一種可監(jiān)測人體脈搏波的汽車方向盤輔助裝置

一種可監(jiān)測人體脈搏波的汽車方向盤輔助裝置蘆楊;楊琳;王瑩;張松;楊益民;李旭雯【摘要】目的脈搏波的波形特征與心血管疾病密切相關(guān).本文擬設(shè)計一種安裝在汽車方向盤上的能獨立實時監(jiān)測脈搏波信號的輔助裝置,在駕駛員無意識下獲取其血流動力學(xué)的相關(guān)信息，為監(jiān)測健康狀況提供數(shù)據(jù)支持.方法該裝置利用置于方向盤套表面的反射式脈搏波光電傳感器采集脈搏波信號.經(jīng)過濾波、放大和A/D轉(zhuǎn)換，利用嵌于方向盤助力器內(nèi)的配套裝置對脈搏波信號進(jìn)行數(shù)字處理，實現(xiàn)對脈搏波信號周期的確定、心率和平均動脈壓數(shù)據(jù)的計算，以及信號和數(shù)據(jù)的存儲.最后將處理后的脈搏波波形、心率數(shù)據(jù)及平均動脈壓顯示在配套裝置的液晶顯示屏上，還可通過配套裝置中的SD卡接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及存儲.結(jié)果經(jīng)受試者實際測試,傳感器能夠準(zhǔn)確測出手指脈搏波并輸出，使得方向盤套和助力器具有測量脈搏波、心率及平均動脈壓的功能結(jié)論該汽車方向盤輔助器可為用戶實時監(jiān)測脈搏波、心率和平均動脈壓幫助使用者實時監(jiān)測自己的健康狀況.【期刊名稱】《北京生物醫(yī)學(xué)工程》【年(卷)，期】2013(032)006【總頁數(shù)】5頁(P632-636)【關(guān)鍵詞】脈搏波;心率;平均動脈壓;光電傳感器;方向盤【作者】蘆楊;楊琳;王瑩;張松;楊益民;李旭雯【作者單位】北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院北京100124;北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院北京100124;北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院北京100124;北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院北京100124;北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院北京100124；北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院北京100124【正文語種】中文【中圖分類】R318.04現(xiàn)代社會，隨著人們生活水平的不斷提高，生活方式、飲食結(jié)構(gòu)的不斷改變，高血壓、冠心病、動脈硬化等心血管疾病已成為常見病和多發(fā)?。?］。在心血管疾病初期，雖然患者還沒有自覺癥狀，但血壓、血流、血管阻力、血管彈性和血液黏性等一系列心血管、血流參數(shù)卻已發(fā)生了變化，并首先反應(yīng)在脈搏波的波形變化中［2-3］，大量的臨床實測結(jié)果證實，脈搏波的特征與心血管疾病有著密切的關(guān)系［4］。脈搏波所表現(xiàn)出來的形態(tài)、強度、速率與節(jié)律等方面的綜合信息在相當(dāng)程度上反映出人體心血管系統(tǒng)的許多生理和病理特征［5-6］。因此通過對脈搏波所提取的血流信息進(jìn)行分析，就可能預(yù)測出心血管疾病發(fā)生的可能性，及時采取措施可有效地減少危險因素，使癥狀得到緩解和改善。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，汽車成為人們最常用的交通工具，人們對汽車品質(zhì)越來越重視，對應(yīng)用于汽車內(nèi)外的配部件的創(chuàng)新性、安裝便利性等的要求也越來越高［7］。因此本設(shè)計有效地利用汽車方向盤、助力器的資源，使方向盤套和助力器有測量人體脈搏波及心率等血流動力學(xué)參數(shù)的功能，幫助使用者實時監(jiān)測自己的健康狀況?，F(xiàn)今脈搏波無創(chuàng)檢測技術(shù)已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，而普通的脈搏波檢測裝置多為大型的手動測量儀器或需將脈搏波傳感器按壓到用戶的手腕上，用袖帶固定，不便于用戶測量。本文擬設(shè)計一個汽車方向盤輔助裝置用于監(jiān)測脈搏波信號，該設(shè)計采用將傳感器和實用方向盤套、助力器結(jié)合的方式，在很大程度上方便了儀器的安裝和移動，提高了儀器的靈活應(yīng)用能力，同時在脈搏波檢測基礎(chǔ)上添加了通信功能，使用SD卡便可實現(xiàn)對采集到的脈搏波信號進(jìn)行存儲和傳輸，最重要的是，在駕駛員手握方向盤的同時無意識地測量脈搏波信號，測量方法簡便，無需專業(yè)人員進(jìn)行操作，為使用者帶來了便利。汽車方向盤輔助裝置系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括方向盤套和設(shè)置于助力器中的配套裝置兩大部分。其中，方向盤套中含有實時監(jiān)測用的脈搏波信號光電傳感器；設(shè)置于助力器中的配套裝置部分劃分為以下5個模塊：脈搏波模擬信號預(yù)處理模塊、脈搏波信號及數(shù)據(jù)分析處理模塊、脈搏波信號及數(shù)據(jù)顯示輸出模塊、電源供電模塊、通信模塊。總體框圖如圖1所示。