羅 簫，奚小東，吳晗平

武漢工程大學光電信息與能源工程學院，湖北 武漢 430205

人體脈博在醫(yī)學領域有著極高的參考價值，可以用于中醫(yī)診斷、睡眠監(jiān)測、心臟病治療、無創(chuàng)血管功能檢測等各個方面［1～3］。由于脈搏信號微弱，故對系統的抗干擾和噪聲抑制能力要求較高，設計時需要著重考慮提高探測系統的分辨率和靈敏度［4］。

目前，探測人體脈搏信號使用的傳感器主要有半導體壓力傳感器、超聲波傳感器以及聚偏氟乙烯高分子壓電傳感器等。使用半導體壓力傳感器所構成的脈搏探測系統容易實現、價格低廉，但靈敏度不高；超聲波多普勒傳感器對液體穿透本領強，檢測精度較高，但對系統的設計要求高，需要單獨的制冷設備，不適用于便攜式系統；聚偏氟乙烯高分子壓電傳感器柔韌和加工性比較好、靈敏度高，但只能在有限范圍內滿足線性要求，抗干擾能力差［5-7］。通過比較各種傳感器優(yōu)缺點，根據脈搏引起血管血液濃度（流量）的變化，利用Lam?bert-Beer定律，對近紅外光吸收量的變化進行分析，采用ST188紅外傳感器，結合光電容積脈搏波描記法（photo-plethysmography，PPG）來提取人體脈搏信息，便攜且操作性強。同時，通過基于nRF24L01模塊的 WIFI（wireless fidelity）方式實時傳輸人體脈搏測量信號，可以減少醫(yī)療成本，提高醫(yī)療效率。

1 系統主要技術要求

脈搏紅外探測系統功能要求如下：1）對使用者的脈搏進行實時監(jiān)控，以數字的形式在屏幕上進行顯示；2）當脈搏信號超過人體健康范圍會啟動報警；3）采集到的脈搏信號通過WIFI方式傳送到其他數據終端。

脈搏紅外探測系統主要技術指標為：

1）脈搏測量范圍：40 times/min～150 times/min

2）脈搏測量誤差：±3 times/min

3）工作溫度范圍：－20℃～40℃

4）供電電壓：－5 V～+5 V

2 系統總體構成

脈搏紅外探測系統由ST188紅外傳感器數據采集模塊、濾波放大整形電路模塊、A/D轉換電路、nRF24L01無線射頻收發(fā)模塊、主控電路、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊以及報警電路模塊組成。系統整體結構框圖如圖1所示。

3 系統工作原理

根據Lambert-Beer定律，血液濃度正比于其吸收特定波長光的能力，其表達式為：

式（1）中，A為吸收比，T為透射比，ε為吸收系數，c為血液濃度，d為血管直徑。ε、c在一定條件下表征血液的固有性質。

系統采用光電容積法測量血氧飽和度（Pho?to-plethysmography，PPG），當紅外光入射人體組織時，非搏動組織如皮膚、肌肉等吸收光強不隨時間改變；而動脈中的血液屬于搏動組織，其容積隨心臟的舒張和收縮而發(fā)生周期性變化，這種變化會引起血液濃度的改變。根據Lambert-Beer定律，由于血液濃度的改變會造成血液透射率或反射率隨脈搏周期性變化，從而改變透射或反射光強，因此紅外傳感器可以檢測到光強隨脈搏變化的透射或反射光［8］。光電容積法如圖2所示，圖中IAC和IDC分別表示是信號的交流成分和直流成分，Imax和Imin分別是脈搏信號電流最大值和最小值。

因為人體狀態(tài)分為靜態(tài)和動態(tài)，所以需要分別進行靜態(tài)和動態(tài)信號處理［9］。在提取脈搏信號之前，首先要通過加速度采集器進行處理，對當前信號進行判斷以確定人體運動狀態(tài)，然后用A/D轉換電路和帶通濾波器濾除噪聲信號［10］。當判斷為靜態(tài)時，執(zhí)行滑動平均濾波算法；當判斷為動態(tài)時，則執(zhí)行自適應濾波算法處理。對脈搏個數進行計數。設K個連續(xù)脈搏跳動的時間為t（s），則在一分鐘內脈搏值n（times/min）為：

