（生物医学工程专业论文）中医脉象采集系统的研制.pdf

摘要 脉诊是中医四诊的重要组成部分，也是辨证施治不可缺少的客观依据。其信 号带有大量的已知的和未知的生理信息。但是，脉诊的定性化和主观性大大削弱 了其科学意义，成为中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素。因此，脉诊的客 观化研究对我国中医脉学的继承和开拓有着重要的意义。本论文目的是研究与开 发一套新型中医脉象采集系统，用以采集、显示、存储、打印和处理脉象信号。 本着实用、可靠、安全、简洁及高重复性等原则，设计开发了基于单片机 a d u c 8 4 5 的脉象数据采集处理系统：系统采用背式挠性加压，浮动式传感器设计， 既符合中医力量，亦兼顾工程的可行性。对从脉象传感器获取的脉象信号进行调 理，确保所获取的脉象信号质量及幅度；利用单片机上a d c 设计了模数转换电路， 并对信号进行模数转换控制、实时显示存储和打印，为了实现脉象的自动诊断， 系统设计了单片机与p c 的通讯，将脉象数据传给计算机；在上位机界面部分， 设计了基于v c + + 6 0 的m s c o m m 控件制作了人机交互界面，能对采集的脉象信号 进行实时显示与处理，并探讨了在时域、频域对脉象特征进行提取的方法。 本脉象采集系统有解决了传统仪器的准确度与稳定性问题，使其提取的信号 有高重复性，可方便在往后的研究发展中，收集大量的脉搏波形作为信号处理的 依据，使得系统的发展更完备。 关键词：脉象信号；a d u c 8 4 5 ：串行通讯：特征提取 a bs t r a c t p u l s ed i a g n o s i sh o l d sav e r yi m p o r t a n tp o s i t i o ni nt r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n e i t i sa l s oi n d i s p e n s a b l eo b j e c t i v eb a s i so fd i a l e c t i c a lm a n a g e m e n t i t ss i g n a lh a sa l a r g en u m b e ro fk n o w na n du n k n o w np h y s i o l o g i c a li n f o r m a t i o n b u tt h eq u a l i t i e sa n d s u b j e c t i v i t yo fp u l s ed i a g n o s i sg r e a t l yw e a k e n e di t s s c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c e t h e s e b e c a m et h el i m i t a t i o nf a c t o rf o rt h ec h i n e s em e d i c i n ep u l s ed i a g n o s i s a p p l i c a t i o n ， d e v e l o p m e n ta n dc o m m u n i c a t i o n t h u s ，i m p e r s o n a lr e s e a r c ho ft h ep u l s ed i a g n o s i s h a si m p o r t a n tm e a n i n gf o ri n h e r i t i n ga n de x p a n d i n go fo u rc o u n t r yc h i n e s em e d i c i n e t h i sp a p e ri st od e v e l o pa na c q u i s i t i o ns y s t e mo np u l s et r a c i n g so ft r a d i t i o n a l c h