基于STC89C52的多通道脈搏采集系統(tǒng)設(shè)計

摘要：脈搏是臨床檢查和生理研究中常見的生理現(xiàn)象。脈搏波的波幅和形態(tài)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(jù)。脈搏波采集儀就是利用仿生學(xué)原理結(jié)合人工智能對脈搏診斷過程進(jìn)行模擬的儀器。針對現(xiàn)有的脈搏信號采集系統(tǒng)不能準(zhǔn)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(tǒng)設(shè)計方案，整個方案以單片機STC89C52為核心，結(jié)合放大、帶通濾波電路、A／D轉(zhuǎn)換和串行通信模塊，經(jīng)過實驗，實現(xiàn)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(guān)、尺三處的脈搏渡信號完成了采集。
關(guān)鍵詞：脈搏波；取脈壓力；單片機；A／D轉(zhuǎn)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(nèi)功能變化的窗口，可以為診斷疾病提供重要依據(jù)。但是傳統(tǒng)脈診主要依賴于醫(yī)者的經(jīng)驗和主觀判斷，再加上被診者的個體差異使得脈象的辨認(rèn)、識別缺乏統(tǒng)一、精確的標(biāo)準(zhǔn)。因此，脈搏采集系統(tǒng)的研制有助于脈診的客觀化研究。脈搏采集系統(tǒng)設(shè)計難點在于如何模擬醫(yī)者手指，在最佳取脈壓力下獲取清晰的脈搏波譜，并根據(jù)不同的壓力變化，完成對寸、關(guān)、尺三個脈位復(fù)雜脈象的提取和識別。
自20世紀(jì)50年代以來，對于脈學(xué)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(jìn)展。英國人Marey最早設(shè)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(xiàn)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(xiàn)了杠桿式光學(xué)脈搏描述器。20世紀(jì)50年代我國學(xué)者朱顏首次將杠桿式脈搏描記器引用到中醫(yī)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(yī)切脈的手指，采集并記錄了脈搏信號。
國內(nèi)外典型的脈象診斷儀如：由北京醫(yī)療器械總廠生產(chǎn)的BYS-14型脈象儀和北京斯脈福生產(chǎn)的28脈脈象儀能對脈搏波進(jìn)行檢測重現(xiàn)，并能識別臨床中醫(yī)常見37種脈象圖。ZM-Ⅲ型智能脈象儀由上海中醫(yī)藥大學(xué)研制，是我國當(dāng)前較先進(jìn)的一種脈象儀，能自動采集脈象信號，并將中醫(yī)脈象的位、數(shù)、形、勢和脈圖的各項特征參數(shù)作自動分析處理。為了達(dá)到分層取脈的目的，日本Colin公司研制生產(chǎn)的CMB-3000／2000型橈動脈脈波檢測儀利用張力法測量原理進(jìn)行無損傷連續(xù)血壓監(jiān)測。
本文主要從脈搏傳感器的選擇，信號調(diào)理電路的設(shè)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(guān)、尺三處脈位在浮、中、沉等不同狀態(tài)下的信號采集，為脈診客觀化的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

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(shù)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(zhǔn)直流信號，也可看成是一個低頻交變信號。根據(jù)脈搏功率譜能量分析，健康人脈搏能量絕大多數(shù)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(dāng)一部分的能量分布。
(3)復(fù)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(huán)境、時間、氣候的影響，表現(xiàn)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(xiàn)出相同的脈象。

2 采集系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)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(shè)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(tǒng)。經(jīng)過調(diào)理的模擬信號通過A／D轉(zhuǎn)換，采集到單片機中，并立即通過串口與上位機進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)進(jìn)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(dá)到對腕帶壓力實時控制的目的。
(5)脈搏波形重現(xiàn)。通過上位機軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形重現(xiàn)。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計
系統(tǒng)以單片機STC89C52為核心，外設(shè)電路由傳感器，信號調(diào)理電路，A／D轉(zhuǎn)換器組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方案總體設(shè)計如圖2所示。
系統(tǒng)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(tài)信息轉(zhuǎn)換為電壓信號，方便采集，是整個采集系統(tǒng)的關(guān)鍵。
BP300T壓力傳感器 用于對整個加壓過程的壓力監(jiān)測，實現(xiàn)在不同的取脈壓力下對脈搏信號進(jìn)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(jìn)行合適的放大，使其滿足電壓的轉(zhuǎn)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。