基于單片機設(shè)計的脈搏測量儀原理

lhktija 2012-06-08

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基于單片機設(shè)計的脈搏測量儀原理

0 引言

脈搏測試儀是用來測量一個人脈搏跳動次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分，因此，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上具有重要的作用。目前檢測脈搏的儀器雖然很多，但是能實現(xiàn)精確測量、精確顯示且計時功能準(zhǔn)確等多種功能的便攜式全數(shù)字脈搏測量裝置很少。隨著人們生活環(huán)境

和經(jīng)濟條件的改善，以及文化素質(zhì)的提高，其生活方式，保健需求以及疾病種類、治療措施等發(fā)生了明顯的變化。但在目前，我國的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢。其發(fā)病率和死亡率均居各種疾病之首，是人類死亡的主要原因之一。因此，認(rèn)識、預(yù)防及早期發(fā)現(xiàn)這些疾病是十分必要的。

從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過“摸脈”作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征，因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價值和應(yīng)用前景。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻弱信號，脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號，必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。

1 基本結(jié)構(gòu)模塊

1．1 脈搏波檢測電路

目前脈搏波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。近年來光電檢測技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快，這主要是由于光能避開強烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。本系統(tǒng)設(shè)計了指套式的透射型光電傳感器，實現(xiàn)了光電隔離，減少了對后級模擬電路的干擾。

傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。所用光電式傳感器由發(fā)光二級管和光敏二極管組成，其工作原理是：發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過手指，經(jīng)過手指組織的血液吸收和衰減，由光敏二極管接收。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的吸收和衰減也是周期性脈動的，于是光敏二極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。

1．2 脈搏信號拾取電路

紅外接收二極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，單個二極管能產(chǎn)生0．4_V電壓，0．5mA電流。BPW83型紅外接收二極管和IR333型紅外發(fā)射二極管工作波長都是940nm，在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大。在圖1中，R0選100 Ω是基于紅外接收二極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R0過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，PBW83型紅外接收二極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。反之，R0過小，通過的電流偏大，紅外接收二極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當(dāng)紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光直接照射到紅外接收二極管上時，IC1B的反相輸入端電位大于同相輸入端電位，Vi為“0”。當(dāng)手指處于測量位置時，會出現(xiàn)二種情況：一是無脈期，雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是，由于紅外接收二極管中存在暗電流，仍有1 μA的暗電流會造成Vi電位略低于2．5V。二是有脈期，當(dāng)有跳動的脈搏時，血脈使手指透光性變差，紅外接收二極管中的暗電流減小，Vi電位上升。

1．3 信號采集及處理系統(tǒng)

由于光電脈搏波屬于緩慢變化的微弱生理信號，信噪比低，極易受到環(huán)境噪聲和肢體運動的干擾。傳統(tǒng)的光電脈搏波信號檢測電路都采用高增益放大器，以獲得較高的檢測靈敏度，這種設(shè)計思路導(dǎo)致了檢測信號動態(tài)范圍縮小，在受到運動干擾時，將導(dǎo)致由于干擾信號而帶來的光電脈搏波信號檢測的飽和失真。本系統(tǒng)采用過采樣技術(shù)，通過對信號的高速采樣來提高采樣精度，相當(dāng)于用高分辨率的ADC對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，達(dá)到了提高信噪比并改善動態(tài)范圍的效果。因此本系統(tǒng)對經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換而不需要任何信號調(diào)理(放大和濾波)電路。

1．4 過采樣技術(shù)的應(yīng)用

所謂過采樣技術(shù)是指以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奈奎斯特(Nyquist)采樣頻率的頻率對模擬信號進(jìn)行采樣的方法。由信號采樣量化理論可知，若輸入信號的最小幅度大于量化器的量化電平，并且輸入信號的幅度隨機分布，則量化噪聲的總功率是一個常數(shù)，在0～fs的頻帶范圍內(nèi)均勻分布。因此量化噪聲電平與采樣頻率成反比，如果提高采樣頻率，則可以降低量化噪聲電平，而由于基帶是固定不變的，因而減少了基帶范圍內(nèi)的噪聲功率，提高了信噪比，從而提高分辨率，并且采樣頻率每提高4 倍，則信噪比提高4倍，相當(dāng)于A／D的分辨率提高1位。2 軟件設(shè)計

2．1 程序設(shè)計

本文選用ADI公司的單片機ADC841，其內(nèi)部集成了速度可達(dá)400k的12位逐次逼近型ADC，分辨率為0．6mv／LSB。從軟件需求和單片機速度出發(fā)，將ADC采樣率fs定為102．4kHz，為便于計算，將過采樣倍數(shù)k定為64，則下抽取后采樣率為偽：fs／k=1600Hz，是頻率為 400Hz載波的四倍，滿足奈奎斯特采樣定理。由于過采樣倍數(shù)k為64，按每提高4倍采樣率就能提高一位分辨率來計算，獲得的ADC有效分辨率能提高3 位，最后能達(dá)到約15位精度，其分辨率可達(dá)到0．0763mv／LSB。設(shè)置ADCCON1=#0B2H，ADCCON2=#00H。定時器2是一個具有 16位自動重裝載功能的定時器，作定時器用時，TH2和TL2計的是機器周期數(shù)，TH2和TL2內(nèi)容的自動重裝載通過寄存器RCAP2H和RCAP2L來實現(xiàn)。對這四個寄存器都進(jìn)行初始化，自動裝載值為#0FFCAH。

2．2 程序源代碼

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)模擬電路簡單，由ADC841芯片實現(xiàn)脈搏信號采集，信號處理和脈搏次數(shù)的計算等功能，因此體積小，功耗低，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。本系統(tǒng)可實現(xiàn)脈搏波的實時存儲并可實現(xiàn)與上位機(PC機)的實時通訊，因此可作為多參數(shù)病人中心監(jiān)護系統(tǒng)的一個模塊完成心率檢測和脈搏波形顯示。