秦 玉 偉

(1．渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西渭南714099;2．陜西省X射線檢測(cè)與應(yīng)用研究開發(fā)中心，陜西渭南714099)

脈搏測(cè)量是一種臨床診斷的輔助診療手段，常用來診斷心腦血管疾病。傳統(tǒng)的中醫(yī)診斷通過“號(hào)脈”從人體的脈搏波中提取病人生理信息以了解患者的病因。該診斷方法取決于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，且患者的個(gè)體之間存在差異，因而使得脈象的辨認(rèn)和識(shí)別缺乏統(tǒng)一、精確的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)代的醫(yī)用脈搏檢測(cè)儀能夠檢測(cè)心臟活動(dòng)的生物電信號(hào)，有利于提高診斷的準(zhǔn)確性。

本文設(shè)計(jì)了一種以STC89C51單片機(jī)為控制核心的脈搏檢測(cè)儀，通過光電式脈搏傳感器對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè)，間接檢測(cè)出脈搏信號(hào)，并將信號(hào)處理后在液晶顯示器上顯示所檢測(cè)的脈搏跳動(dòng)波形和脈搏跳動(dòng)次數(shù)，具有測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定度高和可靠性好等特點(diǎn)。

1 脈搏檢測(cè)工作原理

血液的透明度很低，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中高出10倍以上。根據(jù)朗伯—比爾(Lamber－beer)定律，波長(zhǎng)一定時(shí)，物質(zhì)的吸光度和其濃度成正比，當(dāng)一定波長(zhǎng)的光照射到人體上時(shí)，由于人體不同部位之間的差異，人體組織會(huì)對(duì)其進(jìn)行吸收，光反射時(shí)會(huì)相應(yīng)地衰減，最終得到的光強(qiáng)能反映被照射部位組織的結(jié)構(gòu)［1］。

脈搏主要是由人體動(dòng)脈舒張和收縮產(chǎn)生的，當(dāng)人體脈搏搏動(dòng)時(shí)，由于血液量的增加，透光性變?nèi)?反之，無脈搏時(shí)，血液量相對(duì)較少，透光性變強(qiáng)。與人體其他部位相比，指尖相對(duì)較薄且動(dòng)脈較多，故指尖是最適合的、便于檢測(cè)的部位，因此光電式脈搏傳感器一般選擇對(duì)指尖進(jìn)行測(cè)量。脈搏傳感器采用由紅外發(fā)射管和接收管組成的對(duì)管，在人體外部測(cè)量，對(duì)人體無輻射、無傷害，測(cè)量精度高［2］。光電式脈搏傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示［3］。

圖1 光電式脈搏傳感器結(jié)構(gòu)圖

心臟每舒張一次，動(dòng)脈的壓力和血流量就會(huì)增加。同理，心臟每收縮一次，動(dòng)脈的壓力和血流量就會(huì)減少，即產(chǎn)生一個(gè)周期脈搏波，典型的周期脈搏信號(hào)波形如圖2所示。

圖2 典型的周期脈搏信號(hào)波形

脈搏傳感器由紅外發(fā)光二極管和紅外接收二極管兩部分組成，將紅外對(duì)管夾在指尖，心臟的跳動(dòng)促使手指中的血液濃度發(fā)生變化，紅外接收管接收相應(yīng)的光信號(hào)變化并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，采集到的脈搏信號(hào)經(jīng)放大電路、濾波電路及單片機(jī)后續(xù)處理后計(jì)算出脈搏。

由于外部環(huán)境光強(qiáng)的變化會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定影響，因此脈搏測(cè)試一般選擇在室內(nèi)進(jìn)行，以減少室外紅外線對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)，為減小測(cè)量的實(shí)驗(yàn)誤差，采用指套式的透射型光電傳感器，因?yàn)槠淞己玫拿荛]性，能夠減少環(huán)境噪聲對(duì)電路的干擾。

2 脈搏檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)及信號(hào)處理電路

檢測(cè)裝置由脈搏檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)處理電路和液晶顯示等4部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 脈搏檢測(cè)裝置框圖

脈搏檢測(cè)儀利用光電式脈搏傳感器采集脈搏信號(hào)，由于采集的信號(hào)過于微弱，不易進(jìn)行控制處理，因此首先要對(duì)其進(jìn)行信號(hào)放大。光電傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)過LM358對(duì)信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大和濾波，并利用A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)模擬與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化。單片機(jī)STC89C51處理轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)，并在LCD12864液晶屏顯示脈搏曲線和脈搏次數(shù)。

