人体脉搏波两种测量方法的实验研究

蔡军伟，颜幸尧

（中国计量学院 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018）

目前各类可穿戴设备如雨后春笋般涌现，其中不少可穿戴设备具有脉搏或者心电测量功能［1－2］，典型的测量原理是用红外光电式传感器的容积法［3］，利用测量血液在特定段血管中的容积变化来获得搏动速率.该方法实现简单，使用可靠，在只需测量心率的情况下，可满足绝大部分要求；但是，当对测量的要求提高时，比如需要对使用者的脉搏波波形进行测量的情况下，该方法是否合适？目前没有资料见诸报道.

脉搏波的形状可以间接反映人体的健康状况，传统的中医搭脉，医生所感觉到的是患者手腕上桡动脉压力的变化情况.因此，直接测量相应部位血管上的压力变化情况，就能获得该部位上医生搭脉时手指上的感觉，也即脉象［4］.

目前测量脉搏波的常用方法有压电式传感器直接测量法和红外传感器容积测量法.压电传感器测量得到的信号实质上是该段血管上的压力信号，而红外容积法测量得到的信号，是流经该段血管的血液容积信号，因此这两种方法测量原理不同，测量对象也不同.从原理上来说，压电式测量法测到的是力的变化情况，因此与中医搭脉时手指上所感觉到的波形更加一致.但是，由于压电传感器本身材料所无法克服的缺点，将其做成可穿戴设备上的微型传感器并不合适.因此，如果红外传感器所测数据和压电传感器一致的话，则可以用红外传感器替代压电式传感器来进行脉搏的测量，从而方便地获取和中医把脉感觉一致的数据.因此，有必要开展实验研究，来对这两种测量方法的差异进行比较.

1 实验平台

将传感器放置在人体手腕处进行实验时发现，由于人体自身的抖动以及心情的波动等因素，使得测量得到波形的一致性很差，难以对其进行有效分析研究，故需要搭建一个模拟人体手腕部桡动脉血液流动的实验平台，在一个统一的实验条件下，对这两种不同检测原理的传感器所获取的信号进行对比分析.

1.1 试验平台整体结构

实验平台结构图如图1，先后使用了压电和红外传感器进行实验.

右上方水桶为整个系统提供水源，电磁阀控制调节电路为电磁阀提供与人的心跳频率相接近的方波信号来控制电磁阀的通断，从而模拟人的心跳.硅胶手腕是用人体硅胶材料制作的手腕状的实验段，将硅胶水管嵌入其中，用来模拟手腕部的桡动脉.传感器固定在此处对模拟脉搏波信号进行测量.

图1 实验平台结构图Figure 1 Experimental platform structure diagram

1.2 水源水桶

水源水桶里加入红色墨水来模拟血液的颜色.水桶的主要目的是为整个系统提供水源，产生一定的模拟血压.2011年8月《中国高血压防治指南》提出正常血压的范围为，收缩压＜120mmHg，舒张压＜80mmHg［5］，相当于1632mm水柱和1088mm水柱.在实验中将水桶放置于1.2m的高度进行试验，相当于88.2mmHg，以达到模拟人体正常血压的目的.见图2.

图2 水源水桶实物图Figure 2 Water bucket

1.3 电磁阀控制模块

电磁阀控制模块如图3，由三部分构成，12V电源供电的电磁阀，以及开关电源和主控板.主控板通过控制电磁阀的开关频率从而模拟人的心脏的打开与关闭过程.

图3 电磁阀控制电路实物图Figure 3 Solenoid valve controller

电磁阀控制电路如图4，主控制器选择的是意法半导体公司（STMicroelectronics）的32位微控制器STM32F030F4P6［6］.在主控制器与继电器之间通过光耦TLP－521进行隔离，使用NPN型三极管S9013为继电器提供驱动电流，电磁阀从CON3接口接入.主控制器的I／O口产生一定频率的方波，通过控制继电器的闭合，进而控制电磁阀的开关.

图4 电磁阀控制电路原理图Figure 4 Solenoid valve control circuit

1.4 硅胶手腕

如图5，是用人体硅胶材料做的一段假手腕，工作过程中，直接将硅胶管嵌入到液体硅胶中2～3mm深处，嵌入深度与人体手腕部分桡动脉的深度接近.图中用黑色胶带固定的是实验中所用到的传感器.

为了模拟人体的血管，所以要选择比较柔软的硅胶管.手腕部位典型桡动脉的横截面尺寸一般是内径2～3mm，外径5mm左右.在实验初期，采用三种粗细分别为3mm×4mm（内径×外径），4mm×6mm，5mm×7mm的管子进行实验，发现4mm×6mm的管子测量出的波形是最接近人体波形的，所以最终选择了4mm×6mm的管子进行实验.

图5 硅胶手腕Figure 5 Silicone wrist

图6 硅胶管Figure 6 Silicone tube

图7 红外对管传感器Figure 7 Infrared sensor

2 信号采集处理电路

由于在实验中采用了两种不同类型的传感器进行测量，所以针对每一类型的传感器设计了独立的测量电路.

2.1 红外传感器测量电路

在本实验中，选择了型号为TCR5000的红外对管传感器，如图7，该传感器由发射管和接收管共同组成，内部原理图如图8.

