基于远程的便携式脉象采集系统设计*

孙中傲,赵建华,李 亚,白小艳,陈兴文,刘 燕

(大连民族大学信息与通信工程学院，辽宁 大连 116605)

0 引言

脉象从古代时就已经被用作诊断人身体健康的标准，中医可以根据探测的脉象，判断人身体的健康与否。虽然到现代以后人们很少再以脉象来判断身体健康情况，但观测脉象依旧很重要，它可以反映出很多现代化检测仪器所不能体现出的身体情况，治病于发病前。

传统的中医脉诊效果完全由诊疗医生的手指主观感觉和经验来决定，缺乏客观和量化的标准，常常出现只可意会不可言传的现象，往往在诊断时借助西医的诊疗设备。同时我国目前各地医疗资源分布不均衡的问题依然存在，在很大程度上制约更多人享受到较高的医疗服务，基于远程医疗思维设计的脉象数据采集系统可以有效的解决优质资源匮乏问题，也为慢性病人实现远程动态监护提供帮助[1]。

本系统是将网络数据传输技术应用于脉象采集装置系统中，使脉象数据的传输由本地变为远程、实时和可移动，可实现脉象信号的采集及脉象的显示、无线传输和异常情况报警，适于家庭、远程医疗和监护应用，具有较好的应用前景。

1 系统的总体设计

针对脉象信号具有信号弱且噪声强、频率低且能量集中、复杂易变且随机性强等特点，结合实际情况，提出了如图1所示的系统设计总体框图。

图1 系统总体功能框图

1.1 脉象传感器选型

脉象传感器是用来采集人体桡动脉寸、关、尺三个部位的脉信号。它是获得人体生理信息的感知器，采集的准确与否将直接影响采集数据的分析，也直接决定系统的可信度和可靠性。可以说，脉象传感器的选择是脉象采集系统设计中的最为重要的一环。要完成一个性能优良的脉象采集系统设计，其传感器的合理选择起着至关重要的作用。

本系统选用PVDF压电薄膜传感器，其采用高分子压电材料制作，具有很好的柔韧性和皮肤表面贴合性，可以根据脉象测量的需求来设计成任意形状。另外其表面产生的电荷量与外部压力成正比，可将脉搏压力信号转换为电信号，其灵敏度高、稳定性好、成本低，频响可以满足人体脉搏的频率范围(0.2～40 Hz) 。

1.2 信号调理电路设计思路

由于人体脉象信号微弱并易于变化波动，而且极易受外界环境干扰噪声影响[2]。当信号从脉象传感器输出后，必须经过滤波和噪声抑制信号调理电路，否则单片机无法获取传感器采集和检测到的微弱信号。系统中设计的调理电路包括前置电荷放大器和放大滤波电路设计。其中前置电荷放大器可以将PVDF压电薄膜传感器表面产生的电荷量转化并放大为电压信号；放大滤波电路是对前置电荷放大器输出信号进行进一步的放大和滤波处理，滤波主要将信号频率范围限制在40Hz以内，并对50 Hz工频信号陷波。具体设计见后面所述。

1.3 控制器与通信模块选型

系统选用STM32F103作为系统的控制器单片机，具有64KB的SRAM和256KB的Flash存储器，其自身拥有的I/O口、模/数转换器(analog digital converter，ADC)、定时器、串行通信(USART)接口和中断等资源，无需外扩即可满足系统需求。数据远程通信选用HC-22型Wi-Fi模块，其为UART接口的嵌入式模块，只需将单片机串口接上Wi-Fi模块，这样采集系统就可直接接入无线通信网。通信部分架构如图2所示。

图2系统远程通信部分架构

2 硬件电路具体设计

2.1 微控制器模块

微控制器模块采用STM32单片机，其中包括复位电路、晶振电路、电源电路、程序下载电路、WIFI模块接口。另外由于STM32中自带A/D转换器，只需要通过相关的函数配置选择MCU相应A/D转换器即可。前面已经介绍脉象电信号的最高频率为40 Hz，根据奈奎斯特定理可知，信号采样频率至少为最高频率的2倍才能保证不失真，但其实按照2倍的采集频率是远远不够的。为了保证采集的信号与实际信号更加接近，这里信号采样频率设为1 000 Hz，这样可较好地对脉象信号进行再现。

2.2 调理电路设计

2.2.1 电荷放大电路设计

电荷放大电路目的是实现电荷信号可转化并放大为电压信号的作用。为了有效消除或降低传感器本身电容值和电缆长度对前置放大器输出的影响，其输出电压与1/C3成正比，同时电阻R2与反馈电容器C3构成一个一阶高通滤波器。其下限截止频率约为0.1 Hz。具体电路如图3所示。

图3 电荷放大电路

2.2.2 放大滤波电路设计

这部分电路的主要作用是对前置电荷放大器的输出信号进一步地放大和滤波处理。电路包括40 Hz二阶巴特沃斯低通滤波器、二级电压放大电路和50 Hz二阶巴特沃斯工频陷波器串联组成。具体电路如图4所示。

图4 放大滤波电路设计

3 软件设计与实验结果

3.1 软件流程图设计

脉象信号经过数据采集进入单片机后，主要进行脉率、主波幅度、脉动周期的计算，并且将得到的结果和脉象信号在本地端显示[3,4],同时,这些参数通过串口转Wi-Fi模块，将数字化的信号传输到远程终端。

3.2 实验结果

系统测试选取不同的样本对系统进行了实际测试。利用STM32单片机的A/D转换模块进行脉象信号的数字化处理，A/D转换之后利用Wi-Fi通信模块将数字信号传输到远程PC机上，得到的脉象信号如图5所示。由于系统中外挂了集成的血氧饱和度传感器模块，在这里也显示血氧饱和度参数，实现了一机多用。

图5 远程终端显示的数字脉象信号

4 结束语

该脉象采集系统以PVDF压电薄膜作为脉象传感器，用STM32单片机和HC-22Wi-Fi模块实现远程无线传输，具有成本低、体积小、功耗低的特点。测试结果表明:系统可以稳定且准确地采集脉象信号。用户可以在本地和远程看到显示的脉搏波形、脉率，可实现异常情况报警，适合家庭慢性病人的监护，同时适用于远程多方专家同时会诊，可使患者的病情得到有效、准确的诊断。