摘要：脈搏是臨床檢查和生理研究中常見(jiàn)的生理現(xiàn)象。脈搏波的波幅和形態(tài)包含了反映心臟和血管狀況的重要生理信息，是診斷疾病的重要依據(jù)。脈搏波采集儀就是利用仿生學(xué)原理結(jié)合人工智能對(duì)脈搏診斷過(guò)程進(jìn)行模擬的儀器。針對(duì)現(xiàn)有的脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)不能準(zhǔn)確施加診脈壓力的不足，提出了一種具有脈壓檢測(cè)功能的脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，整個(gè)方案以單片機(jī)STC89C52為核心，結(jié)合放大、帶通濾波電路、A／D轉(zhuǎn)換和串行通信模塊，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)加壓，并在浮、中、沉三種不同取脈壓力下，對(duì)人體橈動(dòng)脈寸、關(guān)、尺三處的脈搏渡信號(hào)完成了采集。
關(guān)鍵詞：脈搏波；取脈壓力；單片機(jī)；A／D轉(zhuǎn)換

0 引言
    脈診之所以重要是由于脈象能傳遞機(jī)體各部分的生理病理信息，是窺視體內(nèi)功能變化的窗口，可以為診斷疾病提供重要依據(jù)。但是傳統(tǒng)脈診主要依賴(lài)于醫(yī)者的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，再加上被診者的個(gè)體差異使得脈象的辨認(rèn)、識(shí)別缺乏統(tǒng)一、精確的標(biāo)準(zhǔn)。因此，脈搏采集系統(tǒng)的研制有助于脈診的客觀化研究。脈搏采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何模擬醫(yī)者手指，在最佳取脈壓力下獲取清晰的脈搏波譜，并根據(jù)不同的壓力變化，完成對(duì)寸、關(guān)、尺三個(gè)脈位復(fù)雜脈象的提取和識(shí)別。
    自20世紀(jì)50年代以來(lái)，對(duì)于脈學(xué)的理論、脈診方法、臨床診斷和實(shí)驗(yàn)研究等方面均開(kāi)展了大量工作，取得了較大的進(jìn)展。英國(guó)人Marey最早設(shè)計(jì)了以彈簧為動(dòng)力的杠桿式脈搏傳感器，并記錄了橈動(dòng)脈脈搏波。1860年首次出現(xiàn)杠桿和壓力鼓式描述脈搏圖，1890年開(kāi)始采用換能的方式，出現(xiàn)了杠桿式光學(xué)脈搏描述器。20世紀(jì)50年代我國(guó)學(xué)者朱顏首次將杠桿式脈搏描記器引用到中醫(yī)脈診的研究中來(lái)。自70年代至今，研究人員已研制出種類(lèi)繁多的換能器以模擬中醫(yī)切脈的手指，采集并記錄了脈搏信號(hào)。
    國(guó)內(nèi)外典型的脈象診斷儀如：由北京醫(yī)療器械總廠生產(chǎn)的BYS-14型脈象儀和北京斯脈福生產(chǎn)的28脈脈象儀能對(duì)脈搏波進(jìn)行檢測(cè)重現(xiàn)，并能識(shí)別臨床中醫(yī)常見(jiàn)37種脈象圖。ZM-Ⅲ型智能脈象儀由上海中醫(yī)藥大學(xué)研制，是我國(guó)當(dāng)前較先進(jìn)的一種脈象儀，能自動(dòng)采集脈象信號(hào)，并將中醫(yī)脈象的位、數(shù)、形、勢(shì)和脈圖的各項(xiàng)特征參數(shù)作自動(dòng)分析處理。為了達(dá)到分層取脈的目的，日本Colin公司研制生產(chǎn)的CMB-3000／2000型橈動(dòng)脈脈波檢測(cè)儀利用張力法測(cè)量原理進(jìn)行無(wú)損傷連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)。
    本文主要從脈搏傳感器的選擇，信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，取脈壓力的自動(dòng)控制以及信號(hào)的初步處理等方面介紹寸、關(guān)、尺三處脈位在浮、中、沉等不同狀態(tài)下的信號(hào)采集，為脈診客觀化的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

