曹奕濤 淳莉 鄒富強

摘 要：在分析了現(xiàn)有脈搏信號測量技術及其處理方法的基礎上，設計了一種新型的脈搏波形采集與輔助診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PVDF壓電膜脈搏傳感器檢測人體脈搏信號，并以基于無線傳感器網(wǎng)絡的ZigBee射頻芯片CC2430作為脈搏信號采集與無線傳輸模塊，以脈搏波波形特征量K值作為反應脈搏波與生理因素相關信息的算法，然后以BlackFin533處理器為核心，通過其SPI接口與無線傳輸模塊進行數(shù)據(jù)通信并完成相關算法。從而實現(xiàn)了脈搏信號的采集與無線傳輸，脈搏波形的實時顯示和輔助診斷等功能。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee；脈搏傳感器；K值；BlackFin533

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）05-00-04

0 引 言

進入21世紀以來，人們越來越需要隨時隨地方便地了解自身的健康狀況，而脈搏是反映人體循環(huán)系統(tǒng)功能的重要生理參數(shù)，尤其與心血管疾病密切相關，對脈搏波進行準確測量，便于對人體生理健康狀況的變化趨勢做到早了解、早診斷，從而進行早防御、早治療，因此建立一套使用方便、操作簡單的脈搏監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。

本文研究基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡技術的脈搏波形監(jiān)測與輔助診斷系統(tǒng)， 其具有普通溫度計那樣簡單的操作，像手表那樣攜帶方便，友好的用戶顯示界面等特點。主要針對患有心臟或循環(huán)系統(tǒng)疾病并處于危險狀態(tài)的病人或患有慢性病的病人以及老年人，甚至需要經(jīng)常在不去醫(yī)院的情況下檢測這些健康指標的群體。本系統(tǒng)可通過按鍵采集實時數(shù)據(jù)并顯示健康信息，以便使用者了解脈搏狀況及自己的生理健康狀態(tài)，不僅可以實現(xiàn)個人的實時監(jiān)測，還可以實現(xiàn)諸如醫(yī)院、養(yǎng)老院中多人的同時檢測。在人們越來越關心自己健康狀況的社會中具有廣闊的實際應用價值和市場前景。

1 概述

1.1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要分為脈搏信號測試節(jié)點、BlackFin處理器輔助診斷以及無線傳感器組網(wǎng)測試三個部分。在發(fā)送端，利用靈敏度高、抗干擾性強的PVDF壓電膜傳感器檢測人體脈搏信號，并設計巴特沃茲二階低通濾波器對傳感器的輸出信號進行濾波。再將濾波后的信號送入具有ZigBee射頻功能的CC2430片上SoC系統(tǒng)，最后通過射頻傳輸脈搏波形信號至接收端。

在接收端接收脈搏波形信號，通過以脈搏波波圖面積變化為基礎的脈搏波波形特征量K值提取脈搏波的波形特征與生理因素的關系。利用BF處理器進行輔助診斷系統(tǒng)的界面設計以及功能實現(xiàn)。根據(jù)ZigBee技術特點可靈活地組建無線傳感器網(wǎng)絡，其中，一個處理終端能同時處理最多達255個客戶健康狀態(tài)信息。圖1展示了整個系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 總體設計方案

1.2 功能與指標

可以通過SSK-BF533端進行用戶切換，本系統(tǒng)可供多達255個用戶同時使用，且為無損探測脈搏信號。每個發(fā)送端能像手表一樣帶在用戶手上用以方便地檢測人體脈搏信號，同時采集的信號必須防止失真，并利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡傳輸至接收端。每個發(fā)送端采用紐扣電池供電，并要求功耗低，小巧方便。在接收端能進行脈搏波信號分析與處理得到用戶的脈搏頻率、輔助診斷結(jié)果等信息。

通信接口ZigBee的傳輸距離為100 m，采用2.4 GHz全球免費頻段，最大傳輸速度可達250 Kb/s。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)原理

2.1 脈搏信號的波形特征

脈診所得脈象的各種信息可用儀器放在切脈部位的皮膚上，以不同的壓力取法畫出脈象曲線，這種脈象曲線稱為脈象圖（或簡稱脈圖）。脈圖是實現(xiàn)脈診客觀化的一項重要指標。脈圖曲線由數(shù)個波構(gòu)成，各波的變化都代表其一定的生理和病理意義。典型脈圖如圖2所示。

