李東泫，李 平，王 鑫，黃士凡，段俊玲，常澎釗

(長治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系,山西 長治 046000)

0 引言

心率能夠反映心臟功能[1]，也可作為一項(xiàng)重要指標(biāo)，為血流動(dòng)力學(xué)研究和心電監(jiān)護(hù)提供重要的參考依據(jù)。心率的正常與否，可以作為監(jiān)控家庭成員心臟健康情況的一項(xiàng)重要參考。為了滿足測量心率的要求，本文將設(shè)計(jì)一款用于心率測量的心率計(jì)。同時(shí)，為了滿足價(jià)格低廉的要求，設(shè)計(jì)過程中要注意選用價(jià)格便宜的元器件，使設(shè)計(jì)出的心率計(jì)具有更高的性價(jià)比。心率計(jì)包括平均心率計(jì)與瞬時(shí)心率計(jì)。最常用作測定心率的信號(hào)是心電信號(hào)。

測量心率的脈搏波傳感器種類很多，就其基本原理來分，可分為液體傳導(dǎo)式、接觸傳導(dǎo)式、光傳導(dǎo)式[2]。由于有創(chuàng)檢測方法給病人帶來很大痛苦，而且操作繁瑣復(fù)雜，需要專業(yè)人士，所以在心率檢測的家庭應(yīng)用層面，目前研究主要基于無創(chuàng)檢測方法。

在無創(chuàng)方法中，脈搏波速度的檢測已經(jīng)在較長時(shí)間內(nèi)廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)動(dòng)脈壁擴(kuò)張性和硬度[3,4]。該方法無創(chuàng)傷，操作簡單、結(jié)果準(zhǔn)確、重復(fù)性好，廣泛應(yīng)用于大型治療和流行病學(xué)研究當(dāng)中，適合于向家庭和社區(qū)醫(yī)療服務(wù)推廣[5]。但是僅在歐美國家普及度較高，國內(nèi)少數(shù)醫(yī)院引進(jìn)此種設(shè)備，因?yàn)槠鋬r(jià)格昂貴。近年來，多家國內(nèi)單位開始了相關(guān)研究，也有類似的產(chǎn)品相繼上市。但是，這些儀器均被應(yīng)用在大型醫(yī)療機(jī)構(gòu)中，不適用于在普通家庭和社區(qū)中推廣。因此，為滿足家庭需求，本著低成本、高實(shí)用性的出發(fā)點(diǎn)，本文對(duì)心率計(jì)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一款可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)心率檢測，并將檢測結(jié)果快速反饋給使用者，同時(shí)還滿足了低成本的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)概述

心率計(jì)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，由主控制模塊、紅外傳感器信號(hào)采集模塊、放大電路模塊、報(bào)警系統(tǒng)、液晶顯示電路模塊等組成[6,7]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖

紅外傳感器價(jià)格便宜，設(shè)計(jì)簡單，體積小，故本設(shè)計(jì)采用紅外傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集，得到和心跳同頻率的信號(hào)，最終產(chǎn)生一種低頻信號(hào)，它和脈搏次數(shù)成正比。

1.2 測量計(jì)算原理

設(shè)K個(gè)連續(xù)脈搏波時(shí)間為t(秒)，心率的平均值為n(次/分)，則：

n=60K/t.

(1)

用單片機(jī)測定t值，為了能夠控制，利用脈動(dòng)信號(hào)控制單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0定時(shí)(定時(shí)1 ms中斷一次)，工作寄存器對(duì)中斷次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后讀取計(jì)數(shù)值N。

t=0.001N.

(2)

把式(2)帶入式(1)得到利用單片機(jī)測定心率值的數(shù)學(xué)模型，如式(3)所示：

n=60K/0.001N=60 000 K/N.

(3)

在該單片機(jī)系統(tǒng)中，K=1-9，K值由用戶自行設(shè)置，可測心率范圍20次/分-200次/分。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示，包括主控模塊、脈搏檢測模塊、放大電路模塊、報(bào)警模塊、液晶顯示模塊。

圖2 系統(tǒng)電路原理圖

2.1 主控制模塊

主控制模塊的作用是控制整個(gè)心率計(jì)，使得各個(gè)功能模塊之間可以協(xié)同工作。本文將采用單片機(jī)最小系統(tǒng)，主要由芯片、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成。采用AT89S52，可以實(shí)現(xiàn)高可靠性、低成本、強(qiáng)大的性能，低功耗。

2.2 脈搏檢測模塊

脈搏檢測模塊的作用是將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。利用紅外傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，采集出來的信號(hào)與心跳同頻率。

紅外發(fā)射管發(fā)射出的光，一部分會(huì)透過人體組織，產(chǎn)生一個(gè)透過光強(qiáng)β。當(dāng)人體組織半透明度數(shù)值較大時(shí)，β很弱，會(huì)使得光敏三極管無法導(dǎo)通，所以輸出高電平；當(dāng)人體組織半透明度的數(shù)值較小時(shí)，β較強(qiáng)，會(huì)促使光敏三極管導(dǎo)通，所以輸出低電平。

