摘要：脈搏是臨床檢查和生理研究中常見的生理現象。脈搏波的波幅和形態包含了反映心臟和血管狀況的重要生理信息，是診斷疾病的重要依據。脈搏波采集儀就是利用仿生學原理結合人工智能對脈搏診斷過程進行模擬的儀器。針對現有的脈搏信號采集系統不能準確施加診脈壓力的不足，提出了一種具有脈壓檢測功能的脈搏信號采集系統設計方案，整個方案以單片機STC89C52為核心，結合放大、帶通濾波電路、A／D轉換和串行通信模塊，經過實驗，實現了自動加壓，并在浮、中、沉三種不同取脈壓力下，對人體橈動脈寸、關、尺三處的脈搏渡信號完成了采集。
關鍵詞：脈搏波；取脈壓力；單片機；A／D轉換

0 引言
    脈診之所以重要是由于脈象能傳遞機體各部分的生理病理信息，是窺視體內功能變化的窗口，可以為診斷疾病提供重要依據。但是傳統脈診主要依賴于醫者的經驗和主觀判斷，再加上被診者的個體差異使得脈象的辨認、識別缺乏統一、精確的標準。因此，脈搏采集系統的研制有助于脈診的客觀化研究。脈搏采集系統設計難點在于如何模擬醫者手指，在最佳取脈壓力下獲取清晰的脈搏波譜，并根據不同的壓力變化，完成對寸、關、尺三個脈位復雜脈象的提取和識別。
    自20世紀50年代以來，對于脈學的理論、脈診方法、臨床診斷和實驗研究等方面均開展了大量工作，取得了較大的進展。英國人Marey最早設計了以彈簧為動力的杠桿式脈搏傳感器，并記錄了橈動脈脈搏波。1860年首次出現杠桿和壓力鼓式描述脈搏圖，1890年開始采用換能的方式，出現了杠桿式光學脈搏描述器。20世紀50年代我國學者朱顏首次將杠桿式脈搏描記器引用到中醫脈診的研究中來。自70年代至今，研究人員已研制出種類繁多的換能器以模擬中醫切脈的手指，采集并記錄了脈搏信號。
    國內外典型的脈象診斷儀如：由北京醫療器械總廠生產的BYS-14型脈象儀和北京斯脈福生產的28脈脈象儀能對脈搏波進行檢測重現，并能識別臨床中醫常見37種脈象圖。ZM-Ⅲ型智能脈象儀由上海中醫藥大學研制，是我國當前較先進的一種脈象儀，能自動采集脈象信號，并將中醫脈象的位、數、形、勢和脈圖的各項特征參數作自動分析處理。為了達到分層取脈的目的，日本Colin公司研制生產的CMB-3000／2000型橈動脈脈波檢測儀利用張力法測量原理進行無損傷連續血壓監測。
    本文主要從脈搏傳感器的選擇，信號調理電路的設計，取脈壓力的自動控制以及信號的初步處理等方面介紹寸、關、尺三處脈位在浮、中、沉等不同狀態下的信號采集，為脈診客觀化的進一步研究奠定了基礎。

1 脈搏信號的特點
    脈搏信號的特點如下：
    (1)強干擾下的微弱信號。由于脈搏信號幅度很小，大約是微伏到毫伏的數量級范圍。因此，極容易引入干擾，這些干擾有來自50 Hz的工頻干擾，有來自肌體抖動、精神緊張帶來的假象信號等。
    (2)頻率低但能量相對集中的信號。人體的脈搏頻率非常低，約為0．5～4 Hz，一般情況下為1 Hz左右，脈搏信號可看成一個準直流信號，也可看成是一個低頻交變信號。根據脈搏功率譜能量分析，健康人脈搏能量絕大多數分布于1～5 Hz，而病人脈搏在1 Hz以下和較高頻段(如5 Hz以上或10 Hz以上)仍有相當一部分的能量分布。
    (3)復雜且易變的隨機信號。脈搏信號因人體生理、病理、心理的不同而不同，又受環境、時間、氣候的影響，表現出同一個人在不同的時間、地點有不同的脈象，有時也會有不同的疾病表現出相同的脈象。

