一種測量人體脈搏波的方法、裝置及系統

劉 琳，王彩霞，田楊萌，張瀟藝，崔麗蘭

（北京信息科技大學 理學院，北京 100192）

0 引 言

近年來，隨著醫療技術的快速發展，人們對醫用的脈搏測量儀要求越來越高。脈搏是人體的動脈搏動，脈搏次數在一定程度上反映了人體的生理健康狀況。人體脈率和脈搏波的測量是衡量人體是否健康和進行病理分析的重要數據。但是脈診的定性化和主觀性影響了脈象判斷的科學性[1]。準確監控脈搏、心音、血壓、心電等生理信號可以有效獲得心血管系統的健康狀況。同時，人們也試圖根據脈搏波的變異性來評價和診斷人體心血管系統的病變[2]。

目前，脈搏測量主要有壓電式、壓阻式、光電式等方式[3]。其中，壓電式和壓阻式是通過壓電片、電橋等微壓力型材料將脈搏轉化為信號輸出；光電式則通過反射或對射方式，將血管中脈搏跳動過程中透光率的變化轉換為信號輸出，但光電式脈搏測量方法在測量時要求有較強的光強且光強可調，點光源光強隨距離平方衰減，因此操作難度大。

隨著對脈搏測量設備精度要求的不斷提高，當前所使用的脈搏傳感器在靈敏度、信噪比、功耗及成本等方面依然面臨嚴峻的挑戰。目前大量的研究工作聚焦于尋求功耗與靈敏度之間的平衡。現有技術已無法滿足當前對脈搏測量設備的精度要求[4]。如何設計一種精確測量人體脈搏波的方法成為本領域技術人員研究的重點。

隨著激光技術和IC的飛速發展，莫爾條紋技術發展迅速，被廣泛應用于計量測試部門、航天航空領域、科研教育行業等。該項技術主要用于微小位移（長度、角度）測量、運動比較（兩個相關運動部件的關系）以及莫爾偏析法等。使用光柵檢測裝置進行線性位移的測量，包括位于同一軸線上的發光裝置、透鏡、長光柵、指示光柵以及硅光電池[5]。莫爾條紋技術具有高分辨率和高精度等優點，可實現動態測量、自動測量及數字顯示，抗干擾能力較強，測量速度較快。目前利用莫爾條紋技術的測量精度已超微米級，是位移測量領域各工業化國家具有強競爭性的關鍵技術。

本文利用莫爾條紋原理，通過平面連桿機構將脈搏跳動信號轉換為方便測量的脈搏位移信號并將其傳輸到信號數字化處理裝置，最終傳輸到預設的顯示電路進行數字化顯示。本設計方法利用莫爾條紋原理對微小的脈搏振動信號進行有效放大，并將脈搏波的機械振動信號轉化為電信號，使脈搏測量具有極高的靈敏度和準確度。

1 莫爾條紋原理

莫爾條紋是光柵位移精密測量的基礎[6]。光柵的刻線相交處形成亮帶，而在一塊光柵的刻線與另一塊光柵的縫隙相交處形成暗帶，與光柵刻線垂直的方向將出現明暗相間的條紋，這些條紋就是莫爾條紋[7]。形成莫爾條紋的原理如圖1所示。若將兩塊光柵（指示光柵1、主光柵2）疊合，中間留有適當的微小間隙并使兩塊光柵刻線之間成微小θ度，則在a線上，兩只光柵柵線彼此錯開，光線從縫隙中透過形成亮帶，其中透光部分由菱形圖案形成；在b線上，兩只光柵柵線相互交疊，相互遮擋縫隙，光線不能透過從而形成暗帶。從技術角度上說，莫爾條紋是2條或者2個物體之間以恒定角度和頻率發生干涉的視覺結果[8]

圖1 莫爾條紋原理示意圖

莫爾條紋特性有位移放大作用。當兩光柵沿垂直于刻線方向相對移動時，莫爾條紋將沿刻線方向移動，光柵左右移動ω距（柵距），莫爾條紋上下移動間距B。相鄰兩條莫爾條紋間距B與ω距及兩光柵θ角的關系為：

