（精密仪器及机械专业论文）基于ARM9的便携式脉搏波分析诊断仪设计.pdf

摘要 摘要 心血管疾病是危害人类健康的第一大病症，而脉搏波所呈现出的形态、强度、 速率和节律等方面的综合信息，能反映出人体心血管系统的许多生理病理信息。 通过对脉搏波信号的检测和分析，可方便准确地得出被测者的各项心血管血流参 数，从而客观、准确地评价被测者的心血管功能状态，这在预测心血管疾病以及 指导心血管和相关疾病的治疗中有着极其重要的意义。 针对目前临床上血流参数检测仪的现状，本文设计了一种基于嵌入式a r m 9 的便携式脉搏波分析诊断仪。它可快速准确地检测出人体的十余项心血管血流参 数值，具有体积小、便于携带、操作简单、检测方便、无创等优点。本文主要完 成了如下的工作： 1 研究脉搏波的医学原理、测量及分析处理方法，以及国内外的研究现状， 在此基础上提出系统总体设计方案，然后确定系统硬件开发平台，并进行操作系 统的选择。 2 进行基于嵌入式l i n u x 的系统开发，包括宿主机开发环境的搭建、 b o o t l o a d e r 的移植、内核的配置编译移植以及根文件系统的制作。 3 基于m i n i g u i 的图形用户界面设计。首先通过比较选择m i n i g u i 作为系统 的g u l 支持平台，然后在宿主机上搭建m i n i g u i 开发环境，并进行m i n i g u i 界面 程序的开发及调试，最后将m i n i g u l 界面程序移植至目标系统运行。 4 血压测量模块的设计。在研究人体血压形成机理及测量方法的基础上，根 据示波法测量血压的原理确定该模块的整体设计方案，然后以c 8 0 5 1 f 3 3 0 单片机 为核心，对该测量模块的软硬件进行设计。 5 系统应用程序的设计，包括脉搏波采集模块及血压测量模块与主机a r m 9 串口通信程序的设计以及脉搏波信号分析处理程序的设计等。 6 完成整体系统的软硬件调试，包括血压测量模块的软硬件调试及标定、串 口通信的软硬件调试、脉搏波信号分析处理程序的调试以及m i n i g u l 界面程序调 试等。经过最终的整体调试，本系统基本实现了预期的功能。 关键词：a r m 9 ；l i n u x ：脉搏波 a b s t r a e t a b s t r a c t c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ei st h ep r i m a r yi l l n e s st oh u m a nh e a l t h ，s of i n d i n go n e m e a n st or e f l e c to u rn o r m a lc a r d i o v a s c u l a rp a r a m e t e r si sv e r yi m p o r t a n t b e c a u s et h e p u l s ew a v ec a ni m p l yl o t so fi n f o r m a t i o na b o u tt h eh u m a nc a r d i o v a s c u l a rs y s t e m b y d e t e c t i n ga n da n a l y z i n gt h ep u l s ew a v es i g n a l ，w ec a na c c u r a t e l yo b t a i nt h eu s e r s c a r d i o v a s c u l a rp a r a m e t e r s b a s e do nt h i si n f o r m a t i o n , w ec a no b j e c t i v e l ya s s e s st h e s t a t eo ft h eu s e r sc a r d i o v a s c u l a rf u n c t i o n ，w h i c hi so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei nf o r e c a s t i n g a n dt r e a t i n gc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e so rr e l a t e dd i s e a s e s b ya n a l y z i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc l i n i c a li n s t r u m e n t s ，w ed e s i g n e dap o r t a b l e a p p a r a t u sb a s e do na r m 9 f o ra n a l y z i n gp u l s ew a v ei nt h i sp a p e r t h eu s e r sc a ne a s i l y a n da c c u r a t e l yo