1 脈搏信號(hào)的特點(diǎn)
    脈搏信號(hào)的特點(diǎn)如下：
    (1)強(qiáng)干擾下的微弱信號(hào)。由于脈搏信號(hào)幅度很小，大約是微伏到毫伏的數(shù)量級(jí)范圍。因此，極容易引入干擾，這些干擾有來(lái)自50 Hz的工頻干擾，有來(lái)自肌體抖動(dòng)、精神緊張帶來(lái)的假象信號(hào)等。
    (2)頻率低但能量相對(duì)集中的信號(hào)。人體的脈搏頻率非常低，約為0．5～4 Hz，一般情況下為1 Hz左右，脈搏信號(hào)可看成一個(gè)準(zhǔn)直流信號(hào)，也可看成是一個(gè)低頻交變信號(hào)。根據(jù)脈搏功率譜能量分析，健康人脈搏能量絕大多數(shù)分布于1～5 Hz，而病人脈搏在1 Hz以下和較高頻段(如5 Hz以上或10 Hz以上)仍有相當(dāng)一部分的能量分布。
    (3)復(fù)雜且易變的隨機(jī)信號(hào)。脈搏信號(hào)因人體生理、病理、心理的不同而不同，又受環(huán)境、時(shí)間、氣候的影響，表現(xiàn)出同一個(gè)人在不同的時(shí)間、地點(diǎn)有不同的脈象，有時(shí)也會(huì)有不同的疾病表現(xiàn)出相同的脈象。

