脈搏波檢測系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計方法

1、脈搏波檢測系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計方法1引言從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過“摸脈”作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征,因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學價值和應(yīng)用前景1。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號, 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號, 必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。 從文獻2-6可以看出，目前的指端脈搏檢測系統(tǒng)都是采用模擬技術(shù)來完成濾波,放大整型等處理，再

2、經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和進一步處理。這種方法不僅增加了硬件的復雜程度，增大了功耗和體積，更主要的是增加了系統(tǒng)不可靠和不穩(wěn)定因素。隨著電子測量技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代電子測量儀器以極快的速度向數(shù)字化、自動化的方向發(fā)展。本文針對目前的脈搏波檢測系統(tǒng)的問題，提出了脈搏波檢測系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計思想，采用了ADI公司生產(chǎn)的ADC841單片機7，它的體積小，功耗低，內(nèi)部集成了8052微處理器的內(nèi)核，精確、高速的8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換（其最高轉(zhuǎn)換速率420Ksps），雙12位的輸出電壓數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并提供了62k字節(jié)閃速/ 電擦除程序存儲器、8k字節(jié)閃速/ 電擦除數(shù)據(jù)存儲器、以及2304字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM等。本系統(tǒng)利用過采樣技術(shù)

3、，通過對光電轉(zhuǎn)換后的電信號高速采樣實現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后再進行數(shù)字濾波處理，從而代替原有模擬電路完成放大濾波等工作，以簡化設(shè)計，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。2.脈搏波檢測電路根據(jù)文獻3-文獻6,目前脈搏波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。近年來, 光電檢測技術(shù)在臨床醫(yī)學應(yīng)用中發(fā)展很快, 這主要是由于光能避開強烈的電磁干擾, 具有很高的絕緣性, 且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學儀器工作的專家和學者的重視。本系統(tǒng)設(shè)計了指套式的透射型光電傳感器, 實現(xiàn)了光電隔離,減少了對后級模擬電路的干擾，

4、結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1 透射式光電傳感器傳感器由發(fā)光二級管和光敏二極管組成, 其工作原理是: 發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過手指,經(jīng)過手指組織的血液吸收和衰減，由光敏二極管接收。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的吸收和衰減也是周期性脈動的, 于是光敏二極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。2.1 光發(fā)射電路經(jīng)實驗可知,采用GaAs紅外發(fā)光二極管作為光源時，可基本抑制由呼吸運動造成的脈搏波曲線的漂移。脈搏波檢測以光電檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，因此受周圍雜散光、暗電流等各種干擾影響較大。為了克服這一問題本系統(tǒng)采用脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)。脈沖調(diào)制傳送的是調(diào)制信號的采樣值，只要采樣頻率

5、奈奎斯特采樣頻率，則可由采樣脈沖來恢復原信號，而不會導致失真。系統(tǒng)對紅外二極管的驅(qū)動脈沖信號的頻率選定為工頻整數(shù)倍400Hz以降低工頻干擾。脈沖載波由ADuC841內(nèi)部16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。為了保證紅外發(fā)光二極管的光源穩(wěn)定，本文采用運放op495和NPN型三極管作為恒流源電路向發(fā)光二極管提供穩(wěn)定的工作電流，光源驅(qū)動電路如圖2所示。2.2 光電轉(zhuǎn)換電路光敏二極管的特性是將光信號轉(zhuǎn)換為電流，而隨后的A/D轉(zhuǎn)換電路是以電壓為檢測對象。因此，接收電路中應(yīng)采用電流電壓變換電路，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。運算放大器與電阻R形成電流電壓變換電路，如圖3所示。（圖中S_GND為信號地，運算放大器工作正負電源為

6、5V、0V，為避免信號丟失，將信號抬高至VS_GND=1V。）電路輸出電壓。 圖2 發(fā)光二極管驅(qū)動電路 圖3 光敏二極管的電流電壓轉(zhuǎn)換電路3信號采集及處理系統(tǒng) 由于光電脈搏波屬于緩慢變化的微弱生理信號，信噪比低，極易受到環(huán)境噪聲和肢體運動的干擾。傳統(tǒng)的光電脈搏波信號檢測電路都采用高增益放大器，以獲得較高的檢測靈敏度，這種設(shè)計思路導致了檢測信號動態(tài)范圍縮小，在受到運動干擾時，將導致由于干擾信號而帶來的光電脈搏波信號檢測的飽和失真。本系統(tǒng)采用過采樣技術(shù)，通過對信號的高速采樣來提高采樣精度，相當于用高分辨率的ADC對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，達到了提高信噪比并改善動態(tài)范圍的效果。因此本系統(tǒng)對經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的