通過反射式脈搏波光電傳感器［8］采集到駕駛員的脈搏波信號，將脈搏波信號傳送到脈搏波模擬信號預(yù)處理模塊中，對采集到信號進(jìn)行濾波、放大處理；再將預(yù)處理后的脈搏波信號傳輸?shù)矫}搏波信號及數(shù)據(jù)分析處理模塊，對脈搏波信號進(jìn)行數(shù)字處理，計算出心率、平均動脈壓數(shù)據(jù)，其中脈搏波信號及數(shù)據(jù)分析處理模塊采用單片機C8051F020；然后分別通過脈搏波信號及顯示輸出模塊和通信模塊實現(xiàn)對脈搏波信號和心率、平均動脈壓數(shù)據(jù)的顯示、存儲和傳輸。1.1反射式脈搏波光電傳感器在方向盤回正的狀態(tài)下，即車輪無偏角時，正常操作方法為，左手放在9點鐘位置，右手放在3點鐘位置。因此，將反射式脈搏波光電傳感器設(shè)置于方向盤套的大約9點鐘方向的夕卜側(cè)邊緣，便于測量指端脈搏波。方向盤助力器設(shè)置于方向盤的大約10點鐘方向，液晶顯示器設(shè)置于方向盤助力器的夕卜表面，如圖2所示。反射式脈搏波光電傳感器，采用HG40系列反射式傳感器，光電傳感器能夠?qū)⒖梢姽廪D(zhuǎn)換成某種電量［4］。紅外發(fā)光二極管作為快速光源，3DU5系列光電三極管作為接收管，組成紅外發(fā)射-接收對管。光從紅外發(fā)光二極管快速光源發(fā)出后，透過皮膚和組織，除一部分光被皮膚、肌肉、血液和指甲等吸收外，一部分由血液反射回，由3DU5系列光電三極管轉(zhuǎn)換為電信號，同時為防止外部光源干擾脈搏波信號的采集，傳感器外部覆有直徑1cm的濾光片，對外部光源進(jìn)行過濾。1.2信號預(yù)處理電路通過脈搏波模擬信號預(yù)處理模塊的信號預(yù)處理電路實現(xiàn)對脈搏波信號的濾波和放大。由于光電傳感器拾取的脈搏波信號十分微弱，僅為毫伏量級，于是設(shè)置脈搏波放大電路，并采用MCP6002芯片作為運算放大器。人體脈搏波信號頻率較低，其頻譜主要分布在0~20Hz之間［9］,因此通過低通濾波器可以有效地濾除50Hz工頻干擾及其他的高頻噪聲干擾。經(jīng)過放大、濾波后的脈搏波信號能有效地被脈搏波信號及心率、平均動脈壓數(shù)據(jù)分析處理模塊中的單片機采集、處理。1.3脈搏波信號及數(shù)據(jù)分析處理模塊脈搏波信號及數(shù)據(jù)分析處理模塊采用單片機(C8051F020)［10］處理技術(shù)，使經(jīng)過放大、濾波后的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。針對單片機要實現(xiàn)的功能進(jìn)行功能模塊設(shè)定，包括：脈搏波信號模/數(shù)采集模塊；脈搏波信號平滑濾波模塊；心率、平均動脈壓計算模塊；信號存儲模塊和液晶控制模塊，如圖3所示。在脈搏波信號模/數(shù)采集模塊中，設(shè)定合理的采樣頻率，利用單片機自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊對脈搏波信號進(jìn)行采集存儲，將采集到的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。在數(shù)據(jù)緩存后，將脈搏波數(shù)字信號輸入到脈搏波信號平滑濾波模塊，在次模塊中對脈搏波數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字濾波，經(jīng)過濾波后的脈搏波去除了雜波等電磁信號的干擾，采集到的脈搏波在處理后，波形比較平滑，同時波形的形狀與幅值基本沒有改變。再將經(jīng)過脈搏波信號平滑濾波模塊濾波后的信號傳輸?shù)叫穆?、平均動脈壓計算模塊，進(jìn)行心率、平均動脈壓計算。心率計算模塊，把采集到的連續(xù)脈搏波信號，按單個完整周期的脈搏波波形進(jìn)行分離，采用五點差分閾值法來尋找脈搏波波形的起始點，提取單波，算出脈搏波波形的極值點和周期，便于心率及心血管參數(shù)的計算［11］，同時將脈搏波信號及計算出的心率數(shù)據(jù)傳送至信號存儲模塊和液晶控制模塊中。平均動脈壓計算?？?，采集到的連續(xù)脈搏波信號計算其每搏特征參數(shù)，并測定法測出收縮壓和舒張壓。通過MAP=Ps+1/3(Ps-Pd)公式計算出,將計算出的平均動脈壓數(shù)據(jù)傳送至信號存儲模塊和液晶控制模塊中。1.4脈搏波信號及數(shù)據(jù)顯示輸出模塊為了將脈搏波信號波形和心率、平均動脈壓數(shù)據(jù)在液晶顯示屏上顯示出來，需要采用脈搏波信號及數(shù)據(jù)顯示輸出模塊，將液晶顯示屏上的液晶驅(qū)動TFT-40和74F373芯片相連，通過液晶驅(qū)動TFT-40和鎖存器74F373芯片將脈搏波波形和心'率數(shù)據(jù)顯示在助力器表面的小型液晶顯示屏上。同時，74F373芯片的輸入端與TFT40的輸出端相連，以確保TFT管腳的正常運行，如圖4所示。1.5電源供電模塊由于各個模塊需要工作電壓供電，而且每個模塊對驅(qū)動電壓的要求不同，所以本設(shè)計將鋰電池充電電路和電壓轉(zhuǎn)換電路共同構(gòu)成電壓供電模塊。其中，鋰電池充電電路采用CN3068芯片，可提供4.2V電壓，該芯片內(nèi)部包括功率晶體管，應(yīng)用時不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管，當(dāng)輸入電壓掉電時CN3068自動進(jìn)入低功耗的睡眠模式，此時電池的電流消耗小于3pA,如果輸入電壓低過鎖存，可自動再充電。并且可以用USB口或交流適配器對單節(jié)鋰電池充電，所以可用一條USB數(shù)據(jù)線將可充電鋰電池與汽車內(nèi)置點煙器相連，提供電源供給。