b t a i nt h e i rc a r d i o v a s c u l a rp a r a m e t e r sf r o mt h i si n s t r u m e n t t h em a i n r e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 s t u d y i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ep u l s ew a v e ，s u c ha st h em e d i c a lt h e o r y , t h em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i sm e t h o da n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o n ，a n ds e t t i n gu pt h e w h o l es y s t e mi n c l u d i n gt h eh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dt h eo p e r a t i n gs y s t e m 2 d e v e l o p i n gt h ee m b e d d e ds y s t e mb a s e do nl i n u x ，i n c l u d i n gb u i l d i n gt h eh o s t d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t r a n s p l a n t i n gt h eb o o t l o a d e r , c o n f i g u r i n ga n dc o m p i l i n g t h ek e m e la sw e l la st h ep r o d u c t i o no ft h er o o tf i l es y s t e m 3 p r o g r a m m i n gt h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c eb a s e do nm i n i g u i f i r s t l y ，w eb u i l t t h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fm i n i g u i t h e nw ed e s i g n e dt h eg r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c ea n dt r a n s p l a n t e dt h ep r o g r a mt ot h et a r g e ts y s t e ma f t e rd e b u g g i n g 4 c o m p l e t i n g t h ed e s i g no ft h em o d u l ef o rb l o o dp r e s s u r em e a s u r e m e n t a c c o r d i n gt oo s c i l l o m e t r i cm e t h o d ，t h ef r a m e w o r ko ft h em o d u l ew a sd e s i g n e d c 8 0 51 f 3 3 0s i n g l ec h i pi st h ec o r eo ft h ew h o l em o d u l e t h e nt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g nw a sc o m p l e t e do nt h i ss y s t e m 5 d e s i g n i n gt h es y s t e ma p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n gt h e s e r i a lc o m m u n i c a t i o n p r o g r a m so fp u l s ew a v ea c q u i s i t i o nm o d u l ea n db l o o dp r e s s u r em e a s u r e m e n t m o d u l e 基于a 跚9 的便携式脉搏波分析诊断仪设计 w i t ha r m 9 ，t h ep r o g r a mf o ra n a l y z i n gt h ep u l s ew a v es i g n a la n ds oo n 6 f i n i s h i n gt h ed e b u g g i n go ft h ew h o l