便携式人体脉搏波形测量仪设计与实现*

蒋 维,乜国荃

(青海民族大学 物理与电子信息工程学院，青海 西宁810007)

在心脏的驱动下血液在人体血管中流动而形成脉搏，所以它不仅受到心脏状况的影响,同时要受到其他内脏参数的影响，因此，脉搏信息能反映人体内脏器官健康状况。中医脉诊就是通过施以轻重不同的压力，用其三指通过对腕部桡动脉处被称之为“寸、关、尺”部位的脉搏的感觉来诊断病人内部器官的病变和健康状况的[1]。不同年龄、不同性别、不同疾病的人的脉搏波形是不一样的。这就是中医诊脉看病的出发点。而诊脉技巧不是容易掌握的，不仅需要名医的指导传授更需要长时间的摸索积累。随着现代生物医学的发展，完全可以借助仪器仪表获取脉搏信息，如脉象仪，这种仪器功能强大不仅能精确绘制脉搏波形，同时能进行频谱分析，但不论从体积还是价格都无法在家庭使用，因此应设法设计家用便携式脉搏测试系统，目前有的便携式脉搏测试系统只能测脉搏次数，如欧姆龙电子血压脉搏测试仪，有的用的是采集终端，数据处理、绘图均由基于PC机的LabVIEW完成[2]，不够方便。也有的脉搏测试系统是基于单片机的，由于本身位数的限制其速度和精度都不高[3-4]。 国外对脉搏信息的提取也做了很多研究[5-7]，但大多数仍复杂不够方便。本文用32位的ARM微控制器设计并实现便携式家用脉搏波形测试系统，在液晶屏上直接显示脉搏波形，不仅速度快、精度高而且脱离PC，方便实用。

1 系统硬件电路设计

脉搏波形测量系统由脉搏传感器、放大电路、低通滤波器、A/D转换器、微控制器及触摸、显示电路构成。其系统的框架如图1所示。

脉搏传感器采用PT14M3，这是一款高灵敏度全桥生理压力传感器，它采用双岛微机械结构,桥阻为2.5～5.0 kΩ。与一般的压电式传感器相比，PT14M3的低频响应好(直流到 200 Hz),输出阻抗低,抗干扰能力强。其测压端直径8 mm左右，可模拟手指感测脉搏，4个压敏电阻构成全桥结构，在外加压力下,电桥失衡输出不为零,且压力在较小范围内时,输出电压与压力成正比[2]。

PT14M3的输出是一个典型的微弱的差分信号，由于存在皮肤的静噪信号、50 Hz的工频干扰等干扰信号，所以有用的差分信号容易被干扰信号淹没，如果在此应用中使用标准运算放大器，则不仅放大差分模拟信号，同时放大任何DC信号、噪声及其他的共模电压，最终即使最好的运算放大器也不能有效提取微弱信号。如果利用运算放大器构成二级差分放大电路其匹配电阻要求十分苛刻，否则仍无法提取有效信号。而仪表放大器是一种差分输入和相对参考点单端输出的闭环增益单元,具有输入阻抗很高、输出阻抗很低、共模抑制比（CMR）高的特征。

AD8228是ADI公司最新推出的高性能仪表放大器，具有非常高的增益精度和极低的漂移。由于内置增益设定电阻并经过激光微调，因此该器件的增益精度和增益漂移性能优于典型的仪表放大器。低电压失调(最大输入失调电压：50 μV)、低失调漂移(最大输入失调漂移 ：0.8 μV/℃)、 低 增 益 漂 移(增 益 漂 移 ：2 ppm/℃)、 高 增益精度和高共模抑制比的(100 dB)特点使这款器件特别适合用于医疗仪器设备。AD8228具有固定增益10或100， 当 2、3引脚断开增益为 10，2、3引脚短接增益为100[8]，在本方案中利用 AD8228作为主放大器且2、3引脚短接。由于脉搏信号主峰频率在1 Hz左右，能量较强的成分也在20 Hz以下，所以设计低通滤波器的上限截止频率为40 Hz。为此整个脉搏波形数据采集电路图如图2所示。电路输出接到A/D的输入端。

