脉搏信号采集系统的设计

烟台大学毕业论文（设计）1第一章绪论脉诊传统中医中最具有特色的诊断方法之一，是中医理论体系中必不可少的组成部分。脉象（脉搏信号）能反馈出人体各部分的生理与病理信息，是反映人体内部各种功能变化窗口，可以为疾病的诊断提供重要的参考依据。脉诊在临床医学的运用十分广泛，涉及到医学很多领域，医生根据脉象的变化，可以测知人体的健康状况，推断病源的出处，以便为开处方提供依据。但是中医的把脉全凭借的是多年的经验的积累，存在主观上因数素，有时候很容易出现失误。如果客观的对人体的脉搏信号进行采集处理，最后送到上位机进行分析，研究就可以尽可能减少人为判断上的主观失误，从而为医学上病理的诊断提供更安全可靠地依据。1.1课题提出的意义脉搏是人体生理参数中重要非常重要的参数之一，它包含了人体丰富的病理和生理信息，具有十分重要的生理和临床诊断参考价值。但脉搏信号是一种含有很强噪声的低频微弱信号，含有随机性强、频率低等特点，极易受到检测系统内部噪声和外界刺激(环境、温度)的于扰，必须对检测到的脉搏信号做一系列的处理，如滤波、放大，才可获取高精确度，不失真的脉搏信息，从而为医学分析研究提供准确、有效的脉搏数据源口。当代以来，随着电子技术和计算机技术的发展。人们能够将人体脉搏信号提取出来，直观地显示在各种显示器上。特别是人体脉搏测量仪的出现．大大地推动了医学的发展，为人类的健康做出了巨大贡献。人们通过观察和分析人体脉搏波形，能够更快更精确地诊断各种病症。当前。虽然人们已经制造出了各种各样的脉搏测量仪，但人们对脉搏测量仪的进一步研究依然在火热进行中，我认为设计一个，简单、实用、准确的脉搏信号采集系统十分必要，也具有很强的实用意义。本论文设计的人体脉搏信号提取系统是参考国内外先进的信号采集系统的基础上，进行进一步开发，优化得到的脉搏信号提取系统，具有很强的实用性。1.2课题所要达到的指标本课题所要达到的指标为：(1)对脉搏传感器输出的信号通过信号调理电路对脉搏信号进行滤波、放大，提升的处理以便得到干净的信号。(2)把经过信号调理电路处理的信号进行模数转换，为上传到上位机做准备。(3)实现采集装置与上位机之间的数据传送。烟台大学毕业论文（设计）2第二章采集系统的总体设计方案从工作方式的角度分析，人体脉搏信号采集系统可以分为两大类：一是将人体的脉搏信号的采集与运算等一系列功能在一个脱机系统中完成，这类系统常常采用DSP(数字信号处理器)这种具有高速运算能力的器件来构成。一般运用于便携式医疗检测设备中。另一类是运用基于单片机、放大器、A/D转换器、等器件设计的硬件采集设备对人体脉搏信号进行采集，然后将其传送到上位机，通过上位机强大的运算能力和分析能力，来实现对人体脉搏信号的分析。主要应用于临床医学领域对疾病进行详尽的分析。本设计是第二类，采用一种采用美信公司最近推出的新型模数转换器MAX1240芯片进行电压数据采集，并由单片机串口将数据发送出去的简单电路，MAX1240由单片机发出的时钟信号与使能信号驱动，将输入的模拟电压值转换为12位的数字值输入到单片机，单片机再将此数据处理为2个字节，低位字节为低8位数据，高字节的低4位为数字电压值的高4位，进行数据处理后再通过串口发送出去。单片机的稳定性与低耗能性，是基于单片机构建成的信号采集系统具有成本低、电路简单，稳定的优点，同时又能很好满足信号采集系统的要求。2.1系统设计原则基于脉搏信号采集系统由硬件检测和上位机软件分析两部分组成，在设计和研发过程中我们要遵循原则如下。(1)安全原则脉搏信号检测系统是一款直接与直接人体接触的医疗设备，因此保证人身安全应作为设计的最重要原则。(2)准确原则设计系统后期分析诊断的准确性取决于所提取脉搏信号的准确性。错误的信息将导致错误的医学分析结果，将对人体的健康产生巨大的严重的后果，有事甚至会付出生命的代价。脉搏信号的缺点使它易受到外界信号(如50Hz的工频干扰，人体温度的干扰)的干扰，因此在计中时需要要采取一切必要的措施保证信号的真实性，防失真不失真。(3)可靠原则医用系统一定要保证系统工作的稳定性与可靠性。