es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ed e b u g g i n ga n d c a l i b r a t i o no ft h eb l o o d p r e s s u r em e a s u r e m e ms y s t e m ，t h ed e b u g g i n go ft h et w os e r i a l c o m m u n i c a t i o np r o g r a m s ，t h ed e b u g g i n go ft h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ea n ds oo n f i n a l l y , w ea c h i e v e dt h ed e s i r e df u n c t i o n si nt h i si n s t n u n e m k e yw o r d s ：a r m 9 ；l i n u x ；p u l s ew a v e 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) = 繁日骗煳i 细7 年6 月f 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) 骟呵 砷年6 月e l 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍课题的研究意义、脉搏波的医学理论基础、脉搏波的测量以及 分析处理方法，并对国内外相关领域的研究现状进行研究，最后简要介绍了本课 题的主要研究内容。 1 1 研究的意义【1 1 1 2 1 现代社会，随着人们生活水平的不断提高，生活方式、饮食结构的不断改变， 高血压、冠心病、动脉硬化等心血管疾病已成为常见病和多发病。据统计，目前 我国每年有3 0 0 万人死于心血管疾病，占全部死亡原因的4 0 ，是我国居民的 头号杀手。我国城市人口中每5 个成年人中就有1 个不同程度地患有心血管方面 的疾病，由此而致的心肌梗塞、脑中风、猝死等恶性后果时有发生，而且发病率 逐年提高，发病年龄也呈下降趋势。研究预测，今后1 0 年我国中年人群脑卒中 的发病率男性将增加4 2 ，女性将增加1 3 。冠心病发病率男性将增加2 6 ， 女性将增加1 9 。为遏制这一高峰的到来，保证人民健康和我国经济的可持续 发展，开展心血管病人群防治己刻不容缓。 心血管病之所以在许多国家中都是人们致死的重要原因，在于大多数心血 管疾病仅在其自然病程发展的后期阶段才有临床表现，在心血管系统主要的损害 发生前，临床医生较少有机会对患者进行检查。 在心血管疾病的初期或者处于亚健康状态时，虽然患者还没有自觉症状，但 其血压、血流、血管阻力、血管弹性和血液粘性等一系列血流参数实际上已经开 始发生变化，并首先反映在脉搏波的幅值与波形变化中。 因此通过检测分析脉搏波信号来诊断人体心血管血流参数是最恰当的途径， 这就为研制新的医学医疗仪器提供了必要的依据和基础。由于脉搏波检测不需要 复杂而昂贵的设备，且操作简便、性能稳定，是无创性的，因此其在心血管临床 医学检查、治疗、用药、康复和保健等方面都会有很好的应用前景。 本课题就是在分析脉搏波医学原理的基础上，设计了一种基于a r m 9 的便携 式脉搏波分析诊断仪，该仪器在心血管健康监测、早期病变预报及疾病诊断等领 域具有广泛的应用前景。不仅为广大临床医生对心血管疾病的检测、诊断、监护 基于a r m 9 的便携式脉搏波分析诊断仪设计 及确定治疗措施提供一个简捷方便和准确可靠的重要诊断手段，而且使人们在没 有专业医生帮助的情况下，可以随时检测自己的心血管健康状况，及时检查出心 血管血流参数的异常变化，从而将心血管疾病潜在的危险及早诊断出来，再针对 检查出的异常参数予以治疗，使其回复正常，达到心血管疾病早期诊断、早期治 疗的目的。 1 2 脉搏波的医学理论基础 1 2 1 脉搏波概述 从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受 到中外医学界的重视，几乎世界上所有的民族都曾用过“摸脉”作为诊断疾病的 手段。当心脏周期性地收缩和舒张时，心室射入主动脉的血流将以波的形式自主 动脉根部出发沿动脉管系传播，这种波就是脉搏波陋1 。 脉搏波在动脉管系中传播，并在下游不同位置的各级分支中不断反射，使脉 搏波不仅受到心脏本身的影响，同时还会受到流经各级动脉及分支中各种生理病 理因素如血管阻力、血管壁弹性和血液黏性等的影响，因而从下游外周动脉反射 回来的反射波强度和波形随不同的生理病理因素变化将会有很大差异。这个反射 波信息与原来从心脏出发的脉搏波相叠加后表现出来的不同的波形特征，使脉搏 波中蕴含着极丰富的心血管系统生理病理信息。大量的临床实测结果证实，脉搏 波的波形特征与心血管疾病有着密切的关系h 儿5 1 。 脉搏波所表现出来的形态( 波的形状) 、强度( 波的幅值) 、速率( 波的速度) 与节律( 波的周期) 等方面的综合信息的确在相当程度上反映出人体心血管系统 的许多生理和病理特征，如从脉搏的节律变化诊断多种心血管疾病；从脉搏波波 形异常来辅助诊断二尖瓣病变、主动脉瓣病变、房室间隔缺损等；从波幅的变化 提示诊断生理性或者病理性高动力状态和高血压等疾病。 