2 采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
    (1)傳感器的選取。由于不同類(lèi)型的傳感器原理不同，所獲取的原始波形也是不盡相同的。本系統(tǒng)中，選用的傳感器是BP300T壓力傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器。
    (2)隔離、放大、濾波整形電路等硬件電路的設(shè)計(jì)。
由于所提取的信號(hào)非常微弱，且富于變化，需要附加多重濾波電路。
    (3)以STC89C52為核心的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)調(diào)理的模擬信號(hào)通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換，采集到單片機(jī)中，并立即通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。
    (4)壓力自動(dòng)控制。通過(guò)單片機(jī)對(duì)氣泵和電磁閥的控制，達(dá)到對(duì)腕帶壓力實(shí)時(shí)控制的目的。
    (5)脈搏波形重現(xiàn)。通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形重現(xiàn)。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52為核心，外設(shè)電路由傳感器，信號(hào)調(diào)理電路，A／D轉(zhuǎn)換器組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案總體設(shè)計(jì)如圖2所示。
    系統(tǒng)部分功能如下：
    壓電傳感器  作為測(cè)量電路的最前端，其作用是將脈搏的動(dòng)態(tài)信息轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，方便采集，是整個(gè)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵。
    BP300T壓力傳感器  用于對(duì)整個(gè)加壓過(guò)程的壓力監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)在不同的取脈壓力下對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行采集。
    前置放大和二級(jí)放大電路  對(duì)微弱的脈搏生物信號(hào)進(jìn)行合適的放大，使其滿足電壓的轉(zhuǎn)換條件。
    帶通濾波電路  脈搏波信號(hào)微弱，頻率低，容易受到外界干擾，所以必須使用濾波器將信號(hào)頻帶外的干擾去除。
3．1 傳感器的選擇
    脈搏傳感器的選擇對(duì)于整個(gè)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。脈搏傳感器的基本功能就是將切脈壓力和橈動(dòng)脈搏動(dòng)壓力這樣一些物理量(非電量)轉(zhuǎn)換成為便于測(cè)量的電信號(hào)。因此要求傳感器具有一定的檢測(cè)重復(fù)性和線性，可以重復(fù)使用，而且測(cè)得的數(shù)據(jù)具有一定的精度；其次，環(huán)境溫度對(duì)其影響較小，可以保證在較大范圍內(nèi)數(shù)據(jù)具有一定的精度；同時(shí)，還需具有一定的靈敏度和穩(wěn)定性。
3．1．1 SC0073傳感器
    該傳感器采用壓電復(fù)合材料作為換能元件，信號(hào)通過(guò)特殊的匹配層傳遞到換能元件上變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。該傳感器是一種高性能低成本的振動(dòng)傳感器，具有靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬、抗過(guò)載及沖擊能力強(qiáng)、抗干擾性好、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。通過(guò)測(cè)試該型號(hào)傳感器性能基本滿足條件，但是信號(hào)穩(wěn)定性欠佳，尤其是柱狀的結(jié)構(gòu)外形，導(dǎo)致其無(wú)法與腕帶方便的配合。
3．1．2 HK-2000B脈搏傳感器
    HK-2000B脈搏傳感器采用高度集成化工藝將力敏組件、靈敏度溫度補(bǔ)償組件、感溫組件、信號(hào)調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。主要特點(diǎn)是靈敏度高、抗干擾性能強(qiáng)、過(guò)載能力大、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由HK-2000B提取信號(hào)繪制的脈搏波形清晰穩(wěn)定，使用時(shí)無(wú)需搭建前置放大電路，但體積過(guò)大，無(wú)法對(duì)三個(gè)脈位進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。
3．1．3 PVDF壓電傳感器
    PVDF壓電傳感器由PVDF壓電薄膜構(gòu)成。與其他壓電材料相比，PVDF壓電薄膜具有壓電系數(shù)大、頻響寬、動(dòng)態(tài)范圍大、力電轉(zhuǎn)換靈敏度高、機(jī)械性能強(qiáng)度高、聲阻抗易匹配等特點(diǎn)，且重量輕、柔軟不脆。對(duì)該傳感器的測(cè)試如下：分辨率、靈敏度等指標(biāo)均符合要求，而且得到的脈搏波形與HK-2000B獲得質(zhì)量相當(dāng)。綜合以上對(duì)比，本設(shè)計(jì)方案中選取PVDF壓電傳感器作為脈搏測(cè)量傳感器。
3．1．4 BP300T壓力傳感器
    本系統(tǒng)中使用BP300T壓力傳感器監(jiān)測(cè)腕帶壓力。BP300系列壓力傳感器是專(zhuān)為電子血壓計(jì)開(kāi)發(fā)的一款壓力傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠性好、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
3．2 信號(hào)調(diào)理電路
    脈搏信號(hào)處理電路主要是對(duì)檢測(cè)到的微弱脈搏電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，并濾去多余的噪聲信號(hào)?？紤]到脈搏信號(hào)為超低頻信號(hào)，極易引入工頻干擾，而且采集到的脈搏電壓信號(hào)幅度通常在0～20 mV之間，并不符合A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓的范圍(一般為-5～+5 V)。鑒于以上特點(diǎn)，PVDF脈搏傳感器和壓力檢測(cè)傳感器均使用以下調(diào)理電路。
3．2．1 前置放大電路設(shè)計(jì)分析
    前置放大電路對(duì)于脈搏波信號(hào)采集來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，考慮到脈搏信號(hào)的特點(diǎn)，為了放大噪聲環(huán)境中傳感器輸出的弱信號(hào)，對(duì)于放大器要求具有：極高的共模和差模輸入阻抗；很低的輸出阻抗；精確和穩(wěn)定的增益；極高的共模抑制比?；谝陨戏治?，選用ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的低功耗、高精度儀表放大器AD620作為前置放大的核心器件。

