人體脈搏智能監測系統設計

摘要：本文通過壓電傳感器采集脈搏信號，設計硬件電路對脈搏信號進行調理和無線傳輸，結合虛擬儀器技術實現脈搏波形顯示、數據管理、異常報警和頻譜分析等功能。與傳統儀器相比，基于虛擬儀器的開發脫離對硬件的依賴，大大縮短了開發周期和成本，同時具有通用性強和易于開發維護的特點。

關鍵詞：脈搏波；數據采集；CC1110；虛擬儀器：

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2011.06.008

引言

脈搏是臨床檢查和生理研究中常見的生理現象，脈搏波的波形幅度和形態包含了心臟和血管狀況的重要生理信息。因此，根據脈象信息提取人體生理病理特征作為臨床診斷和治療的依據，越來越受到人們的重視。傳統的中醫診脈依靠醫生的經驗和閱歷，難以對脈搏波進行客觀化分析。通常情況，對脈搏波的檢測采取有線方式，被監護者身上安裝的傳感設備難以自由靈活地移動和接入，且需要專業醫護人員操作。隨著老年化社會的迫近和社區醫療水平的發展，人們更愿意在家庭或者社區醫院里隨時檢測脈搏信息。

本文設計的人體脈搏智能監測系統設計實現了脈搏信號的采集和無線傳輸，并結合虛擬儀器技術實現了脈搏波的實時顯示、存儲和分析，使得脈搏檢測客觀化，避免了固定設備給患者帶來的不便。

整體方案設計

人體脈搏智能監測系統由脈搏傳感器、信號調理電路、無線通信接口單元和計算機軟件處理系統組成，如圖1所示。硬件部分包括脈搏傳感器、信號調理電路、無線收發模塊；軟件部分包括無線收發程序、LabVIEw可視化圖形編程軟件。本系統利用PVDF(聚偏氟乙烯)壓電膜傳感器獲取人體手腕處動脈的脈搏信號，通過信號調理電路和A／D(模擬／數字)采樣獲取數字脈搏信號，由無線通信接口單元與計算機建立通信，利用LabVIEw可視化圖形編程軟件實現對脈搏波數據的處理、分析和計算。

系統硬件設計

脈搏傳感器

本系統采用PVDF(聚偏氟乙烯)壓電膜的HK-2000B型脈搏傳感器，它是一種軟接觸式的無創傷脈搏傳感器，輸出電壓范圍為0～20mV，具有靈敏度高、抗干擾能力強、過載能力大、一致性好、性能穩定和使用壽命長等特點。

信號調理電路

正常人脈搏信號頻率范圍在0.05～20Hz，且0.2～20Hz之間集中了大約99％能量。在脈搏信號采集過程中不可避免地會混有各種干擾，比如人體抖動、肌肉緊張等干擾，檢測儀

信號調理電路由一級放大電路、基線漂移抑制電路、50Hz陷波器、帶通濾波電路和二級放大電路組成，如圖2所示。由U1、R17、R18、K19組成一級放大電路，其放大倍數為11倍。U2、U3、R4和C1組成抑制基線漂移電路，消除由于人體的微動引起的接觸噪聲、運動偽跡(基線變化)和由于呼吸引起的干擾，其原理是U2運放的輸出通過R4對電容C1進行充電，如果運放U2負端輸入信號的電平出現漂移、波動，則充電結果會使U2的正端輸入出現等同于其負端輸入信號基線電平變化的電位，U2將兩者相減后得到一個基線較穩定的輸出電壓。U4、R5、R6、R7、C2、C3、C4、RV1構成雙T型50Hz陷波器來消除50Hz工頻干擾。U5、U6組成一個帶通濾波器，由于脈搏信號的頻率下限為0.05Hz，為了不摜失其低頻分量，因此高通濾波器的截止頻率設定為0.03Hz，低通濾波器的截止頻率為45Hz。最后信號通過U7進行二級放大，設置放大增益為6倍，最終放大倍數為66倍，滿足系統設計要求。

無線收發模塊

本系統采用的TI公司的CC11L0系統芯片(SoC)，CC1110能夠提供433MHz、868／9 1SMHz工業、科學和醫療(ISM)頻段應用對低成本、低功耗的要求。它結合一個高性能433MHz、868／915MHz射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051微控制器。