脉搏是人体活动最重要、最灵敏和最可靠的信息来源。脉搏波压力及波形特 征变化是评价人体心血管系统生理病理状态的重要依据。无论是中医切脉或是西 医心血管疾病检查，都试图从脉搏波的压力与波形变化中提取各种生理、病理信 息。近几十年来对脉搏波所作的大量临床研究积累了十分丰富的经验，取得了较 2 第一章绪论 大的进展儿7 1 。通过对脉搏波的分析可以方便地估算出被测者各项心血管血流参 数，如心输出量、外周阻力、血管顺应性等指标，为临床病人发病前的检查或者 发病后治疗过程中的科学指导提供了种适当而有效的技术手段。 1 2 2 脉搏波的波形特征 一个完整的脉搏波波形包括升支和降支，一般应包含a 、b 、c 、d 四个主要 特征点，如图1 - 1 所示，其中a 为主波、b 为潮波、c 为重搏波峰、d 为重搏波 谷，四个特征点在脉搏波压力曲线上的高低起伏变化反映了人体不同生理病理变 化。 0爿b d l c 。 图1 - 1 脉搏波典型波形 上升支是左心室射血时动脉壁的突然扩张所引起的。在心室快速射血期，动 脉血压迅速上升，管壁被扩张，形成脉搏波形中的上升支，如图卜1 的o a 段。 上升支的斜率和幅度受射血速度、心输出量以及射血所遇阻力的影响，若射血时 遇到的阻力大，心输出量小，射血速度慢，则脉搏波形中上升支的斜率小，幅度 也低；反之，若射血时所遇到的阻力小，心输出量大，射血速度快，则上升支较 陡，幅度也较大。大动脉的可扩张性减小时，弹性贮器作用减弱，动脉血压的波 动幅度增大，脉搏波上升支的斜率和幅度也加大。主动脉瓣狭窄时，射血阻力高， 基于a r m 9 的便携式脉搏波分析诊断仪设计 脉搏波上升支的斜率和幅度都较小。 心室射血的后期，射血速度减慢，进入主动脉的血量少于由主动脉流向外周 的血量，故被扩张的大动脉开始回缩，动脉血压逐渐降低，形成脉搏波形中下降 支的前段，即潮波。随后，心室舒张，动脉血压继续下降，形成下降支的其余部 分。在降支中段出现的小波称降中波，又称重搏波。降中波前面的下凹部分称降 中峡。降中峡的产生是由于左心室舒张，主动脉内血液倒流，血压突然下降，管 壁回缩所形成。降中波则是由于主动脉瓣关闭血流冲击在主动脉瓣上而弹回，动 脉压再次稍有升高，管壁又稍有扩张而形成。动脉脉搏波形中下降支的形状可大 致反映外周阻力的高低。外周阻力高时，脉搏波降支的下降速率较慢，切迹的位 置较高。如果外周阻力较低，则下降支的下降速率较快，切迹位置较低，切迹以 后下降支的坡度小，较为平坦。主动脉瓣关闭不全时，心舒期有部分血液倒流入 心室，故下降支很陡，降中波不明显或者消失。 综上所述，脉搏波的幅值与波形变化，反映出在一个心动周期中动脉血压随 时间的脉动变化。脉搏波中所包含的高血压和动脉硬化等信息主要反映在脉搏波 的幅值与波形变化之中，并通过血压、血流、血管阻力和血管壁弹性等血流参数 的变化表示出来。因此，对脉搏波传播规律进行研究，以求利用无创检测方法对 人体心血管疾病进行早期的诊断治疗，这对临床医学的发展是很有价值的。 1 3 课题研究背景 1 3 1 脉搏波信号的检测1 8 1 1 9 1 1 1 州 脉搏波信号的测量方法很多，而传统的脉搏检查方法是手指触诊，即以人的 手指作为感知系统，凭借手指对脉搏信号的感觉，对人的疾病进行诊断，这种方 法的主观性很强，只有临床实践经验丰富的专业医生才能准确诊断，且不便于客 观记录和精细分析，所以大大限制了它的应用和发展。采用传感器检测脉搏波， 可以客观地得到脉搏波的主要信息，记录出脉搏波信号，有利于存储和分析，对 人体无创伤且使用方便，因而在实际中得到广泛的应用。 现阶段应用的脉搏波传感器种类繁多，性能各异，根据其工作原理可分为四 种：一种是通过感受脉动处压力的变化而描述脉搏图，即压力式脉搏传感器；另 4 第一章绪论 一种则是通过感受脉管容积的变化来描述脉象，即光电式脉搏传感器；第三种是 传声器，其本质是一种次声波传声器，是利用声学原理，拾取由脉搏引起的振动， 即所谓的听信号；第四种是超声多普勒检测技术，因为动脉脉搏除发出压力搏动 的信息之外，还有管腔容积、血流速度、脉管的三维运动等多种信息，仅用压力 脉图难以全部定量地反映脉象构成要素的指标，随着医学超声显像诊断技术的发 展，超声多普勒技术在脉象客观化的研究中已经日益受到重视，取得了一定的进 展。 对于一个性能优良的脉搏波分析诊断仪，其传感器的合理选择起着至关重要 的作用，因为只有传感器采集到的信息能准确地反映人体的生理病理信息，后面 的数据处理与分析才会准确有效、有实际意义。 光电式传感器实现了光电隔离，减少了对后级模拟电路的干扰，因此其抗干 扰能力强、灵敏度较高，并具有良好的线性度和频响特性，但由于对容积脉搏血 流信号的机理与信息特征研究得还不够充分，因而目前只能检测到血氧和脉率两 个指标，满足不了对其他血流参数检测的需要。传声器、超声多普勒技术等非接 触式的脉搏检测方式与中医指压切脉的特点不符合，难以正确反映中医脉象的特 征。