i n e s em e d i c i n ew h i c hi su s e dt oa c q u i r e ，d i s p l a y ，s a v e ，p r i n ta n da n a l y z et h ep u l s e w a v e a c c o r d i n gt oc u r r e n tt e c h n i q u ea n dd e v e lo p m e n td i r e c t i o n ，w ed e s i g n e da n d r e s e a r c h e d t h ep r o j e c to fp u l s es i g n a la c q u i r i n ga p p a r a t u sb a s e do na d u c 8 4 5 ： f l e x i b l es y s t e mu s e sb a c k - p r e s s u r e ，f l o a t i n gs e n s o rd e s i g n ，w h i c hi si n l i n ew i t h f o r c e so fc h i n e s em e d i c i n e ，a n dt h es y s t e ma l s ot a k e si n t oa c c o u n tt h ef e a s i b i l i t yo f p r o j e c t s i tc a na c t u a l l yw i t h d r a wt h ep u l s es i g n a l ，a n dt h ea n a l o gs i g n a l c a nb e c o n v e r t e di n t o d i g i t a ls i g n a l a f t e ra m p l i f y i n ga n df i l t e r i n g t h e nt h es i g n a li s d i s p l a y e do nl c d a n dp r i n t e db yt h em i c r o p r i n t e r , a n da l s ot h ep u l s es i g n a lc a nb e s e n ti n t oc o m p u t e r t h ec o m p u t e r ss e r i a li n t e r f a c ei sa c c e s s e dt ot h em s c o m m c o n t r o li nv c + + 6 0 a d o p t i n gt h ea s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nw i t hm c u i tc a n e x a m i n ea n ds h o wt h er e s p i r a t o r ys i g n a l ，a n ds e tc o m m u n i c a t i o np o r ts i m p l yb y a s k i n g i nt h ee n do ft h i sp a p e r ，w ei n t r o d u c et h em e t h o d so f c h a r a c t e ra b s t r a c t i o no f t h e p u l s ew a v e i nt i m e ，f r e q u e n c yd o m a i n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es y s t e ms o l v e st h ep r o b l e mo fa c c u r a c ya n ds t a b i l i t y o ft h ep a s ti n s t r u m e n t s t h es i g n a lo ft h es y s t e