人体脉搏波信号检测系统_程咏梅

图 3 第一级放大电路原理图 Fig 3 The first amplifier stage
1.67Hz 。图 4 (b) 是实 际人 体脉搏 波形 , 可 以看 出 , 采集到的脉搏波形与实际人体波形十分相似 。 但从图中可以观察到有高频的干扰 , 通过低通滤波 器滤掉高频干扰 。
图 4 采集到的人体脉搏波形和实际人体脉搏波形对比 Fig 4 Comparison between (a)the collected waveform and (b)the real human blood pusle
图 7 A D 转换电路原理图 Fig 7 A D ci rcuit
图 6 两级放大及滤波后的脉搏波 Fig 6 Pulse wave after two st age amplified and filtered
2 A D 转换
A D 转换电 路由采样 保持器和 A D 转换器 组 成 。 采 样 保 持 器 选 用 AD582 , A D 转 换 器 选 择 AD574A 。原理图如图 7 所示 。 AD574A 采用双极性 工作方式 , 选用 8 位工作模式 , 只用高 8 位数据线 输出 8 位数字量 , 量化单位为 0.0392 。 模拟输入电 压范围 -5 ～ +5V 。
图 9 是程序的流程图 , 主程序是用来初始化串
图 8 AD574 和 8051 的接口电路 Fig 8 A D 574A and Circuit of 8051 serial
口 , 并且在 A D 转换结 束时 传送 转换 后的数 据 。 中 断 服务 子程 序是 用来 驱 动A D转 换 。由于A D
1 设计方案
显示人体脉搏波形的检测系统如图 1 所示 。 1.1 传感器结构设计
传感器是基于应变电测的原理 , 设计一个悬臂 梁式弹性元件 , 使弹性元件随着人体脉搏的跳动而 发生微小形变 。此时 , 粘贴在弹性元件上的电阻应 变片将产生变形 , 其电阻值会相应变化 。 通过全桥 电路将电阻变化转换为相应的电压变化 。
生理病理的血 流特征 。 将人体脉搏波转 化为 电信号 进行 测量 和分析 , 使中医 的脉 象有 了一个 客观 的分辨 标准 ,
便于揭开脉诊 现代科学本质 , 为预防和 治疗 疾病提 供参 考 。 根据 人体 脉搏信 号特 征设 计了一 套脉 搏检测 装置 。
该装 置由应变式脉搏传感器及其信号放大及滤波电路 、 AD 转换 、 接口及脉 搏信号数 字处理软件 构成 。 该脉搏 检
北京生物医学工程
噪声对电路的干扰 。 第二级放大电路如图 5 所示 , 电路的放大倍数在 20 ～ 50 之间可调 。 对比发现当 放大倍数为 30 时 , 波形最为满意 。 两级放大后的 脉搏波形如图 6 所示 。
第 25 卷
图 5 第二级放大电路 Fig 5 The second amplifier stage
为了保证放大电路具有较高的输入阻 抗和精 度 , 低输入失 调电压 , 低漂 移 , 选用 AD524 精 密 仪用放大器 。 1.3.1 第一级放大电路 第一级放大电路的放大倍 数为 1000 。原理图如图 3 所示 。
图 4 (a) 是脉搏信号经放大 1000 倍后所得的 波形 , 峰-峰 值 可 达 到 250 ～ 300mV , 频 率 约 为
第 25 卷 第 5 期 2006 年 10 月
北京生 物医学工程 Beijing Biomedical Engineering
Vol.25 No.5 Oct . 2006
人体脉搏波信号检测系统
程咏梅 夏雅琴 尚岚
摘 要 脉搏波所呈现出的形态 、 强度 、 速率和 节律等 方面的综 合信息 , 能反映 出人体心 血管系 统中许 多
测系统的最大特点是能够用 LabVIEW 虚拟仪器的操作面板及相应的 程序 , 显 示出脉搏的波形 。
关键词 脉搏波 传感器 检测系统
中图分类号 R318.04
文献标Leabharlann Baidu码 A
文章编 号 1002-3208 (2006) 05-0520-04
A Human Blood Pulse Signal Detecting System CHENG Yongmei , XIA Yaqin , SHANG Lan . School of Mechanical Engineering and Applied Electronic Technology , Beijing University of Technology , Beijing 100022
悬臂梁式传感器在测量脉搏时产生的是弯曲变 形, 采用等臂全桥测量弯曲应变, 可以消除拉伸 (压 缩) 变形的 影响 , 所以应 变仪输 出应 变 εi = 4εm 。 为了保证电桥中电流不超过应变片的最大工 作电流 , 因此选用供桥电压 u0 = 3.3V 。 桥路中设 置了预调平衡电路 , 保证电阻处于平衡状态时电桥 无输出 。 1.3 放大及滤波电路
1.3.2 第二级放大电路 为了去除传感器安装时 的静压 力以 及高 频干 扰 (尤其 是 50Hz 的工 频干 扰), 在第一级放大电路的输出端和第二级放大电 路的输入端之间加了带通 滤波器 , 其 带通范围为 0.16Hz ～ 33.9Hz 。 消除了直流偏置以及一部分高频
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3 8051 接口及串行通信
3.1 AD574A 和 8051 的接口电路 图 8 为 AD574A 和 8 位 单片机 8051 的接口 电
路 。P0 口设置为数据方式 , 接收 AD574 输出的数 字量 。CS 为低电平有效 , 用 CE 作启动转换信号 。 R C 、 A0 、 CE 由 P2 口控制 。STS 和 P1.0 相连 , 工 作方式采用查询法 。 3.2 A D 驱动及串行通信程序设计
图 2 传感器结构 Fig 2 Structure of the sensor