用脈搏信號作為主控電路中STC89C51芯片的定時/計數器的觸發(fā)控制信號，定時器每1 ms產生一次中斷，計數器對K個連續(xù)脈搏內的中斷進行計數，數值為N，于是有：

圖1 系統整體方框圖Fig.1 Block diagram of overall system

圖2 光電容積法示意圖：（a）入射光，（b）出射光Fig.2 Schematic diagram of Photo-Plethysmograph：（a）incident light，（b）emergent light

4 系統硬件設計

系統硬件部分由紅外傳感器數據采集模塊、濾波放大整形模塊、無線收發(fā)模塊、主控模塊、液晶顯示模塊、報警電路模塊組成。

4.1 紅外傳感器及數據采集設計

選用ST188紅外傳感器，該型紅外傳感器由近紅外發(fā)射（發(fā)光二極管）和近紅外接收與光電轉換（光敏三極管）兩部分一體化構成，其實物結構如圖3所示。A、K之間是發(fā)光二極管，C、E之間是光敏三極管，均正接。

ST188紅外傳感器的發(fā)射管的靜態(tài)電流為20 mA，典型壓降為1.25 V，發(fā)射管需要串聯電阻，計算得 R4=(5-1.25)/0.02=187.5 Ω，實際只要阻值大于該計算值即可，這里選取的電阻阻值為470 Ω，此時可以保證發(fā)射管靜態(tài)電流小于20 mA，A端上拉一個電阻接+5 V電源供電，C端接濾波電路，K、E口接地。

圖3 ST188實物圖Fig.3 Physical map of ST188

4.2 濾波放大整形電路設計

紅外傳感器探測到的人體脈搏信號非常微弱，并且混有多種干擾，如工頻干擾、基線漂移、電磁干擾、環(huán)境光干擾以及人體的運動干擾等［11］，因此要獲得高質量的脈搏信號，在根據不同運動狀態(tài)選擇不同算法之前，還需要對該信號進行濾波、放大和整形，以便后續(xù)主控電路進行分析與處理［12-15］。濾波放大整形電路如圖4所示。

ST188探測到人體脈搏信號后，先經過一個帶通濾波，由于系統要求測量范圍是40 times/min～150 times/min，故需要設計一個頻率范圍為0.7 Hz～2.5 Hz的帶通濾波電路。根據設計要求，帶通濾波電路是由一個高通濾波電路和兩級相同的低通濾波電路串聯而成。單級低頻截止頻率 fL和多級低頻截止頻率 fmLC有以下關系：

經過帶通濾波電路之后的脈搏信號還是不規(guī)則的微弱脈沖信號，故采用雙集成運放LM358對信號進行放大和整形。LM358內部包括兩個獨立、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器來對信號進行放大。整形電路是由LM358集成運放構成的電壓比較器，當反相輸入端信號大于3.7 V，輸出一個低電平0 V，小于3.7 V則輸出高電平5 V，故在輸出端可將不規(guī)則的脈搏信號整形為方波信號。另外為了能直觀地顯示脈搏跳動的情況，在LM358的輸出端還接入了一個發(fā)光二極管，它會隨著脈搏跳動的頻率而同步閃爍。

圖4 濾波放大整形電路圖Fig.4 Circuit diagram of filtering amplifying and shaping

4.3 無線收發(fā)模塊設計

為實現主控電路的測量處理數據通過WIFI方式進行無線實時傳輸，選用nRF24L01模塊。該模塊通過SPI接口完成輸出功率頻道選擇和協議的設置，并完成無線數據傳送工作。

nRF24L01模塊耗電量極低，在發(fā)射功率為0 dBm時，發(fā)射模式和接收模式的電流消耗為分別為11.3 mA和12.3 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。同時封裝體積小，故可以提高系統的便攜性。圖5為nRF24L01模塊外接電路原理圖。

nRF24L01模塊外接電路需連接AMS1117串聯系列穩(wěn)壓器。AMS1117的供電電源為3.3V，負載電壓隨著負載電阻的減小而降低，并且最大不超過1.3 V，電流可通過微調AMS1117的參考電壓進行限制。

