孫中傲,趙建華,李 亞,白小艷,陳興文,劉 燕

(大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

0 引言

脈象從古代時(shí)就已經(jīng)被用作診斷人身體健康的標(biāo)準(zhǔn)，中醫(yī)可以根據(jù)探測(cè)的脈象，判斷人身體的健康與否。雖然到現(xiàn)代以后人們很少再以脈象來(lái)判斷身體健康情況，但觀測(cè)脈象依舊很重要，它可以反映出很多現(xiàn)代化檢測(cè)儀器所不能體現(xiàn)出的身體情況，治病于發(fā)病前。

傳統(tǒng)的中醫(yī)脈診效果完全由診療醫(yī)生的手指主觀感覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定，缺乏客觀和量化的標(biāo)準(zhǔn)，常常出現(xiàn)只可意會(huì)不可言傳的現(xiàn)象，往往在診斷時(shí)借助西醫(yī)的診療設(shè)備。同時(shí)我國(guó)目前各地醫(yī)療資源分布不均衡的問(wèn)題依然存在，在很大程度上制約更多人享受到較高的醫(yī)療服務(wù)，基于遠(yuǎn)程醫(yī)療思維設(shè)計(jì)的脈象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以有效的解決優(yōu)質(zhì)資源匱乏問(wèn)題，也為慢性病人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)提供幫助[1]。

本系統(tǒng)是將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用于脈象采集裝置系統(tǒng)中，使脈象數(shù)據(jù)的傳輸由本地變?yōu)檫h(yuǎn)程、實(shí)時(shí)和可移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)脈象信號(hào)的采集及脈象的顯示、無(wú)線傳輸和異常情況報(bào)警，適于家庭、遠(yuǎn)程醫(yī)療和監(jiān)護(hù)應(yīng)用，具有較好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

針對(duì)脈象信號(hào)具有信號(hào)弱且噪聲強(qiáng)、頻率低且能量集中、復(fù)雜易變且隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，提出了如圖1所示的系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖。

圖1 系統(tǒng)總體功能框圖

1.1 脈象傳感器選型

脈象傳感器是用來(lái)采集人體橈動(dòng)脈寸、關(guān)、尺三個(gè)部位的脈信號(hào)。它是獲得人體生理信息的感知器，采集的準(zhǔn)確與否將直接影響采集數(shù)據(jù)的分析，也直接決定系統(tǒng)的可信度和可靠性?？梢哉f(shuō)，脈象傳感器的選擇是脈象采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的最為重要的一環(huán)。要完成一個(gè)性能優(yōu)良的脈象采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其傳感器的合理選擇起著至關(guān)重要的作用。

本系統(tǒng)選用PVDF壓電薄膜傳感器，其采用高分子壓電材料制作，具有很好的柔韌性和皮膚表面貼合性，可以根據(jù)脈象測(cè)量的需求來(lái)設(shè)計(jì)成任意形狀。另外其表面產(chǎn)生的電荷量與外部壓力成正比，可將脈搏壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其靈敏度高、穩(wěn)定性好、成本低，頻響可以滿足人體脈搏的頻率范圍(0.2～40 Hz) 。

1.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)思路

由于人體脈象信號(hào)微弱并易于變化波動(dòng)，而且極易受外界環(huán)境干擾噪聲影響[2]。當(dāng)信號(hào)從脈象傳感器輸出后，必須經(jīng)過(guò)濾波和噪聲抑制信號(hào)調(diào)理電路，否則單片機(jī)無(wú)法獲取傳感器采集和檢測(cè)到的微弱信號(hào)。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的調(diào)理電路包括前置電荷放大器和放大濾波電路設(shè)計(jì)。其中前置電荷放大器可以將PVDF壓電薄膜傳感器表面產(chǎn)生的電荷量轉(zhuǎn)化并放大為電壓信號(hào)；放大濾波電路是對(duì)前置電荷放大器輸出信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的放大和濾波處理，濾波主要將信號(hào)頻率范圍限制在40Hz以內(nèi)，并對(duì)50 Hz工頻信號(hào)陷波。具體設(shè)計(jì)見(jiàn)后面所述。

