光電容積脈搏波采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及課程應(yīng)用*

李華 梁永波 朱健銘 肖文香 張倩

桂林電子科技大學(xué) 廣西桂林 541004

0 引言

血氧飽和度是反映人體呼吸、循環(huán)功能的一個(gè)重要生理參數(shù)，是衡量人體血液攜帶氧的能力指標(biāo)[1]。血氧飽和度的測(cè)量方法有電化學(xué)法和光學(xué)法兩種[2]，電化學(xué)法的測(cè)量結(jié)果精確，但是會(huì)有創(chuàng)傷，而且操作復(fù)雜，實(shí)時(shí)性差[3]。光學(xué)法是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展起來的無創(chuàng)測(cè)量技術(shù)，其測(cè)量結(jié)果越來越精確，被廣泛應(yīng)用于臨床等各個(gè)領(lǐng)域。光學(xué)法是無創(chuàng)的，使用血氧探頭獲取信息，不需要刺穿動(dòng)脈獲取血液[4]。同時(shí)，它可以連續(xù)測(cè)量，操作方便。

新冠肺炎病人的心肺功能受到很大影響，特別是重癥病人，血氧飽和度小于93%，表現(xiàn)的癥狀為休克和呼吸衰竭等[5]。指套式血氧儀在新冠疫情期間使用廣泛，是一種重要的醫(yī)學(xué)電子儀器[6]。因此，醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)和接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程結(jié)合課程思政，以單片機(jī)為核心，將傳感器、模電電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、人體解剖學(xué)等知識(shí)交叉融合[7]，設(shè)計(jì)了一套光電容積脈搏波采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)科融合的特點(diǎn)，既體現(xiàn)了專業(yè)的特色與內(nèi)涵，又具有一定的綜合性和探索性，提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[8]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由血氧飽和度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、微控制器數(shù)據(jù)處理和控制電路、上位機(jī)顯示等部分組成，如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案

1.1 血氧飽和度傳感器

學(xué)生需要掌握傳感器的選型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，選擇合適的傳感器型號(hào)。同時(shí)，對(duì)傳感器的工作原理和特性進(jìn)行分析，掌握傳感器與后續(xù)電路的連接方法。

1.2 信號(hào)調(diào)理電路

在通過脈搏傳感器獲取原始脈搏信號(hào)后，本設(shè)計(jì)中運(yùn)用了信號(hào)調(diào)理電路將脈搏信號(hào)進(jìn)行濾波放大。

放大電路采用兩級(jí)放大，并且前級(jí)采用差分輸入方式，濾波電路中采用了一個(gè)50 Hz 的陷波電路和0.2 ～45 Hz 的帶通濾波電路（由45 Hz 低通與0.2 Hz 低通串聯(lián)組成），以最大程度地減少工頻及人體干擾。

電壓抬升電路，抬升電壓在0 ～5 V 可調(diào)。最終經(jīng)過調(diào)理電路后，使脈搏波信號(hào)在0 ～5 V 范圍內(nèi)，滿足ADC0809 輸入電壓要求。學(xué)生需要掌握運(yùn)放的放大倍數(shù)計(jì)算、運(yùn)放芯片選型及使用、截止頻率計(jì)算等模擬電路基礎(chǔ)知識(shí)。同時(shí)，需要通過Proteus 軟件等進(jìn)行仿真計(jì)算。

1.3 微控制器數(shù)據(jù)處理和控制電路

將調(diào)理后的信號(hào)送給ADC0809 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由于脈搏波信號(hào)95%能量集中在0 ～6 Hz，另根據(jù)采樣定理，采樣頻率必須大于等于2 倍信號(hào)頻率，才能保證使還原信號(hào)不失真，并根據(jù)上位機(jī)調(diào)試時(shí)觀察，最終確定下位機(jī)采樣周期在3 ms 左右。經(jīng)過STC89C52 單片機(jī)采集后的數(shù)據(jù)，經(jīng)過簡單處理后，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)。

1.4 上位機(jī)顯示

上位機(jī)軟件采用VC++編寫，該軟件能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制，能進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)處理功能并能完整顯示脈搏波波形。

2 實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)計(jì)

2.1 血氧飽和度傳感器

脈搏波信號(hào)采集采用指夾式的標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用血氧飽和度探頭NELLCOR DS-100A[9]，如圖2 所示。醫(yī)用血氧飽和度探頭為七針接口，內(nèi)含雙波長發(fā)光的LED 與光敏二極管。圖3、圖4 引腳輸出的信號(hào)實(shí)際為電流型信號(hào)，需要跨接MΩ 級(jí)電阻，轉(zhuǎn)換至mV 級(jí)電壓信號(hào)。