mc o u l dh a v eah i g hr e p e a t a b i l i t y t h e r e a f t e r ，t h ec o l l e c t i o n so fa r t e r i a lp u l s es i g n a l sa n ds i g n a lp r o c e s sw i l lb et h em o s t 、w o r ki nt h ef u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：p u l s es i g n a l ，a d u c 8 4 5 ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，f e a t u r ee x t r a c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴做径矛 签字日期：滞艿年易月名目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：础易月 舞 聊虢1 测 6 日i 签字日期：夕一睁月否 同 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 脉诊是祖国医学中重要而独特的诊病方法。医者用食、中、无名三指在寸口 处( 桡骨动脉) 按脉如图1 1 所示，感受其波动的位、数、形、势便可知人体脏 腑之生理和病理的状况，并与望、闻、问诊相互印证，来确定疾病的类型和属性。 所谓“病家不用开口，便知病症根由”，从一定意义上就说明了脉搏包含有丰富 的人体健康状况的信息。 图1 1 中医切脉图 虽然中医脉诊的诊断方法是由无数次的临床经验累积而成，可作为诊断的依 据，但因为仅凭借医者的经验和指下感觉而做出诊断，这样的诊断夹带着太多医 者的主观因素，同一病症的脉象，即使再有经验的中医师也可能得到不同的诊断 结果。随着现代科学技术的不断发展，传统中医脉诊这种由医师主观判断的诊断 方式便受到相当大的质疑。因此如何在中医脉诊理论具有整体观念及辩证论治的 优点上，结合工程技术与统计量化的研究，使其理论具有较高的公正客观性，是 研究中医脉诊现代化所急需研究的方向【l j 。 1 2 课题研究的意义 从近代医学的角度来看，人体循环系统承担着协调全身各组织的能量代谢， 第一章绪论 输送氧气、营养物质，运走代谢废物等重要的工作，还承担运送抗体、激素等物 质以协调整体的动态平衡。从整体的角度对疾病进行综合分析，显然循环系统的 信息将占很重要的比重；从整个循环系统来看桡动脉介于大动脉与小动脉之间， 由于心脏的舒缩、内脏血容量的变化、血管端点阻抗、管道内脉波的反射、血液 的粘滞性、血管壁的粘弹性等因素使脉象携带着有关心脏运动、内脏循环、外周 循环等丰富的心血管系统及整体的动态信息。因此脉诊的临床意义很大，它的机 理是急待于我们进行研究的【2 l 。 脉诊客观化研究是联系中西医的纽带，通过客观化脉象研究，可以中西医结 合，传统医学和现代医学结合，让世界范围的脉诊得到继承和发扬。通过客观化 脉象，可以比较容易地培养和训练一批中医方面的新人，还可以发现和丰富一些 用手指号脉不能感知的脉象特征。客观化脉象也可为评价运动负荷，指导运动训 练，提供一种简洁、快速、有效的科学手段。客观化后的脉象智能检测设备也可 以用于预防和体检，可检测出人的脉龄及血管的老化程度与身体器官的病变，孕 妇和胎儿的观察护理等。 生物识别技术是近年来兴起的一门新技术，它把生物信息与计算机结合起 来，协助人们对生物信号的识别。计算机脉诊作为生物识别的一个分支，把中国 传统医学中的脉诊与计算机结合起来，用计算机实现对人体脉搏信号的自动采 集、处理、识别，最后达到诊病的目的。中医自动脉诊是新兴的诊病科学，由于 它具有无痛无伤，能用于实时检测等特点，将会成为辅助诊治的有效手段。中医 自动脉诊的发展将会带来巨大的社会效益和经济效益。在计算机和网络迅速发展 的今天，自动脉诊系统使远程就诊成为可能，采集者只需要把自己的脉搏信息输 入数据库，远程系统就会让医生结合脉象图进一步分析采集者的身体状况，将给 患者带来极大的方便。 