1.3 控制器與通信模塊選型

系統(tǒng)選用STM32F103作為系統(tǒng)的控制器單片機(jī)，具有64KB的SRAM和256KB的Flash存儲(chǔ)器，其自身?yè)碛械腎/O口、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog digital converter，ADC)、定時(shí)器、串行通信(USART)接口和中斷等資源，無(wú)需外擴(kuò)即可滿足系統(tǒng)需求。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信選用HC-22型Wi-Fi模塊，其為UART接口的嵌入式模塊，只需將單片機(jī)串口接上Wi-Fi模塊，這樣采集系統(tǒng)就可直接接入無(wú)線通信網(wǎng)。通信部分架構(gòu)如圖2所示。

圖2系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信部分架構(gòu)

2 硬件電路具體設(shè)計(jì)

2.1 微控制器模塊

微控制器模塊采用STM32單片機(jī)，其中包括復(fù)位電路、晶振電路、電源電路、程序下載電路、WIFI模塊接口。另外由于STM32中自帶A/D轉(zhuǎn)換器，只需要通過(guò)相關(guān)的函數(shù)配置選擇MCU相應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器即可。前面已經(jīng)介紹脈象電信號(hào)的最高頻率為40 Hz，根據(jù)奈奎斯特定理可知，信號(hào)采樣頻率至少為最高頻率的2倍才能保證不失真，但其實(shí)按照2倍的采集頻率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了保證采集的信號(hào)與實(shí)際信號(hào)更加接近，這里信號(hào)采樣頻率設(shè)為1 000 Hz，這樣可較好地對(duì)脈象信號(hào)進(jìn)行再現(xiàn)。

2.2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.2.1 電荷放大電路設(shè)計(jì)

電荷放大電路目的是實(shí)現(xiàn)電荷信號(hào)可轉(zhuǎn)化并放大為電壓信號(hào)的作用。為了有效消除或降低傳感器本身電容值和電纜長(zhǎng)度對(duì)前置放大器輸出的影響，其輸出電壓與1/C3成正比，同時(shí)電阻R2與反饋電容器C3構(gòu)成一個(gè)一階高通濾波器。其下限截止頻率約為0.1 Hz。具體電路如圖3所示。

圖3 電荷放大電路

2.2.2 放大濾波電路設(shè)計(jì)

這部分電路的主要作用是對(duì)前置電荷放大器的輸出信號(hào)進(jìn)一步地放大和濾波處理。電路包括40 Hz二階巴特沃斯低通濾波器、二級(jí)電壓放大電路和50 Hz二階巴特沃斯工頻陷波器串聯(lián)組成。具體電路如圖4所示。

圖4 放大濾波電路設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 軟件流程圖設(shè)計(jì)

脈象信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集進(jìn)入單片機(jī)后，主要進(jìn)行脈率、主波幅度、脈動(dòng)周期的計(jì)算，并且將得到的結(jié)果和脈象信號(hào)在本地端顯示[3,4],同時(shí),這些參數(shù)通過(guò)串口轉(zhuǎn)Wi-Fi模塊，將數(shù)字化的信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)測(cè)試選取不同的樣本對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。利用STM32單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行脈象信號(hào)的數(shù)字化處理，A/D轉(zhuǎn)換之后利用Wi-Fi通信模塊將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程PC機(jī)上，得到的脈象信號(hào)如圖5所示。由于系統(tǒng)中外掛了集成的血氧飽和度傳感器模塊，在這里也顯示血氧飽和度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用。

圖5 遠(yuǎn)程終端顯示的數(shù)字脈象信號(hào)

4 結(jié)束語(yǔ)

該脈象采集系統(tǒng)以PVDF壓電薄膜作為脈象傳感器，用STM32單片機(jī)和HC-22Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，具有成本低、體積小、功耗低的特點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明:系統(tǒng)可以穩(wěn)定且準(zhǔn)確地采集脈象信號(hào)。用戶可以在本地和遠(yuǎn)程看到顯示的脈搏波形、脈率，可實(shí)現(xiàn)異常情況報(bào)警，適合家庭慢性病人的監(jiān)護(hù)，同時(shí)適用于遠(yuǎn)程多方專家同時(shí)會(huì)診，可使患者的病情得到有效、準(zhǔn)確的診斷。