2 采集系統的設計要求
    (1)傳感器的選取。由于不同類型的傳感器原理不同，所獲取的原始波形也是不盡相同的。本系統中，選用的傳感器是BP300T壓力傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器。
    (2)隔離、放大、濾波整形電路等硬件電路的設計。
由于所提取的信號非常微弱，且富于變化，需要附加多重濾波電路。
    (3)以STC89C52為核心的實時采集系統。經過調理的模擬信號通過A／D轉換，采集到單片機中，并立即通過串口與上位機進行通信，將數據進行傳輸。
    (4)壓力自動控制。通過單片機對氣泵和電磁閥的控制，達到對腕帶壓力實時控制的目的。
    (5)脈搏波形重現。通過上位機軟件對采集到的數據進行波形重現。

3 系統方案設計
    系統以單片機STC89C52為核心，外設電路由傳感器，信號調理電路，A／D轉換器組成，系統的結構框圖如圖1所示。

    系統的硬件實現方案總體設計如圖2所示。
    系統部分功能如下：
    壓電傳感器  作為測量電路的最前端，其作用是將脈搏的動態信息轉換為電壓信號，方便采集，是整個采集系統的關鍵。
    BP300T壓力傳感器  用于對整個加壓過程的壓力監測，實現在不同的取脈壓力下對脈搏信號進行采集。
    前置放大和二級放大電路  對微弱的脈搏生物信號進行合適的放大，使其滿足電壓的轉換條件。
    帶通濾波電路  脈搏波信號微弱，頻率低，容易受到外界干擾，所以必須使用濾波器將信號頻帶外的干擾去除。
3．1 傳感器的選擇
    脈搏傳感器的選擇對于整個采集系統的設計非常重要。脈搏傳感器的基本功能就是將切脈壓力和橈動脈搏動壓力這樣一些物理量(非電量)轉換成為便于測量的電信號。因此要求傳感器具有一定的檢測重復性和線性，可以重復使用，而且測得的數據具有一定的精度；其次，環境溫度對其影響較小，可以保證在較大范圍內數據具有一定的精度；同時，還需具有一定的靈敏度和穩定性。
3．1．1 SC0073傳感器
    該傳感器采用壓電復合材料作為換能元件，信號通過特殊的匹配層傳遞到換能元件上變成電荷量，再經傳感器內部放大電路轉換成電壓信號輸出。該傳感器是一種高性能低成本的振動傳感器，具有靈敏度高、頻率響應范圍寬、抗過載及沖擊能力強、抗干擾性好、操作簡便等特點。通過測試該型號傳感器性能基本滿足條件，但是信號穩定性欠佳，尤其是柱狀的結構外形，導致其無法與腕帶方便的配合。
3．1．2 HK-2000B脈搏傳感器
    HK-2000B脈搏傳感器采用高度集成化工藝將力敏組件、靈敏度溫度補償組件、感溫組件、信號調理電路集成在傳感器內。主要特點是靈敏度高、抗干擾性能強、過載能力大、性能穩定可靠、使用壽命長。實驗發現由HK-2000B提取信號繪制的脈搏波形清晰穩定，使用時無需搭建前置放大電路，但體積過大，無法對三個脈位進行同時測量。
3．1．3 PVDF壓電傳感器
    PVDF壓電傳感器由PVDF壓電薄膜構成。與其他壓電材料相比，PVDF壓電薄膜具有壓電系數大、頻響寬、動態范圍大、力電轉換靈敏度高、機械性能強度高、聲阻抗易匹配等特點，且重量輕、柔軟不脆。對該傳感器的測試如下：分辨率、靈敏度等指標均符合要求，而且得到的脈搏波形與HK-2000B獲得質量相當。綜合以上對比，本設計方案中選取PVDF壓電傳感器作為脈搏測量傳感器。
3．1．4 BP300T壓力傳感器
    本系統中使用BP300T壓力傳感器監測腕帶壓力。BP300系列壓力傳感器是專為電子血壓計開發的一款壓力傳感器，具有結構簡單、性能穩定、可靠性好、通用性強等優點。
3．2 信號調理電路
    脈搏信號處理電路主要是對檢測到的微弱脈搏電信號進行信號處理，并濾去多余的噪聲信號。考慮到脈搏信號為超低頻信號，極易引入工頻干擾，而且采集到的脈搏電壓信號幅度通常在0～20 mV之間，并不符合A／D轉換器的輸入電壓的范圍(一般為-5～+5 V)。鑒于以上特點，PVDF脈搏傳感器和壓力檢測傳感器均使用以下調理電路。
3．2．1 前置放大電路設計分析
    前置放大電路對于脈搏波信號采集來說至關重要，考慮到脈搏信號的特點，為了放大噪聲環境中傳感器輸出的弱信號，對于放大器要求具有：極高的共模和差模輸入阻抗；很低的輸出阻抗；精確和穩定的增益；極高的共模抑制比。基于以上分析，選用ANALOG DEVICES公司生產的低功耗、高精度儀表放大器AD620作為前置放大的核心器件。