1 3 国内外研究现状 多年来，国内在脉诊客观化方面做了大量工作。从二十世纪五十年代起，北 京中医药大学、上海中医药大学、西北工业大学、台湾等地的学者对脉象客观化 进行了大量研究，并取得了一系列成绩。另外，日本、韩国、德国、加拿大、俄 罗斯和美国等学者也对中医脉诊客观化进行了研究。 在脉诊客观化研究方面，按研究方向可以分为采集系统研制、客观化数字特 征分析与诊断、脉象的机理建模、临床脉诊应用研究等四个方面。本文主要回顾 前两个方面的国内外研究现状。 2 第一章绪论 1 3 1 脉象采集系统的研制现状 脉象采集系统的研究主要分为两个方面：一是脉象传感器，二是脉象仪系统。 其中脉象传感器是最关键的，它所采集的信息将直接影响后面的信息分析，最终 决定脉波分析系统的检测性能。 h 前应用的脉象传感器种类繁多，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，即压力传感器；另一种则是通 过感受脉管容积的变化来描述脉象，即光电传感器：第三种即传声器，是利用声 学原理，拾取由脉搏引起的振动，即所谓听信号：第四种是超声多普勒检测技术。 根据传感器探头又可分为单探头、双探头、三探头等多种形式”i 。 近些年来国内村l 继开发了多种不同类型的脉象采集系统，如北京的l p c p s 型分析仪、上海中医药大学的z m i 、z m i i i 型脉象仪、天津的m t y - 2 型脉图仪 等，另外，国外也研究出了一些脉象仪如德国p a i k 和y o o 的电子脉象仪能描 出虚实寒热的脉象。俄罗斯、意大利、日本和韩国等也都研究出类似的仪器，但 他们依据的医学理论同传统的中医脉诊有些不同。 图1 2 所示为由北京中医药大学和中圜医学科学院牛物医学工程研究所科研 人员共同合作研制的b i o m e 百脉中医脉诊仪，该产品的研究起点比较高，集台 了仿人手指的柔性压力传感器，三维定位，多路信号复合采集和综合分析等优点。 图i - 2b i o m e 百脉中医脉诊仅 第一章绪论 1 3 2 脉象信号数字分析研究现状 脉象信号的分析包括脉象信号特征提取、脉象信号模式识别和分类两步。 1 3 2 1 脉象信号特征提取方法 脉象信号处理与特征提取所采用的方法主要分为时域分析法、频域分析法、 非线性分析法等。 1 时域分析法 时域分析法是目前应用最广泛的一种分析方法。它直接通过对脉搏波的形态 分析，来阐明动脉血管内流体参量与时间和空间的函数关系。李冰星等运用多元 回归分析，提取阳虚、气虚患者的脉搏波特征指标，得出了回归方程，提示以脉 搏波参数作为客观化指标之一是可行的。朱传湘等测量迟、数、缓、平脉各4 0 例的脉象参数，结果脉动周期时间：数脉为0 6 4 0 0 4 秒，迟脉为1 1 6 0 2 5 秒， 缓脉为o 9 7 4 - 0 0 4 秒，与平脉周期相比有非常显著的差别，说明上述三种脉象的 时值变化是主要的，这与历代文献和现代临床医师的看法比较接近。钱宗才描述 了在脉搏波信号采集过程中取法压力的标记，以及信号系数解释系统，并扼要地 介绍非参数回归近邻权函数的估计和实验方法。李敏等观察比较桡动脉直径内从 中间到两边的七个等分点上压力随时间变化的波形，检测后发现细脉者中间到两 边的峰高下降快而且平均值较小，并设想用脉搏波面积积分和七个脉搏波平均峰 值的乘积作为鉴别脉道粗细的指标，与中医切脉符合率达8 0 左右。朱德增用逐 步回归分析法对测得的脉搏波的2 4 项血流动力学指标进行多因素分析，其中7 项指标被选进建立细脉者血瘀证判别式，用判别式判断血瘀证，与临床辨证结果 有很高的符合率。 2 频域分析法 频域分析是近现代工程学中常用的一种处理波动信息的方法。贵州华有德等 运用信息离散谱的理论与方法，对脉搏波的压力波与容量波数据作了频谱分析。 台湾新竹交通大学利用电子计算机对肝炎、心脏病和胃肠道病人的脉象进行频谱 分析，并引入了能率的概念。彭世喜等运用频谱分析法发现病理性弦、细、滑脉 的脉象图各段能量分布不同，认为此方法是中医脉象客观研究的有效新途径。 