经过标定 , 得到脉搏所产生的压力 P 和弯 曲应变 εm 的关系为 :P =0.12εm , 应变片选用金属箔式应 变片 , 规格为 1mm ×1mm , 120Ψ;灵敏系数 K =2 。 1.2 测量电桥及其平衡电路
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图 1 系统框图 Fig 1 Logical chart of the system
图 2 所示结构为一等截面悬臂梁 , 一端固定 , 另一端紧贴皮肤感受脉搏的变化 。 应变片粘贴在两 个不同的截面位置上 , 可减少由于力 P 作 用点偏 移而引起的误差 。悬臂梁的材料为铝合金 , 弹性模 量 E =70GPa , 长 度 l = 31.50mm , 厚 度 h = 0.24mm , 宽度 b =5.63mm 。
写的程序能够显示脉搏波的波形 。
4 LabVIEW 虚拟仪器程序设计
用 LabVIEW 编写的程序要能够实现和 8051 的 串行通信 , 将接收到的数据处理后 , 显示出波形 。 图 10 是 LABVIEW 程序的前面板 , 用来显示脉搏波 形及脉搏瞬时值 , 并且控制程序的运行和选择所用 的串口 。 图中所示波形即为采集到的脉搏波形 。 图 11 是 LABVIEW 程序 框图 , 它包括 串行通信部分 、 数据处理部分和数据显示部分 。
【Key words】 blood pulse sensor detecting system
从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床 诊断和治疗的依据 , 历来都受 到中外医学界 的重 视 。 几乎世界上所有的民族都用过 “摸脉” 作为诊 断疾病的手段 。 脉搏 波所呈现 出的形 态 (波 形)、 强度 (波幅)、 速率 (波速)和节律 (周期) 等方 面的综合信息 , 在很大程度上反映出人体心血管系 统中许多生理病理的血流特征 。这些脉搏波的特征 可通过人体的表动脉如颈动脉 、 肱动脉和桡动脉等 处很容易检测出 。其中 , 桡动脉由于靠近体表外周 血管 , 信息尤为丰富 , 检测也最为方便 。用手指在 手腕的皮肤上即可感知脉搏的搏动 , 因而是获取脉 搏波的最佳检测部位 。通过对脉搏波所提取的血流 信息进行分析 , 就有可能预测出心血管疾病发生的 可能性 , 及时采取措施可有效地减少危险因素 , 使 症状得到缓解和改善 。
作者单位 :北京工业大学机电学院 (北京 100022) 作者简介 :程咏梅 (1957 —), 女 , 副 教授 , 从 事实验 力学分 析研
究。
近年来随着生物医学工程学科的发展和电子计 算机的广泛应用 , 脉搏波的检测 、 记录和分析处理 仪器已不断更新和完善 。 目前有以下 几种检测方 法 :光电容积脉搏波法 、 液体耦合腔脉搏传感器 、 压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器 。由于应 变式脉搏传感器具有成本低 、 制作方便 、 精确度高 等优点 , 因此选用此方法 。 本文介绍了自行研制的 应变传感器脉搏测量装置 , 该系统的特点是能够显 示出检测的脉搏波形 , 使之更利于观察和研究 。
图 9 程序流程图 Fig 9 Flow chart of the compuler code
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转换采用 8 位工作方式 , 采样频率为 500Hz , 采用 中断法控制采 样频率 。 串 口设置 :8051 的串 行工 作方式为方式 1 , 波特率为 9600 。
【Abstract】 Information from human blood pulse attracts more and more attention because it contains much pathological i nformation whi ch could be used as index to diagnose disease.The waveform , intensity and speed of pulse signals most ly read the physical and pathological characters of heart -blood system in human bodies .In this paper, the pulse signal that usually is felt by finger touching of Chinese doctors was transferred into electri c signal and thus could be measured by modern scientific way .As a result , the measured quantities can be used by a doctor as a more consistent index to make diagnoses .A pulse detecting system was developed and its functions , circuit s and software based on LABVIEW were described in details .The system consi sts of strain gage sensors , amplifiers , filters , A D translators , I O ports and integrated digital signal processi ng software .The most significant feature of the system is that the pulse wave shape can be displayed on the virtual panel by software based on LABV IEW .
6 前 景
图 11 程序框图 Fig 11 Flow chart