圖2 脈圖特征點示意圖

當心臟收縮后，血液快速射入動脈，使動脈容積擴大，壓力增高，形成脈圖曲線的上升支（AB段）。上升速度與波幅的高低受心臟搏出量、射血速度、動脈阻力與彈性的影響。心臟輸出血量少，動脈阻力大則升支上升速度慢、波幅小。反之則上升速度快，波幅大。心臟收縮后期，心臟排出血量明顯減少，動脈壓力下降，動脈彈性回縮，脈象曲線下降，形成降支（BG段）中的速降段。當心臟開始舒張，主動脈瓣關閉，動脈中的血液向心室方向回流，脈象曲線急劇下降，于降支中出現(xiàn)切跡，形成降中峽（E點），由于動脈中回流的血液受到關閉的主動脈瓣的阻擋，血液被反折回來，于切跡之后又出現(xiàn)了1個上升的小波，即重搏波（F點）。因動脈的彈性回縮，血液繼續(xù)向外周流去而形成降支的緩降段。降支的形狀受外周血管狀態(tài)的影響較大，若外周血管擴張，阻力降低，則降支速度較快，切跡位置較低。切跡后的下降坡度較低，反之則下降速度慢，切跡位置高，切跡后的下降坡度較陡。升支和降支構(gòu)成主波，B點為主波波峰。其中，點A、G是主動脈脈瓣開放點，也稱為始射點。C是脈搏信號潮波前谷，D是脈搏信號的潮波 （重搏前波）。

2.2 脈搏波波形特征量K值的提取

由脈搏波的產(chǎn)生與傳播機理可知，隨著血管阻力和動脈彈性等生理變化，脈搏波波形特征變化會反映在脈搏波波形面積的變化上，為了能用一個簡潔的特征量來描述上述變化，北京工業(yè)大學羅志昌教授提出了以脈圖面積變化為基礎的脈搏波波形特征量K值，其定義見式（1）：

（1）

式中：為平均脈動電壓，它等于一個心動周期T中，脈搏壓力P（t）的平均值；Ps、Pd分別為收縮壓和舒張壓，如圖3 所示。K值的大小僅決定于脈搏波的脈圖面積，它和收縮壓Ps與舒張壓Pd的絕對值無關， 是一個無量綱值，它相當于脈搏波壓力脈動分量的平均值（Pm-Pd）在脈動分量最大值（Ps-Pd）中所占的百分比。不同生理病理狀態(tài)下脈圖波形和面積都會有很大變化，這個變化可用K值來表示。羅志昌等人從20世紀80年代中期開始， 通過動物實驗、臨床實測和數(shù)學模型計算的研究表明，隨年齡增加或高血壓血管硬化的發(fā)展， 血管阻力增加，脈搏波形由陡直形逐漸發(fā)展為饅頭形，弦脈程度增加，特征量K值也相應變化增加，其值一般在0. 35 ～0. 5之間變化。同時，羅志昌等人得出了K值和脈搏波波形特征的關系以及所代表的生理病理意義。根據(jù)其臨床研究表明，K值的確能代表人體心血管系統(tǒng)中最為重要的一些生理參數(shù)如血管外周阻力、血管壁彈性和血液黏度等的變化。而且由于特征信息減少到只有一個特征量，簡單易記，生理意義明確，變化很有規(guī)律，臨床醫(yī)生易于接受，可作為心血管臨床檢查的重要生理指標，有重要的醫(yī)學應用價值。

圖3 脈搏波波形特征量K值的提取

3 硬件設計實現(xiàn)

硬件系統(tǒng)的設計包括便攜式脈搏傳感器節(jié)點的設計、ZigBee無線射頻模塊的設計和基于DSP的信息處理終端的設計。其中便攜式脈搏傳感器節(jié)點的設計是硬件系統(tǒng)設計的重點，其設計既要滿足系統(tǒng)測試的要求，同時要滿足便攜性、低功耗、低成本和方便測試的要求，便攜式脈搏傳感器的系統(tǒng)原理框圖如圖4所示，主協(xié)調(diào)器射頻模塊通過SPI接口以即插鍵的形式與DM-KIT-CBBF533核心板進行連接。