    圖3是AD620的簡化示意圖，AD620由三個放大器組成，其內部采用“三運算放大器”典型電路，僅需要一只外接電阻便可使增益在1～1 000之間任意調節，其調節是通過1腳和8腳間的阻抗Rg來實現的。AD620管腳圖如圖4所示。前置放大電路結構如圖5所示。
3．2．2 帶通濾波電路
    帶通濾波器是一個允許特定頻段的波通過、同時屏蔽其他頻段的設備。可以由低通濾波器和高通濾波器串聯組合而成。
    本系統的濾波電路采用雙運放LM358。LM358是雙運放集成電路，封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式，其管腳圖如圖6所示。它內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器。其主要特性：短路保護輸出；真差動輸入級；單電源工作：3．0～32 V；低輸入偏置電流；具有內部補償；共模范圍擴展到負電源。帶通濾波電路結構如圖7所示。

3．2．3 二級放大電路
    其目的是把信號放大到適合A／D轉換的要求，從而使前置放大器的放大倍數不至于太高而產生波形的失真。因為前置放大后信號的大小為50 mV，因此后級放大倍數為100。二級放大電路結構如圖8所示。

3．3 A／D轉換器和單片機
    本系統中采用美國TI公司生產的多通道、低價格的模數轉換器TLC1543，這款芯片除了高速的A／D轉換器和通用的控制能力外，內部還有14個A／D轉換通道，其中11個通道可以作為外部輸入的模擬電壓，3個通道是芯片內部的自測電壓。其采樣一保持功能自動進行，管腳圖如圖9所示。

    本系統選用STC89C52單片機，可重復燒寫10萬次。STC89C52完全兼容AT89C51，AT89C52等系列單片機。
3．4 壓力控制模塊
    壓力控制模塊由充氣泵、充氣電磁閥、放氣電磁閥組成，控制核心是單片機，用三極管作為控制開關，如圖10所示，充氣泵和充氣電磁閥配合使用，對整個測量過程進行加壓，減壓時充氣泵、充氣電磁閥關閉，放氣電磁閥打開使腕帶壓力減小。

3．5 電源
    系統中AD620和LM358都需要±5 V供電，充氣泵、電磁閥以及單片機需+5 V電源，為滿足條件提出以下方案。
3．5．1 基于ICL7660的電源設計
    ICL7660是Maxim公司生產的小功率極性反轉電源轉換器。利用該轉換芯片可以方便的產生所需電壓。其設計原理如圖11所示。

3．5．2 LM2940電源模塊
    為了避免引入50 Hz工頻信號對電路的干擾，因而選用干電池供電，干電池提供的電壓為7．5 V。為了達到較好的供電質量，在電路中選擇LM2940穩壓芯片，將7．5 V左右的電壓穩定到5 V。如圖12所示。

    經過實驗和比較，方案二中的設計較第一種設計更為穩定、便攜，故使用該設計方案。

4 脈搏信號的再現和處理
    脈搏信號在上位機上的顯示界面采用Visual Basic6．0創建，并利用其中的MSComm通信控件實現串行通信，所有的控制均通過人機交互界面直接操作，顯示界面如圖13所示。其中MSComm通信的函數說明如下：CommPort：設置或返回通信端口號；Settings：設置初始化參數，以字符串形式設定波特率、奇偶校驗、數據位、停止位；PortOpen：設置或返回通信端口的狀態，同時可打開和關閉端口；Input：用于從接收緩沖區返回并刪除字符；Output：用于向發送緩沖區寫數據或一個字符串。獲得的測量數據在Matlab中進行處理和分析，仿真結果如圖14所示。

5 結語
    通過對傳感器、放大電路、濾波電路、電源模塊、A／D轉換器等幾個方面詳細的介紹，完成了多通道脈搏信號采集系統的設計過程。經實驗調試，采集到的信號清晰平穩，噪聲基本濾除，整個系統具有一定的穩定性。提取到的信號通過Matlab軟件最終可以實現復雜脈象的識別。