黃鸝娟

(陜西服裝工程學(xué)院,陜西 西安 712046)

0 引言

脈搏是臨床檢查和生理學(xué)科研中常用的生理學(xué)現(xiàn)象,包括了表現(xiàn)心肌和毛細(xì)血管狀況的主要生理學(xué)信號(hào)。 人體內(nèi)各器官的健康狀況、疾病等信號(hào)將以一定方法顯示在脈搏中或在脈象中。 人體脈象中含有大量關(guān)于心肌、內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)以及中樞神經(jīng)各系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息,因此,人們能夠利用脈波圖像得到多種具有檢測(cè)價(jià)值的生物信息,并能夠預(yù)測(cè)人體內(nèi)某些器臟構(gòu)造和功能的變化與趨向。 同時(shí)脈搏測(cè)定還為血壓測(cè)定、血液檢測(cè)及其他的一些生物測(cè)量技術(shù)提供了一個(gè)重要生理參考信息。

1 相關(guān)概念概述

1.1 脈象信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

微型計(jì)算機(jī)可以處理數(shù)字信號(hào),因此,脈象信號(hào)被轉(zhuǎn)換成正電信號(hào),然后再經(jīng)過(guò)放大擴(kuò)展到0 ～5 V 電平的模擬量。 采集空氣溫度、壓強(qiáng)、流速和運(yùn)動(dòng)方向的模擬量,并轉(zhuǎn)換成數(shù)值物理量,然后傳輸?shù)絇C 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、屏幕顯示或打印,相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)收集和管理系統(tǒng)。

1.2 脈象信號(hào)的特點(diǎn)

關(guān)于人類沖動(dòng)的信息是一種在時(shí)間域內(nèi)具有強(qiáng)周期性的概周期信息。 其頻譜成分大致分布在0 ～100 Hz,人體表面電流約為0 ～5 mV。 特征頻率低,變化緩慢,信號(hào)微弱。 記錄的前提是信息主要來(lái)自活體,信號(hào)接收器的阻抗很高,通常伴隨著巨大的背景噪聲和影響。

2 脈象信號(hào)的提取及調(diào)理

2.1 脈象傳感器及脈象信號(hào)的提取

脈象圖像探測(cè)器的類型繁多,主要包括單部分、三部分、單點(diǎn)、多點(diǎn)、剛性接觸式、柔性接觸式、壓力型、硅杯式、液態(tài)汞、液態(tài)水、子母型等。 脈象圖像探頭的主要原材料有變形薄膜、壓電檢測(cè)晶體、單晶硅、感光器件、壓電PVDF 薄膜等,而其中較為普遍的是單部分單點(diǎn)變形薄膜,而在近年來(lái)則正向著三部分的多點(diǎn)式發(fā)展。 本文采用了一個(gè)L 型脈象波傳感器,該傳感器提取電流信息,振幅通常為van MV。 由于該傳感器是零導(dǎo)體五導(dǎo)體壓阻式,因此具備了靈敏度高、頻譜響應(yīng)好、線性程度好、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 脈象信號(hào)放大器設(shè)計(jì)要求