1 9 9 0 年台大尤景良以临床住院肝癌、肝硬化患者为研究对象，在测量2 5 例患者 脉搏波后发现，肝脏及消化系统的实质病变与脉搏诸波频谱异常有关。1 9 9 1 年 许英伟、杨明兴对住院肾脏患者作脉搏波谐波频谱的研究，也再次证明了体内脏 器确与特定的心跳谐振波有密切关联。1 9 9 3 年台中中国医药学院张修诚等以脉 搏波谐波频谱分析进行中医脉象学说与器官共振理论的相关研究，并分别从经络 与器官共振理论，肝机能异常与脉搏波频谱异常，以及中医肝阴不足证的脉搏波 4 第一章绪论 频谱分析中，探讨中医脉象的形成机理。 3 非线性分析法 由于以前的脉象研究主要集中在线性方法上，这使得目前脉象研究仍停留在 简单的分析水平。目前，非线性方法研究生物信号己取得了公认的大量的成绩。 实际的人体系统是一个非线性系统，因此更需要使用非线性方法进行分析。 n a s c h i t z 等用分形和递归图分析了脉搏的传输时间。李方洁等运用l o r e n z 图对脉象进行表达，发现正常脉的l o r e n z 图呈“棒状”，并对迟、数、促、结、 代脉的l o r e n z 图进行了分析。m a n i w a 运用混沌方法来分析病人的指端脉搏加速 度波，首先把脉搏信号在相图展开，再用轨道分析法和递归图法来分析，从而评 价一些疾病的严重程度。有很多方法可用来揭示生理信号的动力学特性，如 g r a s s b e r g e r - p r o c a c c i a 算法、最大l y a p u n o v 指数、相关维、粗粒化熵等等。而且 大量的新的非线性方法已经成功的应用到其他的生理信号如语音、e c g 、e e g 等等，这些方法也可以应用到脉象信号中。此外，随着非线性系统分析方法进一 步发展和成熟，小波、分形和混沌等理论作为研究工具，将在医学领域发挥更重 要的作用1 4 1 。 1 3 2 2 脉象模式识别与分类 脉象模式分类国内外也都做了大量的工作，主要运用多因素脉图识别法，句 法模式识别法，自适应a r 模型方法，样本训练方法，模糊逻辑，聚类分析等等。 样本训练与聚类是近期出现的，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训练特征向量库，训练得到脉象分类器。王 炳和等采用三层的人工神经网络( 8 5 7 ) 识别七种中医脉象，平均识别率达到 8 7 。此外，王炳和等还采用了对脉象数据进行特征提取、压缩，然后再用 f u z z y - p f s r 方法进行模糊聚类的方法对四种脉象进行识别，识别率达到7 5 。 a l l e n 等运用了线性判别、k 近邻、神经网络来区分正常人和外周血管骑兵病人， 分别得到了7 1 ，7 6 和8 0 的正确率，发现脉象的神经网络的区分效果最好。 杨玉星、全黎明、陈荣山等人也用各自不同的识别方法对脉象进行识别，也取得 了较高的正确率。 1 4 本文研究的主要内容 如前所述，中医脉象仪硬件系统进展很快，但是这些脉象仪有着自己不同的 缺点。首先，在脉象传感器选择和定位设计方面，大部分脉象采集系统使用硬性 接触面接触人体桡动脉，不同程度地影响了人体脉象。而传感器定位到人体桡动 第一章绪论 脉处的装置受人体抖动影响大，不容易实现逐步施压和选准脉象测试点。 在脉象信息的显示和存储方面一般是直接运用心电图机或多道生理记录仪 打印出来，没有再生和实时单机显示的功能，打印完之后就再也不能得到当时的 脉象信息了。没有实时显示，使得打印的脉搏波并不一定是最佳的，而加之使用 心电图机或多道生理记录仪，使得仪器成本增加，并且仪器笨重，不便携带。而 利用计算机来对脉象信息进行存储，把脉象信息存储在计算机里，而且利用上位 机程序能对脉象信息进行图形再现，可以随时的再现脉象的波形，而且在显示脉 象波形的时候还可以对波形进行宽度调整。可以是波形变得非常易于观察，同时 利用上位机的速度和容量，可编制程序对脉象信号进行处理分析。这是前面所列 举的脉象仪不能做到的。 本论文结合实际的脉象采集系统的设计，主要完成以下方面内容： 1 在研究中医脉象信号特点的基础上，设计并研制新型脉象采集装置，该装置 可单机运行，在仪器图形点阵液晶上实时显示脉搏波形，并可打印脉搏波形。 