圖4 便攜式脈搏傳感器節(jié)點原理框圖

3.1 脈搏傳感器

我們選擇了合肥華科電子技術研究所研制開發(fā)的基于聚偏氟乙烯壓電膜的HK-2000B型集成化脈搏傳感器。它是一種軟接觸式的無創(chuàng)傷脈搏傳感器，采用高度集成化工藝將力敏元件、靈敏度溫度補償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。主要應用于無創(chuàng)心血管測試，中醫(yī)脈象診斷。它具有很高的強度與很寬的頻響（ 0.1 ～10 MHz） ，材料?。◣爪蘭～幾百μm）且柔軟，并且有很好的時間和溫度穩(wěn)定性。

當對脈搏信號進行測量時，需要將脈搏傳感器傳感面（白色）貼在脈搏最強處用綁帶固定。把脈搏傳感器用綁帶固定在被測人的手腕外側(cè)，隨著每舒張收縮1次，動脈系統(tǒng)發(fā)生壓力和血流量的改變，即產(chǎn)生1個脈搏波。在這個過程中脈搏傳感器可以很好地采集到人體脈搏信號的搏動過程并轉(zhuǎn)化為同步的電壓信號輸出。從而使人體脈搏信號與脈搏傳感器輸出信號保持同步。

3.2 濾波電路

由于脈搏傳感器的輸出有負電壓，CC2430模塊A/D口可以采集負電壓，但是我們的電源系統(tǒng)采用3.6 V的紐扣電池供電，而在濾波電路中的運算放大器需要-3.6 V電壓供電，所以電路中使用了ME7660以得到-3.6 V電壓源。通過離散傅里葉變換得到人體脈搏信號的最高頻率大約為80 Hz，由于信號頻率很低，其極易引入來自肌體抖動、精神緊張帶來的假象信號等。處理這些干擾的方法有硬件濾波、單片機軟件濾波。如圖5所示，關于硬件濾波，我們設計了一個在-3 dB處截止頻率大約為100 Hz的二階巴特沃茲低通濾波器，其中運算放大器采用OP07CP，以濾除系統(tǒng)的干擾，并將信號傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器為下一步的模數(shù)轉(zhuǎn)換做準備。

3.3 CC2430與A/D轉(zhuǎn)換

我們采用CC2430的ZigBee無線模塊，其具有與IEEE 80.2.15.4/ZigBee完全兼容的硬件層、物理層，因此它可通過符合現(xiàn)有規(guī)范的物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）實現(xiàn)無線通信，具有超低功耗、高靈敏度、出眾的抗噪聲及抗干擾能力，同時其采用DSSS頻譜傳輸，自動調(diào)頻，防沖突，防碰撞，提高了傳輸可靠性。另外，CC2430還包括許多強大的外設，如DMA、定時/計數(shù)器、看門狗定時器、AES-128協(xié)處理器、8～14位ADC、上電復位電路等。同時功耗很低，在待機狀態(tài)下工作電流僅為0.2 μA，在接收機傳輸模式下的電流損耗分別為27 mA和25 mA。

測試端CC2430模塊尺寸為34 mm×18 mm，共引出24條外接線，包括21個可編程I/O和8～14位ADC等。經(jīng)過濾波器之后的電壓輸出到模塊的P0_7管腳，同時從P1_0管腳引出一個I/O端口連接發(fā)光二極管用以指示無線網(wǎng)絡的連接狀態(tài)。

3.4 測試端系統(tǒng)集成

由于測試端裝置將戴在用戶手腕上，所以不宜過大過重，本文設計的脈搏采集裝置像手表那樣可以非常方便地使用。其尺寸為58 mm×35 mm×15 mm，同時選擇尺寸為20 mm×3.2 mm的鋰紐扣電池為測試端系統(tǒng)提供所需電能。將傳感器放置于表形裝置底部并露出接觸面，將CC2430模塊安插于濾波器電路之上，由于空間有限，我們將紐扣電池放置于CC2430模塊與底層印制板之間，利用他們的夾縫自然固定，整個測試端系統(tǒng)集成過程如圖6所示。

圖6 脈搏傳感器探測裝置俯視圖、后視圖和配戴圖

3.5 DSP與CC2430接收端的連接

本文使用開發(fā)板上提供的SPI接口實現(xiàn)DSP與CC2430接收端模塊的數(shù)據(jù)通信。CC2430模塊通過SPI將來自發(fā)送端的數(shù)據(jù)傳輸至DSP中進行下一步處理。硬件實物接口如圖7所示。