脈象信號(hào)的主要特點(diǎn)為微弱、低頻。 但是,因?yàn)橛擅}沖圖像信號(hào)傳感器得到的信號(hào)一般是MV 量級(jí),所以需要在模數(shù)轉(zhuǎn)換前完成信號(hào)調(diào)制,對(duì)信息的調(diào)節(jié)也應(yīng)當(dāng)具備某些必要的特征。 首先,集成電路中需要有較大的共模抑制比。 其次,集成電路的高輸入阻抗也是一項(xiàng)十分重要的參數(shù)。 高輸入阻抗也能有效減少信號(hào)接收器內(nèi)阻的損失,與生理信息的低信號(hào)幅度相比,IC 調(diào)節(jié)的低噪音和低漂移等技術(shù)指標(biāo)也十分關(guān)鍵。 綜上所述,對(duì)某些頻率較低、電流變化慢、信號(hào)幅度較小的生理信號(hào),如脈搏信號(hào)采集,因?yàn)樾盘?hào)接收器的高電阻,所以常常伴隨著背景噪聲和干擾電流的增加。 集成電路的基本特點(diǎn)主要包括:(1)前置高功率增益放大器的增強(qiáng)倍數(shù)一般應(yīng)在80 dB ～120 dB。 (2)共模抑制比高。 信號(hào)增益放大器必須具有良好的抗干擾性能,通常要求共模抑制比大于60 dB。 (3)輸入阻抗比高,一般不小于2 MΩ,有的甚至達(dá)到100 MΩ,否則被測(cè)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生較大偏差,削弱整體抗干擾能力。 (4)低噪聲。 如果信號(hào)增益放大器本身的信噪比很高,它會(huì)淹沒(méi)有用的微弱信息,因此輸入信噪比必須高于PV 的量級(jí)。 (5)在中間層和功率相位改善后,低漂移將直接影響記錄,因此必須盡可能降低由前置放大器溫度變化引起的零偏移。 (6)高安全性。 (7)大型線性工作區(qū)等。

2.2.1 高共模抑制比

放大器必須具有良好的抗干擾能力,并能抑制低工頻干擾或其他輸入信號(hào)的負(fù)面影響。 假設(shè)集成電路的共模抑制比為120 dB,輸入信息對(duì)共模信號(hào)的負(fù)面影響將大幅減少,共模V 信號(hào)將相當(dāng)于共模1 μV 差模信息。 共模抑制比也是放大器的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。一般生物電信息放大器的共模抑制比通常要求為60 dB～80 dB,而高性能信息放大器的共模抑制比高于100 dB,這意味著它可以在共模和信號(hào)差模0.1 μV 下產(chǎn)生相同的100 mV 干擾輸出[1]。

2.2.2 高輸入阻抗

由于生物體具有復(fù)雜性和特性,其等效信號(hào)接收器的內(nèi)部輸出阻抗值往往很大,這就意味著生物信號(hào)源的內(nèi)部傳輸電壓幅值不僅較低,而且電源電壓也非常差。所以,生物信號(hào)放大器的前端設(shè)備都應(yīng)該擁有較大的輸入阻抗值,高的輸入阻抗能夠有效減少對(duì)生物信號(hào)源內(nèi)部高壓的影響,減少生物信號(hào)的衰減。 經(jīng)近似估計(jì),如果設(shè)計(jì)放大電路的信號(hào)輸入與阻抗約為10 MΩ,則信號(hào)源的內(nèi)阻比和擴(kuò)展電路的信號(hào)輸入阻抗比為1/100,上述因素引起的失真和偏差可以省略或不記錄。

2.2.3 低噪聲、低偏移

與輸入信號(hào)幅值較小的脈象信息相比較,中藥生藥調(diào)理電路的低噪音、低偏移技術(shù)指標(biāo)尤為重要。 由于高壓電源會(huì)形成非常大的熱噪聲,這導(dǎo)致輸入信號(hào)的音質(zhì)特別差。 所以,為了得到具備一定峰值信噪比的輸出信號(hào),對(duì)放大器的最低噪聲特性有更嚴(yán)格的規(guī)定。 理想的生物電放大器能夠控制外部干擾,并將其削弱到與信號(hào)放大器信噪比相同的量級(jí)。 因此,由于放大電路的內(nèi)部噪聲,放大器可以釋放的信息有一個(gè)下限,即放大電路的低噪聲水平已成為放大項(xiàng)目的限制性要求。 眾所周知,擴(kuò)展的最小噪聲特性主要取決于前級(jí)。通過(guò)合理設(shè)置反向膨脹的增益調(diào)整分布,使當(dāng)前級(jí)的最大噪聲系數(shù)較小,從而實(shí)現(xiàn)良好的低噪聲特性。 因此,低噪聲前期設(shè)計(jì)是整個(gè)逆擴(kuò)工程的關(guān)鍵任務(wù)[2]。