2 编写单片机程序控制a d 采集，液晶显示和打印机打印，并在上位机上设计 软件和脉象采集装置进行串口通讯，并对串口数据进行实时显示和存储。 3 对脉搏波时频特征参数进行分析，并使用m a t l a b 工具对采集的样本数据 的时频特征进行提取和处理。 6 第二章中医脉象采集系统的硬件设计 第二章中医脉象采集系统的硬件设计 脉象信息的客观化是指运用现代电子工业的先进仪器，如脉象仪，和采用科 学的测试技术与方法，对脉象信号进行测绘，然后在此基础上利用计算机能够储 存和处理大量信息的优势，对脉图进行定量分析，实现脉图的自动判别。 本章将结合具体的项目，对数据采集系统的硬件设计做详细的介绍。 2 1 系统硬件总体结构 人的脉搏信号从时域上看，是一个周期性较强的准周期信号。脉搏波动频率 为6 0 8 0 次m i n ，其频率成分主要分布在0 - 2 0 h z 之间，属于次声，最高频率不 超过4 0 h z ，在实际过程中，为了提取准确的脉象信号，减小干扰，我们采用医 学专用传感器把脉象信号提取出来。而传感器的定位装置对传感器提取脉象信号 有着十分重要的作用，故设计合适的定位装置是本系统的重要环节，参考已有的 脉象采集系统，我们发现，这些系统采集得到的脉搏波信号不稳定，受人体轻微 抖动影响大，并且在取脉压力逐级加大过程中，会出现加压不稳的问题。在这里 我们将传感器固定在袖带上，绑于人手桡动脉处，采用气路加压的方式可明显减 小人体抖动对传感器的影响，并通过控制加压器件，可实现稳定的逐级加压。 由医学专用传感器出来的信号非常微弱，而且还有一定的噪声，因此必须要 经过放大和滤波，这个放大电路的放大倍数一定要足够大，而且还要保证不失真， 同时输入电阻也要足够大。将信号处理成为适度大小的模拟信号，因为我们要用 液晶来显示脉象，并且要对选定的脉象使用微型打印机进行打印，所以，我们必 须要把模拟的脉象信号通过a d 转换，变成数字信号，然后在液晶上实时显示， 并可进行打印。为了能利用上位机强大的运算速度和存储容量，然后在通过数据 采集系统把转换过来的数字信号采集送给计算机。可由计算机来实现脉象信号的 显示和分析。 基于以上思路并结合传统中医脉诊的特剧5 1 ，本项目设计的中医脉象采集系 统主要包括脉象传感器，传感器接口电路，单片机微控制器，液晶显示，微型打 印机和计算机软件存储与处理等几个部分，如图2 1 所示。 7 第二章中医脉象采集系统的硬件设计 图2 1 中医脉象采集系统框图 脉搏传感器选择专用的脉象传感器，要求其稳定，重复性好，直流线性度高， 输出信号稳定，干扰小；气路系统则分为气泵打气、电磁阀慢放气和气阀快放气 三部分；传感器接口电路则将传感器输出信号分为两路，直流取脉压力信号和交 流脉搏波信号，对两路分别进行处理输出至集成了a d 模数转换功能的单片机 进行液晶显示和波形打印，并可将信号通过串口输出至计算机，利用上位机软件 进行示波，存储，特征提取和脉象识别。 2 2 传感器及接口电路设计 2 2 1 传感器选择 脉搏传感器的基本功能是将脉搏压力这样的物理量转换为便于测量的电量。 脉搏传感器是脉搏波检测的重要组成部分，它性能好坏直接影响检出脉搏波的质 量。为了更好地模拟医生用手指切脉所感知到的脉搏波，本系统的压力换能器选 用软接触式的换能器。软接触压力换能器改善了刚性触头与皮肤软组织的接触状 态。而脉象信号应理解为是切脉压力信号和脉搏信号的迭加，中医脉象信号的这 一特点，确定了中医脉象传感器的选择原则。 基于上述要求和原则，本设计选用由合肥华科电子技术研究所生产的 h k 2 0 0 0 g 型脉搏传感器，如图2 - 2 所示，该传感器采用硅半导体材料，利用半 导体材料的压阻效应( 即对其某一方向施加压力，其电阻率就发生变化) 而制成， 具有高集成化，可靠性高，体积小，灵敏度高，使用寿命长等特点。 8 第二章中医脉象采集系统的硬件设计 图2 - 2h k 2 0 0 0 g 脉搏传感器 半导体压阻式压力传感器足由四个等值电阻组成惠式电桥，如图2 - 3 所示 可由电压或电流驱动产生正比于输入压力的毫伏等级电压输出信号。 