圖2 血氧飽和度傳感器

圖3 信號(hào)采集電路

圖4 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

如圖3 為血氧飽和度傳感器的信號(hào)采集電路，兩個(gè)開關(guān)分別控制雙波長發(fā)光的LED，并配以限流電阻，采用手動(dòng)對(duì)開關(guān)控制，所以一次只能有一路光導(dǎo)通，利用單波長對(duì)脈搏波進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)在接口處引出測(cè)試點(diǎn)，方便后續(xù)測(cè)量。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

LM324 是低成本的四路運(yùn)算放大器，在單電源應(yīng)用中具有較多優(yōu)勢(shì)[10]，綜合考慮，選取LM324芯片作為信號(hào)調(diào)理電路的主要芯片，并采用直插封裝進(jìn)行兩級(jí)放大，方便后續(xù)開發(fā)與修改。如圖4 所示，運(yùn)放單電源供電，并采用分壓方式提供參考電壓，經(jīng)過電壓跟隨器后連接到跨阻放大器。采用RC 阻容設(shè)計(jì)了50 Hz 陷波器與0.2 ～45 Hz 的帶通濾波電路，以最大程度地減少工頻及人體干擾。

在設(shè)計(jì)模擬電路參數(shù)時(shí)，首先通過仿真軟件，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中用的是PROTEUS 仿真軟件，該軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)大多數(shù)模擬和數(shù)字電路進(jìn)行仿真，并且簡單易學(xué)。通過多次仿真實(shí)驗(yàn)，最終確定了兩級(jí)放大電路、50 HZ 陷波電路、0.2 ～45 Hz 帶通濾波電路及外圍元件參數(shù)。并通過使用PROTEUS仿真軟件的圖表模式功能，觀察了各部分模擬電路的性能參數(shù)。通過生成的圖表，可以清晰地觀察到濾波電路和陷波電路的濾除效果。從生成的各部分圖表中發(fā)現(xiàn)，各部分模擬電路較好地滿足了設(shè)計(jì)要求。如下圖5 為整個(gè)信號(hào)調(diào)理電路及其頻率特性。

圖5 信號(hào)調(diào)理電路及其頻率特性

在實(shí)際測(cè)試中信號(hào)由圖4 中的測(cè)試點(diǎn)1 輸入，具體信號(hào)如圖6（a）所示。原始信號(hào)通過跨阻放大器放大，并經(jīng)過了R19 和C20 組成的18.45 Hz 低通濾波器，得到了如圖6（b）所示的測(cè)試點(diǎn)2 信號(hào)，緊接著信號(hào)通過了由R17 和C18 組成的0.451 5 Hz高通濾波器，得到了圖6（c）所示的測(cè)試點(diǎn)3 信號(hào)。最后信號(hào)通過運(yùn)放與C19 和R22 組成的16.22 Hz低通濾波器，得到如圖6（d）所示的測(cè)試點(diǎn)4 信號(hào)，也是最終獲得的脈搏波信號(hào)。在此過程中可以看出濾波器完成了有效濾波，獲得了具有明顯特征的脈搏波信號(hào)。

圖6 實(shí)際測(cè)試信號(hào)

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)過濾波后的信號(hào)輸入到ADC0809 芯片中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，該芯片是逐次逼近式的A/D 轉(zhuǎn)化器，具有8 路輸入通道，8 位分辨率，采用單電源5 V 供電[11]，符合設(shè)計(jì)要求，與本項(xiàng)目中的目標(biāo)信號(hào)相符合，因此采用ADC0809 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。由于ADC0809 芯片需要10KHz 至1 280 KHz 范圍內(nèi)的時(shí)鐘信號(hào)，采用74LS74 數(shù)字芯片設(shè)計(jì)D 觸發(fā)器，為ADC0809 提供時(shí)鐘信號(hào)。

由于ADC0809 的采樣時(shí)鐘信號(hào)CLOCK 是由單片機(jī)的ALE 端通過2 個(gè)D 觸發(fā)器4 分頻而產(chǎn)生的。ALE的輸出時(shí)鐘頻率是六分之一的單片機(jī)晶振頻率，所以可以知道ADC0809 的時(shí)鐘頻率為500 KHz。

如圖7 為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的原理圖。目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過上述電路采集并處理后從PulseWave 端輸出，連接到ADC0809 芯片的26 腳，單片機(jī)發(fā)送指令使能，同時(shí)D 觸發(fā)器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)供芯片正常工作，最后將8 位數(shù)字量輸出端接入單片機(jī)，并進(jìn)行處理分析。