控制板模块采用深圳优龙科技有限公司的YLE2440核心板，板上采用SAMSUNG高性能ARM920T内核处理器S3C2440，工作频率为400 MHz。板上配备有64 MB NAND Flash，64 MB SDRAM，10M/100M 网络接口芯片DM9000AEP，一个复位小按键。通过4条68PIN的连接器引出了电源线、地线、数据线、地址线、A/D输入端、LCD接口、触摸屏控制信号等，便于搭建系统硬件环境。

液晶模块选用SONY公司的TD035STED4(带四线电阻触摸屏)，其接口与S3C2440提供的LCD信号完全匹配。S3C2440提供了 nYPON、YMON、nXPON和 XMON直接作为触摸屏的控制信号，但不能直接与触摸屏连接，这里通过两个FDC6321场效应管驱动器与触摸屏连接。输入信号在经过阻容式低通滤器滤除坐标信号噪声后接入S3C2440内集成ADC的模拟信号输入通道AIN5、AIN7。图3为S3C2440与触摸屏的接口图。

A/D转换器直接利用S3C2440片上A/D，集成有采样保持电路。分辨率为10位，最大转换速率为500 kS/s。

2 系统软件设计

应用程序分主程序和中断服务程序两部分构成。

在主程序中完成核心板的初始化后开AD中断，且设置为等待中断模式，在液晶屏上输出“Start”按钮，之后进入等待中断的到来。

在中断服务程序中，把A/D转换模式设置为XY自动转换模式，读取当前触摸点的位置再判断是否为“Start”按钮所在位置范围，如是则把A/D转换模式设置为普通转换模式来转换从AIN0(1)通道输入的脉搏信号。在液晶屏上每帧显示5 s的脉搏图形，每秒钟脉搏图形含128个像素点，为了减小误差在采集数据时每秒钟采集1 280个样点，然后每10个样点值分一组去抖取平均，所得数据进行量化、打点画图。系统应用软件的流程图如图4所示。

3 测量结果及对比分析

利用该测量仪，测量并描记了大量不同人群的脉搏波形，将得到的脉图结合传统的中医理论进行分析对比，都与受试者本人的健康状况有一定的对应性。如图5所示：channel1是测得并描记的一个18岁男性青年的左关脉图，channel2是测得并描记的一个74岁男性高血压病老人的左关脉图。对比两者的脉图，可明显看出，青年人的脉图跟中医理论所述的典型平脉脉图非常相似，波形呈三峰，重搏前波、降中峡、重搏波非常明显，脉率、大小适中，节律均匀，是健康的脉象[1]。如图 6所示为中医理论所述的典型的平脉脉图。观察老人的脉图，其特征是端直以长，如按琴弦，有长、直、紧急的特点。波形呈宽大主波，波峡抬高。脉形有弦硬的指感，反映出血管内压力、管内外周阻力、血液粘度等生理参数的增大。按中医脉象理论，高血压，高血脂是弦脉的主病[1]。这也与受试者老人的实际情况完全相符。

通过对上面测量和描记的脉图进行对比分析可知，这套测量系统能比较精确地测得脉搏波形，而且测量精度高、响应速度快、功耗低，且便于操作。克服了传统方法获取人体脉搏波形的不便性及低精度等不利因素。同时在开发板上预留了网络接口，使采集处理后的数据可远程传输,这对于远程中医诊断提供了可能性,所以具有一定的实用性和很好的市场前景。

[1]费兆馥.现代中医脉诊学[M].北京：人民卫生出版社,2003.

[2]乜国荃，方祖祥.人体脉搏的测量与分析[J].上海生物医学工程，2006(2):74-76.

[3]陈明义，杨华，杨亮.智能脉搏测试仪设计[J].计算技术与自动化,2002(9):117-119.

[4]李晋华,杜宇慧.光电脉搏仪设计[J].自动化技术与应用,2008(7):90-100.

[5]Wang B H,Xiang J L,Yang Y,et al.Evaluation of the transfer function of human pulse system based on signal detection.Chinese science Bulletin[J].1999,44(17):1566-1571.

[6]Chun T L,Ling Y W.Spectrum analysis of human pulse[J].IEEE Trans BME.1983,30(6):348-351.

[7]Wei L Y,Chow P.Frequency distribution of human pulse spectra.IEEE Trans Biomedicine Eng[J].1985,32(3):245-246.

[8]Analog Devices.AD8228 Datasheet[DB/OL].http://www.analog.com/en/amplifiers-and-comparators/instrumentationamplifiers/ad8228/products/product.html.AD8228.pd.