系統軟件設計

根據系統的設計要求，將系統軟件分為下位機軟件和上位機軟件兩個部分，其中下位機軟件部分主要完成A／D采樣和脈搏數據無線傳輸，上位機軟件主要包括用戶登錄、脈搏波顯示和存儲、脈搏數據分析、診斷報警和歷史數據查看等。

下位機軟件設計

脈搏信號經過信號調理電路后，輸出信號通過無線接收模塊CC1110的內置的A／D進行轉換，并將轉換后的脈搏數據在433MHz波段上無線傳輸，無線接收模塊接收到數據后通過串口傳給上位機進行數據處理和分析，如圖3所示。其中ADC的工作模式為：以AVDD作為參考電壓。即CC1110的供電電壓3.3V：PO_O作為ADC輸入，精度為12位，采樣頻率為1000Hz。采用DMA(直接內存訪問)傳輸方式，收發模塊在DMA控制器硬件的控制下，直接進行數據交換而不通過8051內核，不用I／O指令，提高了數據的存取速率。發送模塊選擇DAM_CHO傳輸，接受模塊選擇DAM_CH1傳輸，串口波特率為57.6kbps，8位數據位，1位停止位，無校驗位。

上位機軟件設計

本系統采用LabVIEW 8.5作為上位機軟件開發環境，LabV／EW是實驗室虛擬儀器工作平臺的簡稱，其核心概念是“軟件即是儀器”，是一種用圖標代替文本創建應用程序的圖形化編程語言。采用LabVIEw編寫的程序稱為虛擬儀器程序包括前面板和程序框圖兩部分：前面板是VI(虛擬儀器)的交互式用戶接口，包括旋鈕、刻度盤、開關、圖表和其它界面工具，與真實物理儀器面板相似：程序框圖是指虛擬儀器程序源代碼，用于接收前面板輸入的命令參數到儀器以執行相應的操作。上位機軟件主要功能包括用戶信息輸入、脈搏數據采集顯示、存儲、特征值提取、報警、診斷分析、報表生成和打印等基本數據操作功能，如圖4所示。

脈搏信號采集與顯示單元是通過LabVLEW提供VISA函數編寫程序實現串口通信。Instrument I/O | Serial面板提供了串口配置函數可以對串口進行詳細配置，如串口、超時時間、波特率、數據位和奇偶校驗等。如圖5為脈搏檢測系統上位機軟件串口程序框圖。

數據管理單元包括數據存儲和歷史數據查看。其中數據存儲包括定時存儲和異常數據存儲兩部分，定時存儲采取定時器的方式進行存儲，本系統設置為1min，每到設定的時間間隔就輸出一個TRUE值來觸發數據記錄模塊。異常數據存儲是指當脈搏信號出現異常時進行數據存儲，本系統在發生脈搏數據異常時，可以進行30s異常數據記錄。歷史數據查看是指對常規存儲的數據、異常數據和報警數據進行查看。為方便醫護人員查看，在本系統中設計了TDMS文件存儲和EXCEL存儲。除了讀寫操作外，TDMStreaming函數面板提供了更多操作函數，譬如數據刪除、任意時刻查看、整理文件碎片等功能。

特征值提取單元，利用LabVIEW提供的時頻域分析函數進行脈搏信號特征值提取。本文以脈搏周期檢測和K值提取為例。在脈搏波形圖中，脈搏周期等于相鄰兩個主動脈開放點(即始射點，是一個周期的脈搏波形圖的最低點)的時間差，它反映了一個脈搏波周期內血管內的壓力和容積的變化。采用閾值法提取測到脈搏波周期是指檢測脈搏波的波谷和波峰對應的縱坐標幅值和橫坐標時間點。K值可以描述脈搏波形面積的變化，隨年齡增加或高血壓血管硬化的發展，K值一般在0.35～0.5之間變化。如圖6為脈搏檢測系統上位機軟件由前面板框圖。

結論

脈搏信號中包含很多重要的生理病理信息，對脈搏信號進行檢測和分析，便于對人體生理健康狀況和病癥做到了解和診斷。本文設計的人體脈搏智能監測系統設計較準確地檢測到完整的脈搏波形，利用LabVIEW的圖形化編程環境，實現對脈搏波形顯示、數據管理、異常報警和頻譜分析等功能，也有利于醫護人員操作，實驗表明取得良好效果。