由公式B=ω/θ可知，間距B由ω距和2個光柵間的θ角決定。此時，當θ很小時，B遠大于ω，將條紋間距與光柵間距之比稱為莫爾條紋的放大倍數。令放大系數為k，則有：

只要對莫爾條紋的移動量和方向進行測定，就可確定主光柵的移動量及方向。一般情況下θ很小，所以放大系數k較大，如θ角為0.1°，k約為573。盡管光柵ω距很小，主光柵移動量很小，但通過莫爾條紋的放大作用亦清晰可辨。對于100線/mm的光柵，柵距為0.01 mm，當夾角為0.06°時，莫爾條紋間距B可達10 mm（放大了1 000倍）。

2 系統整體設計方案

2.1 設計方案

本文基于莫爾條紋原理設計的測量人體脈搏波的系統主要包括連桿裝置、光柵檢測裝置、信號數字化處理裝置、處理模塊、脈搏信號傳輸裝置、LED顯示裝置以及供電裝置，如圖2所示。

圖2 測量人體脈搏波系統的設計方案示意圖

信號采集單元。第一信號采集單元：平面連桿機構采集脈搏跳動信號并轉變脈搏跳動信號的方向，使信號易于測量。第二信號采集單元：轉變方向后的脈搏信號會觸發光柵檢測裝置使其產生的莫爾條紋發生相應的位移變化，對其進行精密測量計算即可獲得相應的脈搏位移信號。

信號數字化單元。利用放大電路對脈搏位移信號進行放大處理并濾波，然后傳輸到信號數字化處理裝置，獲得相應的脈搏跳動數字信號。數字化處理裝置用于對脈搏位移信號進行轉換處理后輸出脈搏跳動數字信號。

信號處理及傳輸單元。該單元用于對脈搏跳動數字信號進行分析處理，并輸出相應的目標脈搏數據，將目標脈搏數據傳輸到預設的顯示電路。

信號顯示單元。LED顯示裝置用于接收傳輸的目標脈搏數據并顯示。

供電裝置。供電裝置為連桿裝置、光柵檢測裝置、信號數字化處理裝置、處理模塊以及LED顯示裝置供電。

通過LED顯示脈搏跳動頻率、脈搏波形圖、脈搏跳動正常指示數據或脈搏跳動異常指示數據等。

信號數字化處理裝置和處理單元作為該系統的信號處理模塊，在課題組現有的應用中已經有成熟的技術方法，這里不做詳細解釋。

2.2 平面連桿結構

平面四連桿結構由若干個剛性構件通過低副（轉動副、移動副）聯接，構件上各點運動平面均相互平行的機構稱為平面低副機構，如圖3所示[9]。低副具有壓強小、磨損輕、易于加工和幾何形狀能保證本身封閉等優點。

圖3 平面四連桿機構的結構示意圖

脈搏跳動的方向垂直于皮膚表面，通過平面連桿機構可將脈搏的運動信號轉化為平行于皮膚表面的運動信號。基于平面連桿機構采集目標對象產生的脈搏跳動信號轉變方向后，可進一步通過與所述平面連桿機構連接的光柵檢測裝置采集運動信號。

本設計所用的平面四連桿機構中，可將L2貼近皮膚，L3連架桿連接長光柵，脈搏上下跳動帶動長光柵左右移動，使其產生位移，后續可進行測量。

圖4中，L5即為長光柵移動的距離。

圖4 平面四連桿機構幾何變化關系示意圖

進行機構運動精度可靠性研究時必須考慮桿件在外力和慣性作用下的結構[10]。而且還需要考慮脈搏跳動循環的特征，可在平面四連桿機構兩側添加輕質且靈敏度高的彈性裝置（比如彈簧），用于實現平面四連桿機構的自動復位。