2.3 脈象信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)梳理

脈測(cè)監(jiān)控管理系統(tǒng)是指以脈搏傳感器為轉(zhuǎn)換元件,將所收集到的用來(lái)測(cè)定脈象跳動(dòng)的脈象信息轉(zhuǎn)換成電訊號(hào),再用電子儀器加以測(cè)試與指示的設(shè)備。 本管理系統(tǒng)的基本構(gòu)成包括脈搏傳感器、信息分析處理、單片機(jī)控制電路、數(shù)字顯示器、供電等主要組成部分。(1)利用脈搏傳感器將非電能信息轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換器件。 信號(hào)處理即進(jìn)行脈搏傳感器所收集到的高低頻信息的模擬集成電路(包含增強(qiáng)、濾波、整形等)。 (2)數(shù)字單片機(jī)集成電路即使用數(shù)字單片機(jī)本身的定時(shí)器中斷計(jì)算功能對(duì)輸入信號(hào)的脈搏電平經(jīng)過(guò)計(jì)算,得到心率。(3)數(shù)字顯示,即將單片機(jī)計(jì)算結(jié)果用8 個(gè)LED 數(shù)碼管靜態(tài)掃描數(shù)據(jù)來(lái)表示,以便于直接準(zhǔn)確地讀取數(shù)據(jù)。

五供電系統(tǒng)即向感應(yīng)器、信息分析處理、單片機(jī)模塊等供應(yīng)的開(kāi)關(guān)電源,應(yīng)該是5 V～-9 V 的交流或低直流輸出的穩(wěn)定開(kāi)關(guān)電源[3]。

3 基于單片機(jī)的脈象信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 單片機(jī)的選擇

單片微型計(jì)算機(jī)是上位機(jī)與下位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信中樞,所以要求串聯(lián)型的通信接口。 有3 種方式供選擇:(1)使用多串口式的單片機(jī)模塊;(2)采取通過(guò)異步串口方式擴(kuò)充硬件芯片;(3)使用普通I/O 接口模擬進(jìn)行串聯(lián)型通信。 第3 種方式最簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì),而且還能夠進(jìn)行高速率通信。 此外,考慮到對(duì)硬件系統(tǒng)資源的充分利用,所以文章選用了AT89C51HMOS 工藝技術(shù)的八位單片機(jī)模塊。 其主要產(chǎn)品在硬件系統(tǒng)資源和功能、系統(tǒng)軟件命令和程式上與Intel80C3X 單片微型計(jì)算機(jī)基本相同,在實(shí)際使用中也能夠進(jìn)行更換。在單片機(jī)AT89C51 內(nèi)有FLASH 程序存儲(chǔ)器,既能夠用常規(guī)的編程器編寫(xiě),又能夠直接上網(wǎng)使其保持編程狀況并對(duì)其程序設(shè)計(jì),程式速度極快。 AT89C5X 產(chǎn)品也能夠看作是Intel 80C3x 的內(nèi)核技術(shù)和Atmel FLASH 技術(shù)的結(jié)合體。 它給許多嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)了靈活性、低廉的方案[4]。