單片機(jī)STC89C51是一款具有低功耗、高性能特點(diǎn)的8位微控制器，其內(nèi)部集成8 k可編程Flash存儲(chǔ)器，P0～P7 口分別與 LCD12864 的 DB0～DB7 相連，P2．4、P2．5 和 P2．6 分別與 RS、R/W 和 EN 相連［4－8］。PCF8591是具有單電源、低功耗特點(diǎn)的8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，具有一個(gè)串行I2C總線接口、輸出和4個(gè)模擬輸入;A0、A1和A2這3個(gè)地址引腳用于編程硬件地址，最多允許將8個(gè)不需要其他硬件的器件連接至I2C總線，器件的控制、數(shù)據(jù)和地址向I2C總線傳輸采用了全雙工的傳輸方式。該芯片的主要功能分為多路的模擬量輸入、分流進(jìn)行模擬量編碼、A/D轉(zhuǎn)換功能，單片機(jī)在總線上配置的波特率決定速率，內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近轉(zhuǎn)換技術(shù)［9］。PCF8591內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近轉(zhuǎn)換技術(shù)，在A/D轉(zhuǎn)換周期臨時(shí)使用片上的高增益比較器和片上轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器給PCF8591發(fā)送一個(gè)有效模式地址之后，一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換周期開始，應(yīng)答時(shí)鐘脈沖的后沿觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換周期，通過傳輸前一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果執(zhí)行，一個(gè)轉(zhuǎn)換周期一旦被觸發(fā)，所選通道的輸入電壓采樣將保存到芯片，同時(shí)信號(hào)被轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的8位二進(jìn)制碼，并被保存在ADC數(shù)據(jù)寄存器等待傳輸。當(dāng)自動(dòng)增量標(biāo)志位置1時(shí)，則通過下一通道，發(fā)送的第二字節(jié)將存儲(chǔ)在相應(yīng)的控制寄存器，用于控制器件功能，低半字節(jié)選擇一個(gè)由高半字節(jié)定義的模擬輸入通道。當(dāng)自動(dòng)增量標(biāo)志位置1時(shí)，則A/D轉(zhuǎn)換后通道號(hào)將自動(dòng)增加。如果使用的是內(nèi)部振蕩器應(yīng)用中需要的自動(dòng)增量模式，那么控制字中模擬輸出允許標(biāo)志應(yīng)置1，要求內(nèi)部振蕩器持續(xù)運(yùn)行，以免出現(xiàn)振蕩器啟動(dòng)延時(shí)的轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤結(jié)果。

2．1 信號(hào)采集電路

光電傳感器是利用光電元件將測(cè)量到的脈搏變化轉(zhuǎn)為光信號(hào)的變化，然后再利用光電元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)［10－11］，如圖 4 所示。

圖4 脈搏信號(hào)采集電路

圖5 信號(hào)處理電路

本設(shè)計(jì)采用對(duì)射型光電傳感器，對(duì)射型光電傳感器是由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)收光器組成，每個(gè)紅外二極管能產(chǎn)生0．5 mA的電流、0．4 V的電壓，接收管和發(fā)送二極管相對(duì)擺放，使發(fā)射二極管獲得最大電流。［9］考慮到接收管的感應(yīng)光靈敏度，R8選20 kΩ的電阻，若R8的電阻過大，則通過發(fā)射二極管的電流就會(huì)偏小，使接收管無法檢測(cè)到脈搏信號(hào);反之，若R8電阻過小，則通過的電流就會(huì)偏大，接收管也不能正確地反映脈搏信號(hào)的變化。

2．2 信號(hào)處理電路

由于脈搏信號(hào)是微弱的低頻信號(hào)，且同時(shí)伴有噪聲，因此要對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大和濾波，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的有效檢測(cè)與阻抗匹配，提高帶載能力，兩級(jí)放大電路之間通過電容進(jìn)行耦合。放大倍數(shù)由R4和R6決定，大約為20倍;通頻帶由C4和R6決定，范圍為0～15 kHz，可通過R6進(jìn)行調(diào)節(jié)，電路如圖5所示。

