智能人體心率檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

 0 引 言

心率是人體中一個(gè)非常重要的生命信息，而傳統(tǒng)的脈診由于其定性化和主觀性影響了心率測(cè)試的精度，成為中醫(yī)脈診應(yīng)用、發(fā)展和交流中的制約因素。為了提高對(duì)此類生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的測(cè)試精度，必須結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。目前用于檢測(cè)心率的儀器很多，常見(jiàn)的有基于壓力傳感器、光電傳感器、電容傳感器和電聲傳感器等類型的測(cè)試裝置，但是對(duì)脈搏測(cè)試部位的選擇沒(méi)有太大區(qū)別，對(duì)于能在指端進(jìn)行脈搏精確測(cè)量的儀器還是比較少。這里介紹的智能人體心率檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)人體指端的無(wú)創(chuàng)測(cè)量，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，能精確測(cè)量出心跳次數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和上、下限報(bào)警功能。

1 裝置組成及工作原理

系統(tǒng)組成如圖1所示。此設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C2051為核心，由光電傳感器采集脈搏信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大電路、濾波電路、積分和比較電路后得到與脈搏相關(guān)的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行脈沖周期的計(jì)算。然后得出每分鐘的脈搏搏動(dòng)次數(shù)(即心率)，并在數(shù)碼管上顯示心率，同時(shí)利用軟件實(shí)現(xiàn)上下限報(bào)警功能，在測(cè)量數(shù)據(jù)超過(guò)正常范圍(如大于180次/min或小于45次/min)時(shí)進(jìn)行報(bào)警以提醒醫(yī)生注意。

2 裝置硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器及信號(hào)處理電路

由于在人體指尖組織中的動(dòng)脈成分含量高，而且指尖厚度相對(duì)其他人體組織而言比較薄，透過(guò)手指后檢測(cè)到.的光強(qiáng)相對(duì)較大，因此光電式脈搏傳感器的測(cè)量部位在人體指尖。將一對(duì)紅外發(fā)射與接收探頭置于手指兩側(cè)，當(dāng)動(dòng)脈血管隨心臟周期性的收縮和舒張，動(dòng)脈血管的血液容積隨之發(fā)生變化時(shí)，紅外接收探頭便接收到隨心臟周期性地收縮和舒張的動(dòng)脈搏動(dòng)光脈沖信號(hào)，從而采集到心臟搏動(dòng)信號(hào)。

檢測(cè)心率的傳感器采用紅外對(duì)管HRl068C一05Y2和PT331C。由于從人體手指采集到的生理信號(hào)十分微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的數(shù)量級(jí)范圍，而且在測(cè)試過(guò)程中由于肢體動(dòng)作以及較強(qiáng)的工頻干擾而產(chǎn)生大量的噪聲。同時(shí)要將采集到的脈搏信號(hào)經(jīng)過(guò)前置級(jí)放大電路進(jìn)行高倍放大，這就要求電路具有高增益和高共模抑制比，至少在80 dB以上，即集成運(yùn)放要有很高的共模抑制比和極低的零漂等，所選的電阻參數(shù)要盡量精確。放大電路由電阻網(wǎng)絡(luò)和OP07組成，傳感器及前置放大電路如圖2所示。

由于內(nèi)外噪聲及50 Hz工頻干擾等因素，即使電路具有很高的共模抑制比，但是脈搏信號(hào)非常微弱，淹沒(méi)在于擾信號(hào)中，由于脈搏信號(hào)主峰頻率在1 Hz左右，能量較強(qiáng)的分量也在20 Hz以下，所以設(shè)計(jì)低通濾波器的上限截止頻率為40 Hz。對(duì)于工頻干擾，采用對(duì)稱性雙T阻容有源陷波器對(duì)其專門濾除。再通過(guò)積分、比較電路整形之后便可以得到單片機(jī)所需要的標(biāo)準(zhǔn)的0～5 V脈沖信號(hào)。濾波、陷波電路及積分比較電路如圖3所示。