由上面的分析可看出，高低電平會(huì)隨著人體組織半透明度的數(shù)值變化而變化，而人體組織半透明度會(huì)隨著心臟的搏動(dòng)而發(fā)生改變，如此便經(jīng)由紅外傳感器形成了與頻率與脈搏次數(shù)成正比的低頻信號(hào)，波形近似于正弦波。

2.3 放大電路模塊

放大電路模塊的作用是放大脈搏信號(hào)，此信號(hào)十分微弱，一般會(huì)有噪聲干擾，導(dǎo)致信噪比低，因此本文采用LM358搭建放大和濾波電路。但是經(jīng)過放大濾波后的信號(hào)仍然呈不規(guī)則特征，而且仍然保有低頻干擾，顯然不滿足計(jì)數(shù)器的要求。因此，本文采用整形電路，選用滯回電壓比較器，提高抗干擾能力。

2.4 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊的作用是為了向使用者示警，本文采用有源蜂鳴器，它采用直流電壓供電，程序控制方便，常用作發(fā)聲器件，廣泛應(yīng)用于報(bào)警器、電子玩具、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中。

2.5 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊是為了與使用者進(jìn)行簡單的交互，數(shù)字式接口液晶顯示器有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：顯示質(zhì)量高，畫質(zhì)高且不會(huì)閃爍，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口簡單可靠，易于實(shí)現(xiàn)，操作方便，體積小，重量輕，功耗低。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用C語言編寫，程序可讀性高。主要包括以下幾點(diǎn)編寫需求：

1) 程序初始化，確定中斷入口地址和程序入口地址，用顯示全零與否來區(qū)分是否有信號(hào)的輸入。若無信號(hào)輸入，則顯示全零，此時(shí)心率計(jì)沒有正常工作；反之，則正常工作。

2) 定時(shí)器中斷服務(wù)程序，由一分鐘計(jì)時(shí)、有無測試信號(hào)判斷等部分組成。定時(shí)器中斷主要完成一分鐘計(jì)時(shí)、心跳次數(shù)的保存，外部中斷服務(wù)程序完成對(duì)信號(hào)的測量和計(jì)算，當(dāng)處于測量狀態(tài)的時(shí)候，由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器控制一分鐘，累加得出一分鐘內(nèi)的心跳次數(shù)。為了消除外界信號(hào)的干擾，在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中加入了對(duì)頻率大小的判斷，濾除掉小于40次/分鐘和大于120次/分鐘的脈沖信號(hào)。

通過程序初始化、定時(shí)器0的中斷和定時(shí)器1的中斷，單片機(jī)便可以檢測、計(jì)算出心率次數(shù)，并在液晶顯示器中顯示結(jié)果。

4 測試結(jié)果

1) 采用儀器進(jìn)行測量，對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬。首先用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)40～200次/分的方波，觀察心率儀讀數(shù)與信號(hào)發(fā)生器輸出的頻率是否相等。表1給出了部分測量結(jié)果。

表1 信號(hào)發(fā)生器測量結(jié)果

由以上測量結(jié)果看，用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)用心率儀測量時(shí)其測量誤差為0，且在報(bào)警的上下限可報(bào)警。

2) 將設(shè)計(jì)出的心率儀對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行測量。表2給出了部分測量結(jié)果，前三行是對(duì)同一個(gè)體進(jìn)行測量的結(jié)果，后三行是對(duì)不同個(gè)體進(jìn)行測量的結(jié)果。為了進(jìn)行對(duì)照，在測量時(shí)將由同一個(gè)醫(yī)生采用聽診器進(jìn)行測量。從結(jié)果中可以看出，人工測量的數(shù)值與心率儀測量的數(shù)值會(huì)有誤差，但誤差均在可接受范圍之內(nèi)。

表2 實(shí)際測量結(jié)果

由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)測量時(shí)沒有誤差，而實(shí)際測量時(shí)產(chǎn)生誤差，這是因?yàn)樾盘?hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)頻率穩(wěn)定，而實(shí)際測量時(shí)被測人情緒、姿態(tài)等均會(huì)對(duì)心率產(chǎn)生很大影響，導(dǎo)致脈搏波不穩(wěn)定。

5 小結(jié)

本設(shè)計(jì)采用AT89S52芯片，工作電流約100mA，使用脈搏波作為源信號(hào)對(duì)心率進(jìn)行測量，采用紅外傳感器進(jìn)行信號(hào)采集。通電后，將手指固定在紅外傳感器之間即可檢測到信號(hào)，并在液晶上顯示被測者的心率，同時(shí)若心率發(fā)生異常，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本低廉，精度可滿足家用要求，可用于實(shí)時(shí)檢測，體積較小，便于攜帶，能夠滿足日常家庭的需要。