    圖3是AD620的簡(jiǎn)化示意圖，AD620由三個(gè)放大器組成，其內(nèi)部采用“三運(yùn)算放大器”典型電路，僅需要一只外接電阻便可使增益在1～1 000之間任意調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)是通過(guò)1腳和8腳間的阻抗Rg來(lái)實(shí)現(xiàn)的。AD620管腳圖如圖4所示。前置放大電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。
3．2．2 帶通濾波電路
    帶通濾波器是一個(gè)允許特定頻段的波通過(guò)、同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備?？梢杂傻屯V波器和高通濾波器串聯(lián)組合而成。
    本系統(tǒng)的濾波電路采用雙運(yùn)放LM358。LM358是雙運(yùn)放集成電路，封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式，其管腳圖如圖6所示。它內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器。其主要特性：短路保護(hù)輸出；真差動(dòng)輸入級(jí)；單電源工作：3．0～32 V；低輸入偏置電流；具有內(nèi)部補(bǔ)償；共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源。帶通濾波電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3．2．3 二級(jí)放大電路
    其目的是把信號(hào)放大到適合A／D轉(zhuǎn)換的要求，從而使前置放大器的放大倍數(shù)不至于太高而產(chǎn)生波形的失真。因?yàn)榍爸梅糯蠛笮盘?hào)的大小為50 mV，因此后級(jí)放大倍數(shù)為100。二級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3．3 A／D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)
    本系統(tǒng)中采用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的多通道、低價(jià)格的模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1543，這款芯片除了高速的A／D轉(zhuǎn)換器和通用的控制能力外，內(nèi)部還有14個(gè)A／D轉(zhuǎn)換通道，其中11個(gè)通道可以作為外部輸入的模擬電壓，3個(gè)通道是芯片內(nèi)部的自測(cè)電壓。其采樣一保持功能自動(dòng)進(jìn)行，管腳圖如圖9所示。

    本系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)，可重復(fù)燒寫(xiě)10萬(wàn)次。STC89C52完全兼容AT89C51，AT89C52等系列單片機(jī)。
3．4 壓力控制模塊
    壓力控制模塊由充氣泵、充氣電磁閥、放氣電磁閥組成，控制核心是單片機(jī)，用三極管作為控制開(kāi)關(guān)，如圖10所示，充氣泵和充氣電磁閥配合使用，對(duì)整個(gè)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行加壓，減壓時(shí)充氣泵、充氣電磁閥關(guān)閉，放氣電磁閥打開(kāi)使腕帶壓力減小。

3．5 電源
    系統(tǒng)中AD620和LM358都需要±5 V供電，充氣泵、電磁閥以及單片機(jī)需+5 V電源，為滿足條件提出以下方案。
3．5．1 基于ICL7660的電源設(shè)計(jì)
    ICL7660是Maxim公司生產(chǎn)的小功率極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器。利用該轉(zhuǎn)換芯片可以方便的產(chǎn)生所需電壓。其設(shè)計(jì)原理如圖11所示。

3．5．2 LM2940電源模塊
    為了避免引入50 Hz工頻信號(hào)對(duì)電路的干擾，因而選用干電池供電，干電池提供的電壓為7．5 V。為了達(dá)到較好的供電質(zhì)量，在電路中選擇LM2940穩(wěn)壓芯片，將7．5 V左右的電壓穩(wěn)定到5 V。如圖12所示。

    經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和比較，方案二中的設(shè)計(jì)較第一種設(shè)計(jì)更為穩(wěn)定、便攜，故使用該設(shè)計(jì)方案。

4 脈搏信號(hào)的再現(xiàn)和處理
    脈搏信號(hào)在上位機(jī)上的顯示界面采用Visual Basic6．0創(chuàng)建，并利用其中的MSComm通信控件實(shí)現(xiàn)串行通信，所有的控制均通過(guò)人機(jī)交互界面直接操作，顯示界面如圖13所示。其中MSComm通信的函數(shù)說(shuō)明如下：CommPort：設(shè)置或返回通信端口號(hào)；Settings：設(shè)置初始化參數(shù)，以字符串形式設(shè)定波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位；PortOpen：設(shè)置或返回通信端口的狀態(tài)，同時(shí)可打開(kāi)和關(guān)閉端口；Input：用于從接收緩沖區(qū)返回并刪除字符；Output：用于向發(fā)送緩沖區(qū)寫(xiě)數(shù)據(jù)或一個(gè)字符串。獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)在Matlab中進(jìn)行處理和分析，仿真結(jié)果如圖14所示。

5 結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)對(duì)傳感器、放大電路、濾波電路、電源模塊、A／D轉(zhuǎn)換器等幾個(gè)方面詳細(xì)的介紹，完成了多通道脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，采集到的信號(hào)清晰平穩(wěn)，噪聲基本濾除，整個(gè)系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性。提取到的信號(hào)通過(guò)Matlab軟件最終可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜脈象的識(shí)別。