圖7 ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2.4 主控部分

主控采用的是亞博智能的成品開發(fā)板Mini51，如圖8 所示，主控芯片為STC89C52。該開發(fā)板包括數(shù)碼管與液晶屏顯示模塊、串口通信與紅外模塊、流水燈、按鍵與溫度傳感器等，可擴(kuò)展能力強(qiáng)。

圖8 STC89C52 單片機(jī)開發(fā)板

在本實(shí)驗(yàn)中，首先需要用到的是USB 供電部分，采用USB 對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行5 V 的單電源供電。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的8 位輸出數(shù)字量與單片機(jī)的P0.0 至P0.7 相連，使能端ENABLE，START 與EOC 分別連接單片的P2.1，P2.0 與P3.2 進(jìn)行控制。通信部分，通過CH340 芯片與電腦相連，進(jìn)行串口通信傳輸數(shù)據(jù)。并且除了該項(xiàng)目外，該開發(fā)板還可進(jìn)行流水燈、數(shù)碼管顯示、溫度測(cè)量等實(shí)驗(yàn)，具有良好的拓展性。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件上位機(jī)采用VC++編寫[12]，通過串口與光電容積脈搏波采集系統(tǒng)相連接。具有脈搏波波形顯示，心率數(shù)據(jù)計(jì)算顯示，數(shù)據(jù)保存等功能，主要程序如下：

并且軟件內(nèi)包含濾波算法，如滑動(dòng)均值濾波，中值濾波等。如圖9 為上位機(jī)的界面。

圖9 上位機(jī)界面

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，還可進(jìn)行心率的計(jì)算，如圖10 為心率計(jì)算的流程框圖。首先在接收到模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)查找信號(hào)的波峰與波谷并記錄，在出現(xiàn)一次脈沖時(shí)記錄一次心跳，利用定時(shí)器計(jì)算兩次心跳的間隔。若間隔過長，可能測(cè)量方法不準(zhǔn)確，則舍棄此次數(shù)據(jù)重新計(jì)算。根據(jù)測(cè)量的心跳間隔計(jì)算心率并取平均值。最后顯示在屏幕上。

圖10 心率計(jì)算流程圖

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

光電容積脈搏波采集系統(tǒng)實(shí)物如圖11 所示。采用透射式血氧探頭夾住手指，信號(hào)采集與調(diào)理電路濾波，模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入MCU，在MCU 中經(jīng)過簡單處理后傳到上位機(jī)通信，最終測(cè)得脈搏波數(shù)據(jù)。最終顯示結(jié)果如圖12 所示，圖中線條代表脈搏波部分，可見具有脈搏波明顯特征。

圖11 光電容積脈搏波采集系統(tǒng)實(shí)物

圖12 脈搏波數(shù)據(jù)采集與顯示

5 實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)學(xué)與工學(xué)、電子信息與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)內(nèi)涵的雙向交叉融合，培養(yǎng)的學(xué)生能夠滿足醫(yī)學(xué)電子儀器行業(yè)對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的需求。實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)行分類評(píng)價(jià)和考核，使每個(gè)學(xué)生都能有獲得感和滿足感。每個(gè)學(xué)生都可以實(shí)現(xiàn)“學(xué)習(xí)醫(yī)電課程，做臺(tái)醫(yī)學(xué)儀器”的目標(biāo)，從而極大增強(qiáng)學(xué)生的自信心和學(xué)習(xí)熱情。

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生首次親自設(shè)計(jì)和制作了一臺(tái)簡易的醫(yī)學(xué)電子儀器，對(duì)其專業(yè)能力的提升起到了重要的作用。學(xué)生自主研制的基于肌電信號(hào)的機(jī)械手，獲得“挑戰(zhàn)杯”廣西賽區(qū)一等獎(jiǎng)。同時(shí)，相關(guān)的醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)還獲得“互聯(lián)網(wǎng)+銀獎(jiǎng)”、全國生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽二等獎(jiǎng)、國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目等。

在光電容積脈搏波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的“同情心”和“好奇心”，使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中不知不覺樹立“醫(yī)學(xué)電子儀器使用對(duì)象是人體，我們需要承擔(dān)更大的社會(huì)責(zé)任”的思想，“潤物細(xì)無聲”地完成生物醫(yī)學(xué)工程課程思政的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容。

6 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)將醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)、單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理等知識(shí)綜合起來，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)與實(shí)踐的融合，使學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，激發(fā)了醫(yī)學(xué)儀器研發(fā)的潛能與興趣。同時(shí)，本系統(tǒng)可拓展能力較強(qiáng)，為未來復(fù)雜醫(yī)學(xué)電子儀器的設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。