圖7 硬件實物圖

4 軟件設計實現(xiàn)

整個輔助診斷系統(tǒng)軟件由帶有無線射頻模塊的信息處理終端和脈搏傳感器測試節(jié)點兩部分組成，脈搏傳感器測試節(jié)點將被測對象的脈搏信號經(jīng)過一些預處理后，通過無線傳輸?shù)姆绞?，傳輸?shù)叫畔⑻幚斫K端，信息處理終端中的無線射頻模塊將接受到的信息通過SPI協(xié)議傳給基于DSP的信息處理終端。信息處理終端通過按鍵和LCD提供良好的人機交互界面，整體結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)框圖

4.1 特征量K值提取算法

要得到特征量K值，首先應根據(jù)圖2提取脈搏信號的主波、潮波、周期；再根據(jù)公式（1）計算特征量K值。脈搏信號的主波、潮波、周期實現(xiàn)步驟如下：

（1） 記脈搏信號為x（t） ，找到x（t）的最大值m；

（2） 用最大值m減去某值a，記b=m-a為門限，進行脈搏信號的門限處理，將x（t） 中高于b的值置為1，否則置為0，結(jié)果記為y（t） ；

（3） 對y（t）求差分，結(jié)果為1的點對應脈搏信號的升支，結(jié)果為-1的點對應脈搏信號的降支，在每相鄰的兩個升值之間找到最大值max和最小值min，max即為脈搏信號主波波峰位置，min即為脈搏信號始射點位置；

（4） 在最大值max和最小值min之間尋找最大值，靠近主波的點為潮波波峰所在點。

4.2 脈搏傳感器軟件流程

軟件系統(tǒng)用于完成1次測試流程的脈搏傳感器測試節(jié)點軟件流程圖和CC2430模塊接收端的軟件流程如圖9所示。

4.3 DSP處理器軟件流程

DSP負責用戶圖形界面的顯示和人機交互的設計，其信息處理流程如圖10所示，本系統(tǒng)設計了脈搏波形顯示、聯(lián)網(wǎng)進入系統(tǒng)的用戶數(shù)目、當前使用的用戶、脈搏數(shù)、K值結(jié)果以及輔助診斷結(jié)果的用戶圖形顯示界面；通過1～6這6個鍵盤按鍵的人機交互界面分別是用戶切換、開始、暫停、K值計算、脈搏數(shù)計算、輔助診斷。

圖10 DSP信息處理終端的軟件流程圖

5 系統(tǒng)測試

使一個用戶連接進入ZigBee無線網(wǎng)絡，同時使用人機交互功能的鍵盤按鍵實現(xiàn)各種操作和結(jié)果顯示，其測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 測試結(jié)果

其中用戶數(shù)目2表示系統(tǒng)中有2個用戶在檢測，用戶1表示正在測試的用戶是1號用戶，脈搏數(shù)為73，K值為0.32，同時被測試人為健康年輕人，系統(tǒng)的輔助診斷結(jié)果符合實際。同時用戶還可以根據(jù)自己的脈搏波形對比表2得出自己的脈象以及主病等信息。比如，此次測得的脈搏圖像與表2中的平脈十分相符，對比主病可以知道自己的脈搏正常，也與實際相符。

當一個用戶測試完成后，可按下用戶切換按鍵以切換到另一個用戶對其進行脈搏測試。

6 結(jié) 語

本文實現(xiàn)通過脈搏傳感器采集人體脈搏波形信息的目的，經(jīng)2.4 GHz ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸至接收端，最后通過BF533 EZ-KIT板實現(xiàn)人機交互和用戶圖形界面顯示，得到用戶的健康狀態(tài)并最終給出輔助診斷的結(jié)論。本系統(tǒng)不僅能對單個用戶進行測試，而且還可以使用在諸如醫(yī)院、養(yǎng)老院等人多的場合以供多人同時使用。此時可以在上位機等進行進一步的分析和操作。

通過實際測試，本系統(tǒng)測試結(jié)論理想并符合實際情況，在人們越來越關心自身健康狀況的今天，依靠測量自己的脈搏波形和輔助診斷得出自己的健康狀況，將有巨大的實用價值和商業(yè)前景。

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