这是设计必须保证的。(4)易用原则考虑本设计的脉搏信号采集系统系统的设计主要面向家庭而非医院用户，用于动烟台大学毕业论文（设计）3脉硬化的和妊高征检测早期检测，大多数用户对电子产品和计算机的使用能力有限，因此简单、易学、易操作是对采集系统的基本要求。(5)便于更新升级本设计的系统的主要功能是对所脉搏信号进行采集、处理、而后传送到上位机中，进行脉搏波分析系统，以便进行中医脉象、心血管功能检测、妊高征检测等检测，需要对系统不断进行更新以增加识别的精确性，所以设计需要考虑对系统功能的更新要求。2.2总体结构框架本系统主要由传感器脉搏信号调理模块、A/D采样电路、单片机、电源系统、通信接口电路组成，如图2-1所示。其中，脉搏信号调理模块包括前置放大电路、调零电路、50Hz陷波电路、带通滤波电路及二级放大电路和电压提升电路；调理后的信号由12位A/D转换器MAX1240采样到STC89C52RC单片机；电源系统为各功能模块提供所需的直流电压；脉搏信号的智能分析软件是在上位机中运行的。图2-1总体结构框图2.3脉搏信号的提取古今脉诊，获取脉动信息给临床分析的部位、信息量，均会影响到临床分析的结果。理论上讲，获得的信息量越大、越有效，分析的结果越准确。从解剖生理学角度来说，寸口离心脏距离相对较远，而人迎脉距离心脏的距离相对较近。人迎脉反映的血压、血流等心血管信息量比寸口反应的多，能反映人体的整体的病理生理状况。根据《难经》记载，古代也是以“独取寸口”来提取脉搏信号，现代脉诊研究，也从寸口部获取脉搏压力信息、波形信息。“独取寸口”在方便提取脉博信号的同时，能否全面反映出人体的整体的病理生理状况，是否丢失海量信息？这是诊断方法学上的误区。“独取寸口”采集的信息是否可以替代“三部九候”所采集获得的信息，满足中医辨证所需?从信息量叠加的原理，显然可见寸口、人迎、趺阳或遍诊取脉参与分析，对有效诊断的贡献应该大的多。基于此假设，我们在实现一部取脉的脉动信息采集与烟台大学毕业论文（设计）4识别技术的字化、可视化的基础上，初步对“独取寸口法”与“遍诊法”所获得的信息进行信息学的比较，旨在从信息学的角度对“心中易了，指下难明”的切诊技术及“独取寸口”的科学含义给以定量的阐述。寸口指的是桡动脉寸、关、尺三部位，如图2-2所示。之所以从桡动脉处采集脉搏信息，首先是因为其动脉行径比较固定，解剖位置比较浅，毗邻组织比较分明，是信号采集的有利位置；其次寸口是全身经脉之气汇集处，能反映五脏六腑的气血盛衰和功能情况，携带大量的人体生理病理信息。图2-2寸口取脉图本设计采用的脉搏传感器是华科电子研究电子生产的HK2000B型压电脉搏传感器。HK-2000B型脉搏传感器采用高度集成化工艺，将灵敏度温度补偿元件、力敏元件（PVDF压电膜）、感温元件、信号调理电路集成在传感器内部，其输出信号为模拟信号。主要特点：1)灵敏度高。2)抗干扰性能强。3)过载能力大。4)一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长。HK2000B型压电脉搏传感器的外形如图2-3所示，固定方法如图2-4所示，HK-2000B技术指标：1)电源电压：5～6VDC2)压力量程：-50～+300mmHg3)灵敏度：2000uV/mmHg4)灵敏度温度系数：1×10-4/℃5)精度：0.5%烟台大学毕业论文（设计）55)重复性：0.5%6)迟滞：0.5%7)过载：100倍图2-3HK2000B脉搏传感器图2-4HK2000B脉搏传感器固定方法烟台大学毕业论文（设计）6第三章信号调理电路的设计脉搏是人体生理参数中重要的参数之一，它含有许多反应人体生理和病理的信息，具有重要的生理和临床诊断参考价值。但脉搏信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，具有随机性强、频率低的特点，极易受到检测系统内部噪声和外界刺激(环境、温度)的于扰，必须对检测到的脉搏信号做一系列的处理，如滤波、放大，才可获取高精确度，不失真的脉搏信息，从而为医学分析研究提供准确、有效的脉搏数据源口。