電壓轉(zhuǎn)換電路用于將可充電鋰電池提供的4.2V的電壓轉(zhuǎn)換成適用于各個模塊工作的電壓。首先，選用BAUXX芯片將4.2V的電壓升壓至5V電壓，給液晶顯示屏供電；然后經(jīng)過AS1117芯片，將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V數(shù)字電壓和3.3V模擬電壓。3.3V用于給單片機C8051F020和脈搏波信號放大濾波電路供電。1.6通信模塊通信模塊選擇SD接口的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和傳輸。如圖5所示，將單片機與相應(yīng)的SD接口相連，可將脈搏波信號和心率數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，便于SD卡與電腦端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計為使用者提供了一種可測量人體脈搏波的汽車方向盤輔助裝置。此裝置可在使用者無意識下測量指端脈搏波信號，并在液晶屏上顯示出被測者的脈搏波波形和心'率、平均動脈壓數(shù)據(jù)，具有操作方便快捷、結(jié)果簡單直觀、攜便性好等特點，適合在日常生活中對心血管多參數(shù)進(jìn)行實時、快速的檢測。本裝置擺脫了對PC機的依賴，以方向盤和助力器為載體，實現(xiàn)脈搏波檢測裝置與方向盤的一體化設(shè)計；同時，在裝置中添加了通信功能，使用SD卡便可對測量者的脈搏波信號和心率、平均動脈壓數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和傳輸。為用戶檢測自身脈搏波信號帶來便利，也給家庭監(jiān)護(hù)創(chuàng)造了條件，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】徐誠，董圣男，劉成.基于藍(lán)牙技術(shù)的脈搏波檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2009,32(10):88-91.XuCheng,DongShengnan,LiuCheng.Designofpulse-wavemeasuringsystembasedonbluetooth[J].ElectronicMeasurementTechnology,2009,32(10):88-91.LeeCT,WeiLY,Spectrumanalysisofhumanpulse[J].IEEETransBiomedEng,1983,30(6);348-352.Santana,DanielBia,Zocalo,YaninaA;Armentano,RicardoL.Integratede-healthapproachbasedonvascularultrasoundandpulsewaveanalysisforasymptomaticatherosclerosisdetectionandcardiovascularriskstratificationinthecommunity[J].IEEEEngineeringinMedicineandBiologySociety,2012,3:287-294.沈海東.信號與心血管狀態(tài)關(guān)系的研究[D].上海：上海交通大學(xué),2007.ShengHaidong.Researchontherelationshipbetweenwrist-pulse-waveandcardiovascularpathologicaldiagnosis[D].Shanghai:ShanghaiJiaoTongUniversity,2007.王東明，張松，楊益民.脈搏波的無創(chuàng)檢測方式[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2010,29(4):436-439.WangDongming,ZhangSong,YangYimin.Methodsofnon-invasivepulsewavedetecting[J].BeijingBiomedicalEngineering,2010,29(4):436-439.LiJK,MelbinJ,RiffleRA,etal.Pulsewavepropagation[J].CircRes,1981,49(2):442-452.莊吳釧，劉四龍.一種汽車方向盤:中國，201872783U[P].2006.LiYinlin,HuangZhonghua,HuKaiboSource.Designandexperimentalanalysisofnovelrefractometerbasedonphotoelectricsensortechnology.AdvancedMaterialsResearch,2012:5211-5215.程詠梅，夏雅琴，尚嵐.人體脈搏波信號檢測系統(tǒng)[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2006,25(5):520-523.ChengYongmei,XiaYaqin,ShangLan.Ahumanbloodpulsesignaldetectingsystem.BeijingBiomedicalEngineering,2006,25(5):520-523.XuL,ChenZ,ZhangSL.Researchofserialcommunicationsystembase