脈搏準(zhǔn)確測(cè)量, 在臨床應(yīng)用上具有重要的意義。系統(tǒng)編寫(xiě)了專(zhuān)門(mén)進(jìn)行串口控制和通訊的類(lèi), 實(shí)現(xiàn)串口參數(shù)設(shè)置、 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收, 由于類(lèi)的較強(qiáng)密封性和可移植性, 此串口通訊類(lèi)可以用于其他程序, 比如人體其他生理參數(shù)測(cè)量的串口通訊類(lèi), 為其他帶有串口通訊類(lèi)設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供了方便。
目前, 系統(tǒng)尚需要增加波形分析模塊, 通過(guò)上位機(jī)直接對(duì)波形進(jìn)行分析。在數(shù)據(jù)庫(kù)方面可以實(shí)現(xiàn)病人的脈搏波形存入數(shù)據(jù)庫(kù), 在查詢(xún)病人信息的同時(shí)顯示歷史記錄波形。在其他方面也需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究。
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Design and Implementation of the System of Pulse Detection and Analysis
ZHAO Yang, XU Xiulin
School of Medical Instrument and Food Engineering,
University of Shanghai for Science and Technology(Shanghai, 200093)
【Abstract】In this paper, a pulse signal acquisition system is designed. The system realizes the collection, amplification, filtering and data transmission through serial port. The data is received, the waveform is displayed and the data is stored and read in upper computer. The system consists of PVDF pulse sensor module, digital acquisition circuit module, serial communication module, software module and so on. The system has the advantages of simple structure, convenient operation, easy to carry and low power consumption. The system not only can be used to prevent subjective diagnostics of trditional Chinese medicine "pulse" doctor's pulse-taking, to achieve objective pulse diagnosis; but also be used for the diagnosis and prevention of cardiovascular disease.
【Key words】sensor, human pulse, serial communication, database
收稿日期:(2015-06-20)
【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】【中國(guó)分類(lèi)號(hào)】R496 A
文章編號(hào):1674-1242(2015)04-0196-05
通信作者:徐秀林,E-mail: xxlin100@163.com
作者簡(jiǎn)介:E-mail:49877066@qq.com
基金項(xiàng)目:上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目(14441905100)
doi:10.3969/j.issn.1674-1242.2015.04.002
生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)進(jìn)展2015年4期