压力式脉搏传感器足脉诊客观化研究中一直使用的重要检测手段，同时也是 最符合中医师诊脉传统的诊脉方式 p v d f 压电薄膜是一种新型的高分子聚合物型传感材料，具有很好的压电特 性和很好的仿生特性，与人体组织的阻抗耦合性好，能紧贴皮肤，灵敏度高。将其 制作成压电薄膜传感器应用到人体脉搏测量，模拟效果良好，采集到的脉搏信号 准确可靠，适用性较好。由于其优良的性能，越来越多的学者将其应用到脉搏的 测量中。 通过上面的比较分析，也鉴于压力脉搏波是脉诊客观化研究中一直使用的重 要检测手段，同时也是最符合中医师诊脉传统的诊脉方式，所以本课题选用合肥 华科电子技术研究所生产的压电式脉搏传感器h k - 2 0 0 0 c 集成化数字脉搏传感 器。该传感器采用高度集成化工艺将p v d f 压电膜、灵敏度温度补偿元件、感温 元件、信号调理电路集成在传感器内。压电式原理采集信号，模拟量输出，输出 完整的脉搏波电压信号，具有灵敏度高、抗干扰性能强、过载能力大、一致性好、 性能稳定可靠、使用寿命长等特点。 基于a r m 9 的便携式脉搏波分析诊断仪设计 1 3 2 脉搏波的分析处理i l l l l l 2 1 1 1 3 l 脉搏传感器采集到的脉搏波信号经过放大、滤波等处理后，再经a d 转换就 可以输入目标系统进行分析和处理。目前脉搏波信号的分析方法主要有时域分析 法、频域分析法、时频联合分析法、样本训练与聚类等方法。 时域分析法是目前应用最为广泛的一种脉搏波分析方法，所谓时域分析法是 在时间方向上分析波动信号的动态特征，主要包括特征点法、速率图识别法、脉 图面积法等 脉搏波波图的特征点实质上就是脉搏波压力曲线的拐点，它是心动周期中从 一个力学过程转变为另一个力学过程的转变点，因而这些拐点都有明确的生理意 义。如上面所述一个完整的脉搏波波形应包含a 、b 、c 、d 四个主要特征点，其 中a 为主波、b 为潮波、c 为重搏波峰、d 为重搏波谷，四个特征点在脉搏波压 力曲线上的高低起伏变化反映了人体不同生理病理变化。通过识别脉搏波的各特 征点，提取有关特征量，再根据有关计算公式，逐步计算出心血管功能和血流动 力学各项参数，这就是特征点法。应用这一原理现已开发出无创心功能医疗检测 仪器，为临床医疗检测、急救和健康体检提供了一种有效的技术手段。 特征点法的最大优点是直观，生理意义明确，医生容易接受，但在实际工作 中会遇到一些难以解决的困难，如有些脉图上的特征点不太明显，难以辨认，要 凭经验或者人工辅助判别，会带来一定的误差。 脉图面积法是以脉搏波波形面积变化为脉搏波波形特征量k 值的提取方法。 北京工业大学罗志昌教授研究证实由心血管生理和病理上的变化将会引起脉搏 波波形特征和面积的相应变化，它可反映在特征量k 值的变化上，不仅很有规律， 而且相当敏感，因而在临床上有重要的应用价值，是心血管临床检查的一个重要 生理指标。 速率图法是对脉搏波波形图进行微分处理得到相应的曲线即速率图，再根据 其特征提取相应信息。 频域分析法是通过离散傅立叶变换，将时域的脉搏波曲线经傅立叶变换到频 域进行频谱分析，得到相应的脉搏频谱曲线，通过频谱曲线的特征分析，提取人 体心血管生理病理相应的信息。基于脉搏波的频谱分析工作虽然在2 0 世纪7 0 年 代末就开始了，但由于分析工具的缺陷和其它条件，至今只是停留在分析一些典 6 第一章绪论 型的脉图得出一些大致的趋势，未取得实质性进展。此外，频谱分析所得的参数 与医学临床上的意义相距较远，比较抽象，难以被广大医务工作者接受，不便于 推广应用。 时频联合分析法是将脉搏信号表示成一个时间和频率的二维函数，时间和频 率组成的时频平面能描述出各个时刻的谱成分。目前常用的时频联合分析法有小 波变换等。小波变换是一种重要的线性时频表示，在时域和频域同时具有良好的 局域化性质，是处理脉搏信号的有效方法。谢家宇等应用连续小波变换分析了海 洛因吸毒者和正常人的脉象信号，发现在定时间间隔内，两者脉象信号的连续 小波变换系数间存在显著差异，并提出了划分海洛因吸毒者与正常人的l 临界参 数。 样本训练与聚类足近期出现的，比较典型的是神经网络分类器方法。它以人 工神经网络为手段，由临床采样数据形成网络训练输入特征向量库，训练得到脉 象分类器。分类器网络建立后，就可以对输入的脉象特征进行分类。该方法将信 息处理技术中的模式识别理论应用到脉象分类中，是有利的尝试。 除此外还有其他一些分析处理方法，如：模糊识别法是采用模糊数学对脉搏 波进行识别：数学模型法是对脉搏波建立一定的数学模型从而进行识别：自回归 法足利用自回归模型a r 谱提取脉象信号特征信息的方法，等等。 综合比较这些方法，其中特征点法和脉图面积法这两种分析处理技术的性价 比较高，实用性较强。因此，本课题综合这两种方法的优点，采用特征点法和脉 图面积法相结合的分析方法，对采集的桡动脉脉搏波信号进行处理和分析，从而 得到相应的心血管血流参数。 1 , 3 3 基于脉搏波的检测系统1 1 4 1 1 1 5 i 目前基于脉搏波的心血管血流参数检测系统多种多样，但大多临床上使用的 脉搏波检测系统需要事先用水银血压计测量病人的血压值，人工输入后再进行血 流参数的检测和计算，有些还需要人工识别代表被测者健康状况的特征波形进行 分析，操作不便，且要求操作者具备相当的医学知识，很不利于系统在家庭推广。 