图8 红外对管传感器原理图Figure 8 Infrared sensor structure diagram

在设计红外信号采集电路之前，首先采用Protel 99se电路设计软件对滤波放大电路进行了仿真设计［7］.仿真原理图如图9，V3为有用的输入信号，频率1Hz，峰峰值为10mV，V4为频率1kHz，峰峰值为1mV的干扰波形，V5为频率50Hz，峰峰值1mV的工频干扰.输入信号经过一个22μF的电容进行耦合，之后进入一阶有源低通滤波电路［8－9］，从A2输出，进入由OP07构成的差分运算放大电路［10］，进行100倍的放大，最终的波形从Aout输出.

图9 红外信号处理电路仿真原理图Figure 9 Infrared signal processing circuit

图10为仿真结果，从波形图可以看到，输入信号能够被很好的滤波放大，在仿真的基础上，如图11焊接实际的电路，进行实验测量.

图10 红外信号处理电路仿真结果图Figure 10 Simulation result of infrared signal processing circuit

图11 红外信号处理实验电路Figure 11 Infrared signal processing circuit

滤波前后的波形对比图如图12和图13，从图上可以明显看出，电路的滤波效果与仿真结果基本上是一致的，杂波被很好的滤除了.

图12 滤波前红外传感器采集到的脉搏信号Figure 12 Pulse signal collected by the infrared sensor

图13 滤波后的信号Figure 13 Filtered signal

2.2 压电式脉搏传感器测量电路

压电式脉搏传感器采用的是SC0073，是一种动态的压电式压力传感器.动态压力信号通过传感器内部的压电元件转换成电荷量，再经过放大转换成电压输出.由于传感器内部已经做了滤波和放大，所以外部只需再接一级放大电路就可以读到很好的脉搏波数据.电路原理图如图14.此处选择单电源的运算放大器OPA4350，对压电传感器的输出信号进行差分放大［11］.电路原理图如图14，电路实物图如图15.

图14 压电式脉搏传感器测量电路Figure 14 Piezoelectric pulse sensor measuring circuit

3 实验

3.1 实验方法

由于硅胶手腕部分长度太短，而且在实验中发现，在硅胶管上直接测量的结果与在硅胶手腕上的测量结果基本上是一致的，所以选择直接在硅胶管上进行测量实验.

图15 压电式脉搏传感器测量电路实物图Figure 15 Piezoelectric pulse sensor measuring circuit

如图16，将两个相同的压电传感器或红外传感器，绑定在模拟人体血管的硅胶管上，对不同间距时传感器测量到的波形相位差在示波器上进行读取、数据记录和分析，如图17.

图16 测量方法示意图Figure 16 Measurement method diagram

图17 两个传感器波形之间的相位差Figure 17 Phase difference between the two sensor waveforms

3.2 数据记录

3.2.1 红外传感器测量数据记录

测得的数据如表1，相位差和速度如图18、19.

表1 红外传感器测量数据Table 1 Infrared sensor measurement data

图18 红外传感器波形相位差曲线图Figure 18 Phase difference curve of infrared sensor

图19 红外传感器测量得到的速度曲线图Figure 19 Velocity curve diagram obtained by infrared sensor

3.2.2 压电式脉搏传感器测量数据记录

测得的数据及其电位差和速度曲线，见表2和图20、21.

表2 压电式脉搏传感器测量数据Table 2 Piezoelectric pulse sensor measurement data

图20 压电式传感器波形相位差曲线图Figure 20 Phase difference curve of piezoelectric sensor

图21 压电式传感器测量得到的速度曲线图Figure 21 Velocity curve diagram obtained by piezoelectric sensor

3.3 数据分析

如图22，从两种传感器测量结果的相位差比较图来看，无论是红外或者压电传感器，都是随着两只传感器之间距离的增大，相位差随之增大，液体流动的时间变长，但两者都趋向于线性，表明液体流动速度是基本不变的.

图22 相位差比较Figure 22 Phase difference comparison

如图23，从两种传感器的速度比较图来看，刚开始两种传感器的趋势差别比较大，这主要是因为实验的客观条件误差以及两者信号处理电路的差异造成的，但随着传感器之间距离的增大，两者所测量的液体流动速度趋向一致.

图23 速度比较Figure 23 Speed comparison

从以上结果可以看出，两种传感器测量得到的速度在25m／s之内，而波在水中的传播速度大于1000m／s，所以可以得出红外传感器所测量到的波并不是心脏搏动沿着血液的传播.波在固体中传播的速度更大，在1km／s以上，故也可以排除沿管壁传播的波的可能性，所以本实验中测量的波是液体的流动而产生的波形.

4 结 语

本实验通过搭建实验平台，设计信号处理电路，对两种传感器对脉搏波的测量进行了实验研究比较.从实验结果来看，两种传感器采集到的均为血液在血管中间歇性流动而产生的波形，虽然会因为客观实验条件的误差以及信号处理电路的差异造成两种传感器测量结果的偏差，但整体上趋势是一致的，表明可以通过红外传感器来代替压电式传感器实现脉搏波的测量.

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