4.4 主控電路設計

主控電路由主控芯片、時鐘電路（晶振電路）、復位電路組成。主控芯片采用STC89C51芯片，復位可通過上電復位和手動復位，上電復位是通過高電平使芯片復位后開始工作，可以由系統自動完成。當程序運行遇到死機或者死循環(huán)等情況，按手動復位鍵可使系統重啟。晶振電路作用是給芯片提供工作脈沖，這個脈沖頻率決定了芯片的工作速度。

圖5 nRF24L01模塊外接電路圖Fig.5 External circuit diagram of nRF24L01 module

4.5 液晶顯示模塊設計

液晶顯示模塊選用的是LCD1602液晶顯示器，顯示器的EN、R/W、RS接口分別接STC89C51芯片的P1.2、P1.1、P1.0。其中EN作為片選信號接口，在下降沿觸發(fā)。R/W是讀寫信號接口，RS是寄存器選擇信號接口。

5 系統軟件設計

開機后，系統首先進行初始化，由紅外傳感器采集脈搏信號，根據加速度信號判斷運動狀態(tài)后，選擇不同狀態(tài)對應的算法對信號進行處理，將處理后的信號送到主控電路中的芯片計算脈搏值，最后通過nRF24L01模塊進行實時傳輸。同時可以通過鍵盤對芯片設置報警上下限，當超過安全值進行報警，并且在顯示屏上進行實時顯示，實現在WIFI方式下人體脈搏實時傳輸和監(jiān)測的功能。系統主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flowchart of main program

圖7為PPG信號處理算法程序流程圖。由于人體的運動狀態(tài)會影響脈搏探測精度，故在對脈搏信號處理前，用加速度傳感器采集加速度信號，通過分析人體加速度信號，判斷被監(jiān)測者所處的狀態(tài)。當判斷為動態(tài)時，采用最小均方值（least mean square，LMS）自適應濾波算法，然后經過短時傅里葉變換；當判斷為靜態(tài)時，采用滑動平均濾波算法。

圖7 PPG信號處理算法程序流程圖Fig.7 Flowchart of PPG signal processing algorithm

6 結果與討論

用聽診器測量脈搏數作為參考真值，在相同環(huán)境條件下，任意選取聽診器狀態(tài)5個測量值，針對每個狀態(tài)測量值，同時用該系統隨機實測5次，記錄數據如表1所示。

表1 脈搏測量結果Tab.1 Result of pulse measurement times/min

通過系統對模擬波形測試，波形頻率在40 Hz～150 Hz范圍內，系統測量范圍和誤差可以達到醫(yī)用脈搏測量要求。經過高、低溫環(huán)境適應性設計和器件選型，可確保系統能適應-20℃～40℃溫度變化范圍，在人體處于極端條件下也能實現精準探測。當超過安全范圍可以進行報警，并且通過WIFI方式可對人體的健康狀況進行遠程實時監(jiān)控。

7 結 語

針對人體脈搏信號的特點和遠程監(jiān)控的需要，對通過WIFI方式實時傳輸數據的人體脈搏紅外探測系統進行了深入研究和硬件、軟件具體設計。分析了PPG方法，探測系統在靜態(tài)和動態(tài)情況下采取不同算法，提高了系統精度。靜態(tài)時采用滑動平均濾波算法、動態(tài)時采用LMS自適應濾波算法和短時傅里葉變換算法，并且實現了WIFI聯網實時傳輸。達到了系統技術要求，其中：1）脈搏數測量誤差小于每分鐘3次；2）超過人體脈搏安全范圍可以啟動報警；3）通過nRF24L01實現了遠程實時顯示。與傳統的脈搏計相比，提出了PPG方法，探測系統在靜態(tài)和動態(tài)情況下采取不同算法，提高了系統精度。同時實現了WIFI實時聯網傳輸功能，彌補了目前聽診器不能聯網實時監(jiān)控與記錄的不足。隨著5G時代的到來，該系統可以進一步優(yōu)化，比如可考慮外加5G模塊以及運用FPGA、ARM等處理器來提升系統的通信性能，進一步提高系統的穩(wěn)定性和運算處理速度，這對遠程現代醫(yī)療診斷的信息化具有重要意義。