2.2 單片機(jī)控制及顯示電路

單片機(jī)控制及顯示電路如圖4所示。采用動(dòng)態(tài)顯示方式，利用單片機(jī)的P1口的P1.0～P1.6作為數(shù)碼管七段碼的輸入。利用P3.0,P3.1,P3.2,P3.3作為4只數(shù)碼管的選中信號(hào)(見(jiàn)圖4)。從光電傳感器輸出的心率脈沖作為中斷信號(hào)直接接到單片機(jī)89C2051的9腳(即T1端)。由T0定時(shí)，T1計(jì)數(shù)。P1.7輸出心率的上、下限報(bào)警信號(hào)，經(jīng)二極管驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。當(dāng)心率低于下限45次/min時(shí)報(bào)警發(fā)出長(zhǎng)音報(bào)警。當(dāng)心率高于上限180次/min時(shí)報(bào)警器發(fā)出短音報(bào)警。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。將要顯示心率數(shù)千位、百位、十位、個(gè)位數(shù)分別存放在89C2051單片機(jī)內(nèi)部的41H，42H，43H，44H單元內(nèi)。采用動(dòng)態(tài)掃描，每隔5 ms分別輪流顯示千位、百位、十位、個(gè)位。當(dāng)單片機(jī)的第9腳有一上升沿時(shí)，T1腳計(jì)數(shù)1次，T0定時(shí)50 ms，循環(huán)定時(shí)1 200次，T1計(jì)數(shù)即為心率次數(shù)。然后返回主程序繼續(xù)執(zhí)行顯示程序。

4 電路調(diào)試及噪聲分析

電路調(diào)試主要是對(duì)輸入的脈搏信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，調(diào)試的效果直接關(guān)系到數(shù)據(jù)采集的精確度。通過(guò)測(cè)試可以得知，脈搏信號(hào)中存在嚴(yán)重的噪聲干擾，前置級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。使用寧波中策電子有限公司的DFl405數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器來(lái)模擬脈搏信號(hào)，信號(hào)頻率較高，信號(hào)處理電路對(duì)于高頻信號(hào)(106 Hz左右)有很好的衰減作用，當(dāng)信號(hào)頻率適中的時(shí)候，信號(hào)可以按照設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行放大。50 Hz陷波器對(duì)工頻干擾起到了很好的抑制作用。通過(guò)積分、比較電路對(duì)脈搏信號(hào)整形可以得到單片機(jī)需要的脈沖信號(hào)。通過(guò)整機(jī)調(diào)試，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

在測(cè)量過(guò)程中，傳感器采集到的脈搏信號(hào)十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾，因此需要對(duì)脈搏傳感器的干擾噪聲進(jìn)行分析。光電式脈搏傳感器的主要有測(cè)量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測(cè)量過(guò)程運(yùn)動(dòng)噪聲干擾。為了減少環(huán)境光對(duì)脈搏信號(hào)測(cè)量的影響，同時(shí)考慮到傳感器使用的方便性，采用密封的指套式的包裝方式，整個(gè)外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色，盡量減小外界環(huán)境光的影響。通過(guò)光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號(hào)一般比較微弱，容易受到外界電磁信號(hào)的干擾，因此對(duì)硬件電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠帘翁幚?。脈搏信號(hào)變化緩慢，特別容易受到工頻信號(hào)的干擾，利用陷波器有效地解決了這一問(wèn)題。在測(cè)量過(guò)程當(dāng)中，讓指套和手指更緊的接觸減少了他們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，降低了運(yùn)動(dòng)噪聲。

5 結(jié) 語(yǔ)

心率檢測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)在于傳感器的制作和微弱脈搏信號(hào)的放大問(wèn)題。通過(guò)實(shí)際的設(shè)計(jì)制作，結(jié)果證實(shí)了該設(shè)計(jì)的合理性和可行性，說(shuō)明用科學(xué)設(shè)計(jì)的透射式傳感器可實(shí)現(xiàn)手指脈搏的無(wú)損檢測(cè)。但是在小信號(hào)放大技術(shù)方面有待于進(jìn)一步研究。同其他心率檢測(cè)儀相比較，該裝置的體積小，重量輕，成本低，使用方便，測(cè)量準(zhǔn)確等，具有很好的應(yīng)用前景。