7、信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換而不需要任何信號調(diào)理（放大和濾波）電路。3.1 過采樣技術(shù)的應(yīng)用所謂過采樣技術(shù)是指以遠遠高于奈奎斯特(Nyquist)采樣頻率的頻率對模擬信號進行采樣的方法。由信號采樣量化理論可知，若輸入信號的最小幅度大于量化器的量化電平，并且輸入信號的幅度隨機分布，則量化噪聲的總功率是一個常數(shù)，在0fs2的頻帶范圍內(nèi)均勻分布8。因此量化噪聲電平與采樣頻率成反比，如果提高采樣頻率，則可以降低量化噪聲電平，而由于基帶是固定不變的，因而減少了基帶范圍內(nèi)的噪聲功率，提高了信噪比，從而提高分辨率，并且采樣頻率每提高4倍，則信噪比提高4倍，相當于A/DC的分辨率提高1位9。本文設(shè)計的脈搏檢測系統(tǒng)正是利用

8、了這一原理，在A/DC過采樣之后進行數(shù)字濾波，大部分噪聲被數(shù)字濾波器濾掉，這樣量化噪聲就降低了，即提高了系統(tǒng)信噪比。系統(tǒng)采用FIR結(jié)構(gòu)的滑動平均濾波器，在過采樣之后對數(shù)據(jù)進行數(shù)字抽取濾波。滑動平均濾波器系統(tǒng)傳遞函數(shù)為。該濾波器的作用是濾波、抽取和抗混疊。濾波器為一個數(shù)字低通濾波器，主要是濾除采樣信號頻帶以外的高頻量化噪聲，并維持信號頻帶以內(nèi)的信號基本不變，相當于增加了數(shù)字信號的有效分辨率；抽取是將采樣得到的高速低分辨率的數(shù)字信號的抽樣頻率降至奈奎斯特采樣頻率，進而完成高分辨率數(shù)字信號的重構(gòu)；抗混疊主要是濾除降低取樣頻率后可能出現(xiàn)的混疊噪聲。本文利用ADC841單片機內(nèi)部的12位ADC對光電轉(zhuǎn)換

9、后的02.5V 的電信號進行采樣，由于本身具有一定的分辨率，要求的過采樣倍數(shù)不會太高，ADC的速度可以滿足應(yīng)用。而數(shù)字濾波和抽取均通過軟件來實現(xiàn)，配置靈活。3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)的硬件平臺的核心為ADuC841，其片內(nèi)微控制器是一個優(yōu)化的單指令周期8052 閃存MCU，它的指令系統(tǒng)保持與8051指令系統(tǒng)兼容。ADuC內(nèi)程序主要功能為：1）系統(tǒng)初始化；2）改變DAC0電平狀態(tài)，驅(qū)動紅外光二極管；3）管理ADC進行數(shù)據(jù)采集；3）數(shù)字濾波處理4）與中央監(jiān)測系統(tǒng)或計算機進行實時數(shù)據(jù)傳輸。本文選用ADI公司的單片機ADmC841，其內(nèi)部集成了速度可達400k的12位逐次逼近型ADC，模擬輸入范圍是0

10、2.5v，則分辨率為0.6mv/LSB。從軟件需求和單片機速度出發(fā)，將ADC采樣率fs定為102.4kHz，為便于計算，將過采樣倍數(shù)k定為64，則下抽取后采樣率為f為：fs/k=1600Hz，是頻率為400Hz載波的四倍，滿足奈奎斯特采樣定理。由于過采樣倍數(shù)k為64，按每提高4倍采樣率就能提高一位分辨率來計算，獲得的ADC有效分辨率能提高3位，最后能達到約15位精度，其分辨率可達到0.0763mv/LSB。過采樣和數(shù)字濾波的實現(xiàn)都是在AD中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)的。集成于單片機上的ADC由定時器2產(chǎn)生用于A/D轉(zhuǎn)換的重復觸發(fā)信號，因此需要通過設(shè)置T2寄存器重新裝載的值來獲得102.4kHz的采樣率，