北京工业大学罗志昌教授等人研制的t p - c b si i 型心功能血流参数检测仪是 被广泛认可的系统。它通过提取桡动脉脉搏波k 值和人体的一些基本信息来计算 7 基于a r m 9 的便携式脉搏波分析诊断仪设计 心血管功能参数。这个系统需要单独测量血压值、手动选择较理想的脉搏波形才 能计算出心血管参数值。因此必须由具有一定医学知识的人进行操作，妨碍了此 系统在家庭的普及。 另一个方面，现有的脉搏波检测系统大多数都依赖于p c 机，基于p c 机的 脉搏波检测系统可以完成较复杂的算法、设计较完善的功能，但由于p c 机体积 较大，成本高，且不便于携带，限制了仪器的使用范围。 因此需要开发一种体积小巧、方便快捷、耗电量低的检测系统，不仅适合医 院临床使用，也适合家庭保健使用。以单片机为核心的检测系统虽然体积小、成 本低、便于携带，但是由于单片机资源有限，且程序开发相对繁琐，难以实现复杂 的功能。 本课题设计了一种基于嵌入式a r m 9 的便携式脉搏波分析诊断仪，该系统以 $ 3 c 2 4 4 0 嵌入式微处理器为核心，在a r m 9 硬件平台基础上采用l i n u x 操作系统， 通过脉搏传感器采集脉搏波信号，并对其波形进行计算、分析得到相关的心血管 血流参数。另外，由于利用脉搏波的心血管血流参数计算需要预先测量血压值并 输入系统，所以本系统集成了血压测量模块，该模块采用上臂袖带方式，利用示 波法原理测量血压，通过简单地点击按钮就町以完成血压参数的自动测量，解决 了人工测量血压操作不便的问题，降低了对操作者的专业要求。该系统体积小、 无创、检测方便、操作简单，不仪可以应用于临床，更加适合社区以及家庭使用。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题的目的是研制一种方便家庭使用的高智能化的便携式的脉搏波分析 诊断仪，使得人们在没有医生帮助的情况下，足不出户就可以随时检测自己的心 血管健康状况。本系统利用压电式脉搏传感器采集桡动脉脉搏波，经过对脉搏波 的分析与处理，再结合血压测量模块测得的常规血压值，最后得到十余项人体心 血管血流参数值。主要完成了以下方面的工作： 1 系统总体方案的设计 在研究脉搏波医学原理、测量及处理方法的基础上，结合国内外研究现状， 提出系统总体设计方案：以嵌入式a r m 9 微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 为核心，采用l i n u x 操作系统，对采集到的脉搏波信号进行分析处理，从而得到相应的心血管血流参 8 第一章绪论 数，脉搏波采集模块和集成的血压测量模块通过串口与目标系统通信。 2 嵌入式l i n u x 系统的开发 从系统总体设计方案出发，首先搭建目标系统的软硬件开发平台，然后进行 嵌入式l i n u x 系统的开发，包括b o o t l o a d e r 的移植、内核的配置编译移植以及 根文件系统的制作。 3 基于m i n i g o i 的图形用户界面设计 为了方便用户的使用，本课题设计的脉搏波分析诊断仪设计有良好的图形用 户界面。在对几款主流的嵌入式系统g u i 进行分析比较后，最终选用m i n i g u l 作 为目标系统的g u l 支持平台。接下来在宿主机上搭建m i n i g u i 开发环境，并进行 m i n i g u l 界面程序的开发及调试，最后经交叉编译后将其移植至目标系统运行。 4 血压测量模块的设计 本系统集成了人体血压自动测量模块，系统通过该模块可以实现人体血压值 的自动测量，从而避免了以前需要专业人员测量血压而带来的不便。在研究了人 体血压的形成机理以及血压测量方法的基础上，首先确定该模块的整体设计方 案，然后基于示波法测量血压的工作原理，采用c 8 0 5 1 f 3 3 0 单片机作为核心控制 器，对该血压自动测量模块的软硬件进行设计和调试。血压自动测量模块通过串 口与a r m 9 主机通信，a r m 9 主机通过串口发送控制字来启动或中止血压测量模块的 测量。完成测量后，该模块向主机返回人体的常规血压值。 5 系统总体应用程序的设计及调试 系统应用程序主要包括a r m 9 主机与脉搏波采集模块以及血压测量模块的串 口通信程序，对采集到的脉搏波数据的识别分离、分析处理以及心血管各项血流 参数的计算程序等。在宿主机上调试成功后将其交叉编译下载至目标系统运行， 再根据运行情况进行进一步的调试工作，直至其能按照预期的效果稳定有效的运 行。 9 第= 章基于脉捧波的n 血管流参数爵t 第二章基于脉搏波的心血管血流参数测量 获取高质量的脉搏波信号足准确地测量出人体相应血流参数的关键，本章首 先设计了脉搏波信号采集部分，然后根据脉搏波的波形特征采用自适应的分离方 法来实现波形的分离，接下来又对脉搏波信号处理分析方法进行了深入地研究， 采用一种基于脉搏波波形面积变化的血流参数计算方法，推导出十余项心血管血 流参数的计算公式。 2 1 脉搏波信号的采集和分离 2 1 1 脉搏渡信号的采集i 吲 脉搏波信号采集部分采用华科电予技术研究所生产的h k 一2 0 0 0 c 集成化数字 脉搏传感器( 串口输出) 。