因此，研究脉搏信号调理电路对整个脉搏信号检测系统具有十分重要的意义。3.1设计要求脉搏信号取自人体表面动脉，信号源输入阻抗较大，且幅值小、频率低，极易受到噪声的干扰。因此，对脉搏信号调理电路提出如下要求：(1)高输入阻抗：由于信号源阻抗较高，脉搏信号很微弱，若输入阻抗不高，经分压后信号会更小，会使脉搏信号有严重损失甚至畸变；(2)增益：由于HK2000B型压电脉搏传感器的输出范围约为-0.2～0.6V，为了提高AD采样后信号的分辨率，应对信号进行适当放大。根据所选择的A/D转换器的输入参考电压范围为0～3.3V，所以脉搏信号放大器的放大倍数应在20倍内可调；(3)高共模抑制比：是用来消除市电50Hz的工频干扰；(4)低噪声：在信号调理电路中噪声主要为电子线路的固有热噪声和和散粒噪声，必须保证他们不湮没微弱的脉搏信号；(5)低漂移：防止放大电路出现饱和失真现象；(6)适合的带宽：以有效地消除噪声干扰，防止采样重叠；(7)高安全性：确保其对人体的的伤害为零，主要考虑电气安全，辐射的要求。3.2调理电路设计方案基于脉搏信号的上述要求，本设计的信号调理模块有前置放大电路、调零电路、50Hz工频陷波电路通滤波电路、主放大电路和电压提升电路组成，其原理框图如图3-1所示。图3-1信号调理电路的原理框图烟台大学毕业论文（设计）73.3前置放大电路前置放大电路主要功能是对检测到的脉搏信号进行线性放大和消除干扰信号，其性能的好坏程度直接决定了后续信号处理系统对数据分析处理的正确性。针对脉搏信号的幅值小，频率低的特点，应当采用适当增益、输入阻抗高、高共模抑制比、低噪声、线性工作范围宽和低漂移的并联差动三运放仪表放大器。针对脉搏信号处理的要求，通过综合比较分析，本电路选择体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广的AD620作为一级放大电路的主体芯片。可用电池驱动方便应用于可携式器材中AD620参数特点：精确度高、使用简单、低噪声；高输入阻抗：10GΩ，2pF；高共模抑制比高(CMR)：100dB；低输入抵补电压(InputoffsetVoltage)：50uV；低输入偏移电流(Inputbiascurrent)：1.0mA；低消耗功率：1.3mA。性能参数见表3-1。表3-1AD620的性能参数项目规格特性备注增益范围1～1000只需一个电阻即可设定电源供应范围±2.3V～±18V-低耗电量Maxsupplycurrent=1.3mA可用电池驱动，方便应用于可携式器材中精确到低补偿电压：VOFFSET(max)=50uV漂移电压：0.6uV/℃(max)-低噪声在1KHz的条件下为9nV/Hz-应用场合ECG量测与医疗器材、压力量测、V/I转换、数据撷取系统等。-前置放大电路的具体电路如图3-2所示。AD620使用方便，增益可通过改变引脚l和引脚8之间的电阻来调节，计算公式如下：G=49.4KΩRg+1(3-1)式中，G为增益计算可得：烟台大学毕业论文（设计）8Rg=49.4KΩG−1(3-2)脉搏信号和噪声同时经过这一级电路放大，在放大脉搏信号的同时噪声也被放大。噪声幅度过大，则对于后级电路处理非常不利，使得后级信号处理电路难以有效消除噪声干扰。所以，前置放大电路放大倍数不宜太大，本级增益设置为2，根据电阻的标称值,此时在引脚1和引脚8之间接一个精度为0．0l％、阻值为49.9kΩ的金属膜电阻R1。图3-2前置放大电路3.4调零电路设计调零电路能够进一步抵消由于肌肉抖动、紧张、呼吸颤抖等的那份外界因素引起的漂移的功能，从而在输人为零的时候，能够保证整个电路的输出也为零。本设计所用到的所有运算放大器均采用TL084，其主要特性如下：（1）输入阻抗极高，大于1012Ω；（2）失调电流极低，小于5Pa；（3）低温漂，小于1uV/℃；（4）共模抑制比大于80dB；（5）开环效益较高，大于11dB；本电路采用的是广泛使用的同相端输入外部调整调零电路，