同相放大器的放大倍數(shù)由R5和R9決定，設(shè)置為2倍放大，輸出信號(hào)相位沒有發(fā)生變化，兩級(jí)放大增益均在可調(diào)控范圍內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，輸出端接一個(gè)LED作為指示燈，可以通過LED的閃爍頻率觀察被檢測(cè)人員的脈搏頻率變化。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要程序分為脈搏測(cè)量子程序、定時(shí)器中斷程序和INT中斷程序。首先使系統(tǒng)初始化，然后P3．2是否為下降沿，若為下降沿信號(hào)，則從主程序中調(diào)用脈搏檢測(cè)程序，利用子程序中的定時(shí)功能，通過調(diào)用中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)脈搏次數(shù)的計(jì)數(shù)功能。檢測(cè)到的信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED閃爍，閃爍頻率即為脈搏頻率，主流程如圖6(a)所示。采用定時(shí)器中斷程序完成1 min內(nèi)采集，并保存測(cè)得的脈搏次數(shù)，流程如圖6(b)所示。定時(shí)器中斷初始化程序開始運(yùn)行后，進(jìn)行1 min定時(shí)，定時(shí)期間完成后，等待主芯片判斷是否有信號(hào)進(jìn)入，若沒有檢測(cè)到信號(hào)進(jìn)入，則繼續(xù)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)入;若檢測(cè)到有信號(hào)進(jìn)入，則繼續(xù)等待下一秒，依次累加直至1 min計(jì)時(shí)完成，定時(shí)器計(jì)時(shí)停止，保存測(cè)得的脈搏次數(shù)，完成檢測(cè)。將測(cè)試值復(fù)位即可開始下一次測(cè)試，進(jìn)行多次測(cè)試并保存數(shù)據(jù)。

圖6 主程序和定時(shí)器中斷流程圖

外部中斷服務(wù)程序完成外部信號(hào)的計(jì)算和測(cè)量，采用邊沿觸發(fā)方式，當(dāng)處于測(cè)量狀態(tài)的時(shí)候，使用邊沿檢測(cè)脈搏信號(hào)，進(jìn)行次數(shù)自加1。在單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置定時(shí)器控制1 min計(jì)時(shí)，當(dāng)邊沿檢測(cè)脈沖累加得出1 min內(nèi)的脈搏次數(shù)并保存。當(dāng)沒有處于檢測(cè)狀態(tài)時(shí)，等待脈搏檢測(cè);當(dāng)處于檢測(cè)狀態(tài)時(shí)使用單片機(jī)進(jìn)行邊沿檢測(cè)信號(hào)，并對(duì)所檢測(cè)邊沿信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，直至1 min定時(shí)完成，完成脈搏檢測(cè)，程序流程如圖7所示。

圖7 INT中斷程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

正常情況下，20～40歲人的脈搏為60～100次/min，40歲以上人的脈搏為50～70次/min。實(shí)驗(yàn)過程中，為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，隨機(jī)選取20～30歲、30～40歲和40歲以上9位不同年齡段的人進(jìn)行無記名式的脈搏檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 脈搏檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

由測(cè)量結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置能夠準(zhǔn)確地測(cè)量出不同人的脈搏次數(shù)。與理論值相比，年輕人的數(shù)據(jù)分布較為分散，誤差較大。老年人的數(shù)據(jù)分布較為集中，誤差較小。但在實(shí)驗(yàn)過程中人手指的晃動(dòng)不可避免，導(dǎo)致所測(cè)數(shù)據(jù)存在一定誤差。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)的光電式脈搏檢測(cè)裝置能夠準(zhǔn)確檢測(cè)人體的脈搏信號(hào)，并可以通過繪制的脈搏曲線有效判斷人體的健康狀況。該檢測(cè)裝置能夠克服傳統(tǒng)檢測(cè)方法的局限性，具有測(cè)量穩(wěn)定、性能良好、體積小、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)電路簡(jiǎn)單、成本低、適應(yīng)范圍廣，可用于家用脈搏監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn):

［1］李珍，劉琳琳．基于光電式脈搏傳感器的脈搏信號(hào)獲?。跩］．中國(guó)醫(yī)療器械信息，2008，14(11):19－20．

［2］戴君偉，王博亮．光電式脈搏傳感器的研制和噪聲分析［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2006(2):78－80．

［3］麻芙陽．體脈搏檢測(cè)方法研究及其應(yīng)用［D］．北京:北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011:20－30．

［4］韓清鵬．脈搏信號(hào)的非線性分析及其不同情緒和環(huán)境的影響研究［D］．杭州:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007:15－25．

［5］褚超群．腕部脈搏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］．延吉:延邊大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014:10－20．

［6］謝維城，楊加國(guó)．單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2009:128－169．

［7］趙華峰，李龍洲．MCS－51 單片機(jī)多分支程序的實(shí)現(xiàn)［J］．渭南師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，24(2):36－39．

［8］高澤利．快速心率測(cè)定儀的設(shè)計(jì)與制作［J］．中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2001，18(3):157－160．

［9］楊金紅．基于USB接口的脈搏檢測(cè)儀［D］．長(zhǎng)春:吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007:40－67．

［10］郭放．脈搏圖像采集與脈搏信息表征方法研究［D］．蘭州:蘭州理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009:35－60．

［11］孫悅，帥俊青，李巧燕，等．脈搏波光電傳感器［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2006，26(5):13－16．