该传感器采用高度集成化工艺将力敏元件( p v d f 压电 膜) 、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调整电路、程控放大电路、滤波电 路、基线调整电路、a d 转换电路、串行通信电路集成在传感器内。具有灵敏度 高、抗干扰性能力强、过载能力大、一致性好、性能稳定可靠、使用寿命长等特 点，方便用户集成及二次开发使用，实物如图2 - 1 所示。 图2 1l ( 一2 0 0 0 c 集成化数字脉搏传感器 该传感器压电式原理采集信号，数字信号输出，直接通过串u 输出脉搏波波 基于a r m 9 的便携式脉搏波分析谤断便设计 形数据，可应用于脉率检测、脉搏波形采集、中医脉象诊断、无刨心血管功能检 测等。 该集成化数宁传感器的2 3 2 接口采用j 线制( g n d ，r x 、t x 、d t r 、r t s ) 通 信，应用程序打开串口时必须设置d t r 与r t s 为0 。接口协议为：波特率9 6 0 0b p s ， 数据格式为8 为数据位+ l 位停止位。通信协议中帧格式位：开始符+ 命令字+ 数 据，其中读设备号命令为2 0 h3 1 h ，启动采样命令位2 0 h3 2 h ，停止采样命令为 2 0 h3 3 h 。脉搏波采样波形如图2 2 所示。 2 1 2 脉搏波信号的分离i 图2 - 2 脉搏波采样波形 心血管参数的计算，足以一个完整的脉搏波( 一幅完整脉图) 为基础展开的。 因此，必须从采集到的多个脉搏波中，分离出单个周期波形。由于人体脉搏波信 号终究不足标准信号源发出的信号，不可能如想象那样规整，其每搏的周期不一 定严格相等，波形基线会漂移，其每搏波形( 如波峰、波谷、卜升沿、下降沿) 也不严格相等，一幅渡图中可能出现两个以上最大值和最小值，因而波形中导数 为零的点甚多。鉴于以上特点，欲从采集的脉搏波信号中分离出一幅完整的脉图 波形来，并不容易。 本系统采用基于脉搏波波形特征的自适应分离方法来实现波形的分离。其基 本思想是不管每个波形的形状、周期、幅值等有多太差异，一律以采集波形本身 的特征为依据去分离波形自身，虽终达到分离全部波形的目的。具体分离波形时， 首先以某一最小值为起始点，再按曲线变化较单调的方向，采用自适应分离法去 第二章基于脉搏波的心血管血流参数测量 寻找波形的其他值。 a b fm 图2 - 3 采集的脉搏波波形 以图2 3 波形为例，若判出的波形最小值为g 点，显然从g h 方向去判求最 大值m ，比从g e 方向去探寻最大值f 更为合理。寻找最大、最小值的关键是确 定区间。首先，区间中应确实包含波形的最大或最小值；其次，确定的区间必须 适中，区间过小，可能把一脉搏图波形中的某个凹点，误读为最小值，结果分离 出的脉搏波不完整。区间过大，超出下一脉搏波形的周期，又可能误把两博波形 判为一个波形。自适应分离方法，能保证适当处理区间，实现波形的正确分离。 2 2 基于脉搏波的血流参数测量 2 2 1 基于脉搏波的主要心血管血流参数 心血管血流参数主要是指收缩压p s 、舒张压p d 、脉差压( p s p d ) 、平均动 脉压p m 、心率h r 、心搏出量s v 、心输出量c o 、心搏指数s i 、心脏指数c i 、 外周阻力t p r 、血管顺应性a c 、血流半更新率a l k 、血流半更新时间a l t 以 及血流平均滞留时间t m 等十余项指标。 其中，心输出量c o 或心搏出量s v 是评估心血管功能最为重要的血流参数， 心血管疾病的临床医生主要靠观察心输出量的变化来判断疾病的治疗效果，从而 确定病人状况是否已得到改善或进一步恶化。对于高压病病人来说，了解病人是 否高输出或者低输出是至关重要的。在临床治疗上，还可以根据心输出量的变化 去调节心血管病人的用药量和输血速度。甚至在病人治愈出院时，医生还必须了 基于a r m 9 的便携式脉搏波分析诊断仪设计 解病人心输出量的大小，以便确定病人出院后的活动量，因而长期以来，心输出 量作为常规的心血管血流参数已被临床医生、药剂师和生物学家所接受。 2 2 2 利用脉搏波测量心血管血流参数的基本方法 脉搏波的波形特征信息与生理因素存在着必然的联系。目前国内外许多研究 人员大多是以临床实测或模型计算脉搏波图为根据，然后分别在时域或频域中提 取脉搏波的特征信息。时域提取特征信息通过提取脉搏波曲线中一些有明确生理 意义的点( 如主波、潮波和重搏波高度等) 来作为评价脉搏波的特征点，将特征 点和对应的生理因素结合起来，就可能得到许多有临床医学价值的结果，该方法 较直观、易被临床医生接受，但是它是建立在脉搏波曲线某些点的特征上，没有 把曲线所包含的全部信息利用起来，并且因为有些特征点很难准确得出，需要经 验估计，所以随机误差很大。 在频域中提取信息的特点足通过离散快速傅里叶变换，将时域的脉搏波曲线 变换到频域，从脉搏波频谱中提取与人体生理病理相应的信息，它的优点是特征 信息保留了脉搏波中的全部信息，但由于计算复杂，结果抽象，难以被广大医务 工作者所接受。 此外，无论是临床实测或模型计算所得的脉搏波图，都会受到传感器精度或 模型参数假设条件的限制，不可能得到真实脉搏波曲线的全部细微变化，使曲线 中某些特征点或频率分量丢失，从而影响了在临床中的应用。 