2.3 光柵檢測裝置

利用光柵檢測裝置的放大作用可以將長光柵的微小移動量ΔL1轉化為易測的莫爾條紋移動量ΔS。

光柵檢測裝置結構如圖5所示。短光柵（指示光柵）固定不動，長光柵（主光柵）與移動物體固緊，即與圖3中L3桿的中部相連，并與平面連桿機構共面，兩計量光柵有幾微米到幾十微米的間隔。光柵檢測裝置的長光柵和短光柵（示光柵）作用會產生明暗相間的莫爾條紋。脈搏振動帶動長光柵移動，光柵檢測裝置產生的莫爾條紋會發生相應的位移變化ΔS。從光源發出的光經準直鏡后，以平行光照射光柵，光束經過某組莫爾條紋后由硅光電池接收，并將光信號轉換為電信號。長光柵移動ΔL1，莫爾條紋周期性變化，依靠光電方法可獲取相應的莫爾條紋位移ΔS，硅光電池接收這一光信號的變化信息。

圖5 光柵檢測裝置的結構示意圖

在具體實施過程中，利用硅光電池進行光電讀數通常不是針對某一點莫爾條紋進行的，而是一定長度內對若干個相同的點進行檢測，這在很大程度上消除了局部以及周期誤差的影響，使檢測精度優于計算光柵本身的刻線精度。

根據幾何關系可得脈搏跳動位移量ΔL：

將公式（4）代入上式可得：

只需知道兩光柵夾角θ、平面連桿裝置中連架桿L3的長度b，測出莫爾條紋的移動量ΔS，即可得到脈搏跳動的位移量 ΔL。

3 測量人體脈搏波裝置及實物結構

整體裝置和實物結構如圖6所示。平面四連桿機構位于整體的左側，光柵檢測裝置位于整體的右側，各組成部分位于同一軸線。從空間的角度看，平面四連桿結構在XOZ平面，垂直于桌面（XOY面），本裝置其他部分均在XOY面放置。光柵檢測裝置中的長光柵與平面四連桿機構的連架桿相連接，如圖6所示。圖4中的連架桿L5連接光柵檢測裝置的長光柵（長光柵與平面連桿結構共面），脈搏的上下跳動可以帶動光柵檢測裝置中的長光柵左右移動，使長光柵產生位移，使莫爾條紋移動，通過測量莫爾條紋的移動量即可得到脈搏跳動位移量，最后對脈搏和脈搏波進行輸出、顯示。

圖6 測量人體脈搏波的振動傳感器裝置結構示意圖

需要說明的是，在實施過程中需將位移信號通過放大電路進行放大處理，但放大過程會產生其他信號的干擾，因此須對放大處理的信號進行濾波，去除呼吸顫抖等干擾信號。在利用預設的放大電路對所述脈搏位移信號進行放大處理后，須利用預設的濾波器對放大處理后的脈搏位移信號進行濾波處理。選用的簡單整系數帶阻濾波器濾波效果較好，能夠減少計算量，利于數據的實時處理（濾波器是FIR結構，具有嚴格的線性相位特性，只需較少的計算，且系數均為2的整次冪，因此可用簡單的移位運算代替乘法，用遞歸計算實現非遞歸的FIR濾波，進一步減少計算量）。數據傳輸到控制模塊后進行處理，得出數字信號，由顯示電路顯示。

本設計利用莫爾條紋原理進行接觸式人體脈率和脈搏波的測量，對微小的脈搏振動信號進行放大，實現信號采集，并將脈搏波的機械振動信號轉化為電信號，提高脈搏測量的靈敏度和準確度。通過顯示電路對人體脈搏進行實時監測，并以有線連接或無線連接方式遠程監控人體的實時脈率以及脈搏波形圖。

4 結 語

莫爾條紋技術已被應用在諸多領域，為測量人體脈搏提供了新的方法。采用此技術測量人體脈搏波的振動傳感器測量準確度較高，達微米級以上。

人體脈搏的跳動以及波形圖可以反映出一個人基本的健康狀況，所以準確測量人體的脈搏對于人類健康發展具有十分重要的意義。此測量裝置具有廣闊的應用前景。