3.1.2 傳感器的選擇

(1)光電式傳感器。

血流是很高不通透的液態(tài)物質(zhì),但光線在普通組織中的透過(guò)性卻要比在血流中大數(shù)十倍。 人們根據(jù)上述特性,就可以利用電光效應(yīng)或手指的脈搏感應(yīng)器來(lái)拾取脈搏信息。 反向偏壓的光敏二極管,它的反方向電壓帶有隨光照強(qiáng)度增大而加大的光電效應(yīng)特征,在一定發(fā)光強(qiáng)度區(qū)域內(nèi),光敏二極管的反方向電壓和發(fā)光強(qiáng)度呈線性關(guān)系。 指端血管的容量和透光度隨心搏發(fā)生變化時(shí),將使光伏發(fā)電三極管二極管接收不同的光強(qiáng),而由此產(chǎn)生的光電流響應(yīng)也均隨之作一定改變。目前常用于測(cè)量脈搏的光伏發(fā)電傳感器主要包括紅外線對(duì)管和紅外線放射管。 將對(duì)管夾在指端處,通過(guò)指尖的血液含量便會(huì)隨著心臟的跳動(dòng)而變化,紅外線對(duì)應(yīng)的信息便會(huì)產(chǎn)生一定的改變,通過(guò)采集并對(duì)信息進(jìn)行放大、過(guò)濾、比較便能夠獲得理想的信息。 現(xiàn)在,國(guó)際市場(chǎng)上的心率計(jì)已廣泛使用這些感應(yīng)器來(lái)收集信息,由于心率計(jì)的紅外管接收與發(fā)出均在人手指的同一邊,所以不必考慮因每個(gè)人手指情況差異而帶來(lái)的困擾。 由于收到的都是血液中漫反射回來(lái)的光,此信息便能夠更準(zhǔn)確地測(cè)出毛細(xì)血管內(nèi)積變化。

(2)集成傳感器。

目前,市面上已經(jīng)有了許多種類的集成化心電感應(yīng)器,它敏感度高,集成度高,很直接地就能夠表現(xiàn)出心率的變化規(guī)律,而且還包括了濾波器等抗干擾電路,波浪狀經(jīng)過(guò)放大后即可進(jìn)行處理使用。 缺點(diǎn)則是售價(jià)十分高昂。

根據(jù)本系列的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和對(duì)經(jīng)費(fèi)的考慮,文章最終選定了光電式傳感器。 該傳感器價(jià)格比較低廉,但同時(shí)輸出電流變化比較明顯,因此能夠達(dá)到該試驗(yàn)的目的。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷程序流程的設(shè)計(jì)

T0 是計(jì)時(shí)器,T1 則是定時(shí)器。 T0,T1 的中斷請(qǐng)求來(lái)自輸入單片機(jī)中脈象頻率為1 Hz 的脈象頻率信息。當(dāng)T0 暫停運(yùn)行后,由T1 檢查代表的時(shí)間是否超過(guò)60 s,如果沒(méi)有超過(guò)60 s 則繼續(xù)測(cè)試,如果超過(guò)60 s 則關(guān)閉T1,暫停T0,并讀取脈搏次數(shù),設(shè)計(jì)數(shù)結(jié)束的時(shí)間標(biāo)志為一,T0 暫停則采取邊凸式觸發(fā)方法,在達(dá)到測(cè)試狀態(tài)后的時(shí)間來(lái)一個(gè)脈象信號(hào),脈搏頻次加1,由T1 定時(shí)為1 min,再累加就得出每分鐘的脈搏頻次。

3.2.2 顯示程序的設(shè)計(jì)

這個(gè)設(shè)計(jì)表示的主要內(nèi)容為被檢測(cè)者1 min 的脈搏頻次。 在中斷程序得到結(jié)論后,數(shù)碼管就顯示測(cè)試中的脈搏次數(shù)。

4 軟件仿真調(diào)試

制定方案后,要使硬件焊接能取得預(yù)想的效果,就必須使用軟件模擬調(diào)試電路,然后在protues 中實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的仿真,模擬電路如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)仿真效果

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的測(cè)試儀系列實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便、功用安全、用途較廣,很有實(shí)用價(jià)值。 此次工程設(shè)計(jì)雖已完成,但其中仍有許多缺點(diǎn),如產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序不簡(jiǎn)單、電路板產(chǎn)品設(shè)計(jì)不漂亮、光伏發(fā)電傳感器檢測(cè)靈敏度不高、數(shù)碼管顯示器部分設(shè)備不完善等。 隨著技術(shù)的進(jìn)展,勢(shì)必會(huì)使測(cè)試儀的功用越來(lái)越強(qiáng)大和完善,其應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大,也將會(huì)為人們的日常生活增添更多的便利與精彩。