11、參考信號取自片上自帶的2.5V基準電壓，設(shè)置ADCCON1#0B2H，ADCCON2#00H。定時器2是一個具有16位自動重裝載功能的定時器，作定時器用時，TH2和TL2計的是機器周期數(shù)，TH2和TL2內(nèi)容的自動重裝載通過寄存器RCAP2H和RCAP2L來實現(xiàn)。對這四個寄存器都進行初始化，自動裝載值為#0FFCAH。 在數(shù)據(jù)采集中, 為了保證采集數(shù)據(jù)的不失真和適當?shù)木_度, 必須選擇合適的采樣頻率。人體脈搏正常跳動約為60 次/ 分左右, 即跳動頻率在1Hz 左右，本系統(tǒng)為了更好的消除50Hz工頻干擾，系統(tǒng)以50Hz的數(shù)據(jù)輸出率對數(shù)據(jù)進行下抽取，抽樣比為2048。中斷程序中的數(shù)字處理包括如下步

12、驟：(1)將脈沖載波的高電平時段內(nèi)的數(shù)據(jù)累加2048/（2*64）16次，(2)將脈沖載波低電平時段內(nèi)的數(shù)據(jù)累加2048/（2*64）16次,(3)用步驟(1)中的數(shù)據(jù)減去步驟(2)中的數(shù)據(jù)，便得到了解調(diào)后以50Hz的數(shù)據(jù)輸出率輸出的一個數(shù)據(jù)點。經(jīng)過上述對信號的解調(diào)，有效去除背景光、雜散光的干擾。程序同時實現(xiàn)了過采樣算法中的濾波和下抽取。 脈率計算程序包括如下步驟：將得到的數(shù)據(jù)以雙字節(jié)存入ADmC841的XRAM中（2304字節(jié)）。從0000H 開始,在60個樣本數(shù)據(jù)中尋找最大值, 并確定其位置即波峰位置, 之后尋找緊挨著它的第二個波峰,采用軟件計數(shù)器計算兩者間的距離即其點數(shù)，然后按照脈率計算

13、公式：脈率采樣頻率/ 相鄰兩波峰60 5060/ 相鄰兩波峰，計算出脈率, 并將其存儲。當脈搏檢測系統(tǒng)與中央監(jiān)測系統(tǒng)或計算機進行實時數(shù)據(jù)傳輸時，通過設(shè)置定時器T3的控制寄存器T3CON為#86H，T3FD為 08H，得到9600的串口波特率。ADuC841發(fā)送握手信號與系統(tǒng)機建立通信，當握手成功后，系統(tǒng)開中斷并將轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)據(jù)送交系統(tǒng)應(yīng)用程序進行處理。所得到的光電脈搏波波形如圖4所示。圖4 光電脈搏波波形顯示4結(jié)束語脈搏檢測中關(guān)鍵技術(shù)是傳感器的設(shè)計與傳感器輸出的微弱信號提取問題, 本文設(shè)計的脈搏波檢測系統(tǒng)以光電檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，并采用了脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)消除周圍雜散光、暗電流等各種干擾的影響。

14、并利用過采樣技術(shù)和數(shù)字濾波等數(shù)字信號處理方法，代替實現(xiàn)模擬電路中的放大濾波電路的功能。本系統(tǒng)模擬電路簡單，由ADmC841芯片實現(xiàn)脈搏信號采集，信號處理和脈搏次數(shù)的計算等功能，因此體積小，功耗低，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。本系統(tǒng)可實現(xiàn)脈搏波的實時存儲并可實現(xiàn)與上位機( PC 機) 的實時通訊, 因此可作為多參數(shù)病人中心監(jiān)護系統(tǒng)的一個模塊完成心率檢測和脈搏波形顯示。參考文獻1 歐陽俊，謝定等，基于BL-410 的指端脈搏波采集系統(tǒng)應(yīng)用研究，實用預(yù)防醫(yī)學，2004，第11卷第2期2 韓文波，曹維國，張精慧，光電式脈搏波監(jiān)測系統(tǒng)，長春光學精密機械學院學報，1999，第22卷第4期3 朱國富，廖明濤，王博亮，袖珍式脈搏波測量儀，電子技術(shù)應(yīng)用，1998，第1期4 劉云麗，徐可欣等，微功耗光電式脈搏測量儀，電子測量技術(shù)，2005，第二期5 程詠梅，夏雅琴，尚嵐，人體脈搏波信號檢測系統(tǒng)，北京生物醫(yī)學工程，2006，第25卷第5期6 劉文，楊