北京工业大学罗志昌教授等人利用已有的双弹性腔模型，提出了一种以脉搏 信号波形图面积变化为脉搏波特征量k 值的新的提取方法，脉搏波特征量k 值可 以有效反映出不同生理病理状态下脉搏波的特征信息。通过模型理论分析、动物 实验以及数千例不同年龄健康人和心血管疾病患者的临床检测，证实由心血管生 理病理上的变化将会引起脉搏波波图特征和面积的相应变化，它可以反映在特征 量k 值的变化上，不仅很有规律，而且相当敏感。用k 值判别人体的生理状况， 虽然不能做到精确的定量分析，但具有计算简便、区分度高和灵敏度高等优点， 因而在临床上有重要的应用价值，是心血管临床检查的个重要生理指标。 本课题在这一理论基础上，利用求得的脉搏波特征参数k 值以及相关可直接 测量参数，根据血流动力学模型计算出相关的血流参数值，对人体的心血管功能 第二章基于脉搏波的心血管血流参数测量 做出评估，供诊断参考。 2 2 3 脉搏波波形特征量k 值 以脉搏波波图面积变化为基础的脉搏波波形特征量k 值，其定义为： k ：p m - p d( 2 1 ) p s p d 其中，p m = 1 丁，p ( ，) 衍为平均动脉压，它不是p s 与p d 的平均值，而是一个 0 心动周期t 中，脉搏压力p ( t ) 的平均值。p s 和p d 分别为收缩压和舒张压，具体 如图2 4 所示。 p ( o p 5 p d 0 图2 4 脉搏波特征量k 值的提取 由此可见，k 值的大小仅取决于脉搏波的波图面积，它与收缩压p s 和舒张 压p d 的绝对值无关，是一个无量纲的参数。它相当于脉搏波压力脉动分量的平 均值( p m p d ) 在脉动分量最大值( p s - p d ) 中所占的百分比。不同生理病理状态 下脉图波形和面积都会有很大变化，这个变化可以用k 值来表示。 2 2 4 基于脉搏波的血流参数的计算1 3 j 如果把一个周期的脉搏波形数据与人体的一些简单的基本信息结合起来就 1 4 基于a r m 9 的便携式脉搏波分析诊断仪设计 可以计算出一些主要的血流参数值。需要用到的个人基本信息包括收缩压、舒张 压、身高和体重。由此可以计算出十余项血流参数值，包括：心率、平均动脉压、 心输出量、心搏出量、心脏指数、心搏指数、外周阻力、血管顺应性、总血容量、 血流半更新率、血流半更新时间、血流平均滞留时间口1 。 通过以上的分析，根据脉搏波可以计算出脉搏波形特征量k 值，这为其它血 流参数的计算奠定了基础。首先根据在计算k 值过程中的脉搏波周期检测，可方 便求出脉搏波形的平均周期t ，心率h r 可通过一个周期脉搏波形的数据个数与 系统采样频率计算出 h r ：6 0 # ( 2 2 ) n t 式中f s 是指系统采样频率( h z ) ，n ，指单个周期脉搏波数据个数。 其他主要的血流参数的计算方法如下： ( 1 ) 心搏出量s v ，心脏每搏动一次的输出血量，单位是m l b e a t 。 s v = 警伸一p d ) 木t 浯3 ) 其中t 为脉搏波周期，p s 为收缩压，p d 为舒张压。 ( 2 ) 心输出量c 0 ，心脏每分钟搏动的输出血量，单位是l r a i n c o = = i x 7 - - r ( 风p d ) ( 2 - 4 ) ( 3 ) 外周阻力t p r ，指心脏每搏输出的血液通过外周血管网络到达中心静脉 压力等于0 处所遇到阻力的总和，包括主动脉阻力、肌性动脉阻力毛细血管网和 静脉阻力互相串连的总阻力值，它反映体循环血管各部阻力的综合，具有很高的 临床意义，单位是p r u 。 卯飧：p m ( 2 5 ) c o ( 4 ) 血管顺应性a c ，是反映血管弹性的量，指动脉内血液压力改变一个单 位时对应的动脉体积的相应变化量，单位为m l m m h g 。 4 c ：一里一 ( 2 6 ) p s p d ( 5 ) 体表面积b a s ，指人体总表面积，单位为m 2 。 b a s = 0 0 0 6 i h ( c m ) + o 0 1 2 8 w ( k g ) - 0 1 5 9 2 ( 2 7 ) 其中h 和w 分别为身高和体重，可直接测量得到。 1 5 第二章基于脉搏波的心血管血流参数测量 ( 6 ) 心搏指数s i ，单位体表面积内的每个脉搏周期内输出的血量，单位为m l m 2 。 甜：旦 ( 2 8 ) b s a ( 7 ) 心脏指数c i ，单位体表面积内的每分钟输出的血量，单位为 三i ( m 2 m i 小。 a ：旦 ( 2 9 ) b a s ( 8 ) 血液粘性v ，指血液分子间的内摩擦力，是反映血液粘稠度的量，单 位是p a s 。 v = k 木11 4 3 ( 2 1 0 ) ( 9 ) 总血容量b v ，人体总体血容量，单位为l 。 b v = 2 6 5 木b a s ( 2 一l1 ) ( 1 0 ) 血流半更新率a l k ，血液循环中总血容量一半在微循环内进行更新的 速率，单位为1 s 。 么三k = 0 0 2 5 2 木c ( 2 1 2 ) ( 1 1 ) 血流半更新时间a l t ，血液循环中总血容量一半在微循环内进行更新 所需要的时间，单位为s 。 a l t ：0 6