图2 3 惠式屯桥 该传感器的额定驱动电压为5 v ，额定驱动电流为l5 m a ，电桥电阻典型值 为5 k q ，满量程输出电压在7 5 m v 左右，具有最佳匹配线性，零点漂移小，温漂 低，最高可测5 8 p s i 的压力，而传感器的直径为1 6 r a m ，厚度为6 r a m ，十分小 巧，携带方便。 2 2 2 脉象信号放大器设计要求 脉象信号的特点是微弱与低频。由脉象信号传感器提取出的信号是m v 数 量级，须经过信号调理才能进行模数转换，因此，信号调理必须具有一些必备的 性能。首先，电路必须具有很高的共模抑制比，同时电路的输入阻抗也是一个很 重要的参数高输入阻抗可以有效减小信号源内阻的影响。相对于生理信号的低 第二章中医脉象采集系统的硬件设计 幅值而言，调理电路的低噪声、低漂移等指标也是极为重要的。 总结起来对一些频率低，变化慢，信号弱的生理信号如脉搏信号的采集，信 号源阻抗较高，并常伴随着较强的背景噪声和干扰，对电路的基本要求有： 1 高增益：前置放大器放大倍数一般应在8 0 d b 1 2 0 d b 之间； 2 高共模抑制比：放大器必须要具有好的抗干扰能力，一般要有6 0 d b 以上的 c m r r ； 3 高输入阻抗：一般不小于2 mq ，有的可达1 0 0 mq ，否则，所测信号会产生 很大的误差，同时也会降低整体的抗干扰能力； 4 低噪声：若放大器本身噪声较高，会将有用的微弱信号淹没，输入噪声应在 | lv 数量级； 5 低漂移：漂移经中间级和功率级放大，会影响记录，因此要求前置放大器因 温度引起的零点漂移尽可能小； 6 高安全性； 7 宽的线性工作范围等。 2 2 3 传感器接口电路 脉象传感器接口电路包括恒流源供电、前置放大器、滤波器和主放大器等几 部分组成，如框图2 4 所示。 图2 _ 4 传感器接口电路框图 1 恒流源供电部分 该脉搏传感器可采用恒压源或恒流源二种方式作为驱动，若直接接上电源， 电源的输出的不稳定会影响到传感器的准确度，故大多有电源电路设计。以r l 、 r 2 、r 3 、o p l 为一定电流设计，如图2 5 所示，再接上传感器电源端，就能给 予传感器一稳定电流源。 l o 第二章中医脉象采集系统的硬件设计 圈25 恒流源供电电路 该电流源的的电流推导如公式( 2 - 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 所示。 m ，= ( 2 - 】) 1 k2 焘( 2 - 2 ) 2 ”面署高 ( 2 。) 2 前置放大电路 一个系统的抗干扰能力主要取决于前置级。一般生物电放大器都采用由三运 放组成的仪表放大器，这种电路能有效地抑制共模信号，放大差模信号。本系统 采用美国a d i 公司生产的单电源供电仪表放大器a d 6 2 3 作为前置放大器，它有 蛆下主要特点： ( 1 ) 在单电源3 】2 v 下提供满电源幅度输出，使设计更为简单： ( 2 ) 增益通过一只外接电阻可方便地调节，无外接电阻时，被设置为单位增 益( g - ) ，接入电阻时，增益可高达1 0 0 0 ； ( 3 ) 共模抑制比随增益的增加而增大，保持最小误差，且在增益为1 0 倍时共 模抑制比最小为9 0 d b ： ( 4 ) 低功耗，宽电源电压，适合电池供屯电路，线性度、温度稳定性、可靠 性好： ( 5 ) 高精度直流、交流性能。 a d 6 2 3 非常适合压力传感器测量方面的应用。 第二章中医脉象采集系统的硬件设计 鼍r 图2 - 6a d 6 2 3 单电源前置放大电路 如图2 - 6 所示，即为a d 6 2 3 用于本设计中的前置放大电路，其中1 、8 脚跨 接一电位器r 3 调整放大倍率，管脚7 接+ 5 v 电源，电容c 1 2 为去耦电容，管脚 4 接地，管脚2 、3 接传感器两输出端，管脚5 接参考基准地2 5 v ，管脚6 即为 与参考地之间的相对输出电压。a d 6 2 3 的放大增益公式如式( 2 4 ) 所示。 g ：4 9 4 k q + 1 ( 2 4 ) 磁 其中稚即为图2 - 6 中的电位器r 3 ，g 即为放大增益。 仪表放大器a d 6 2 3 构成的前置放大级的放大倍数同传感器输出信号和单片 机a d 转换的输入范围有关，本系统的脉搏传感器输出信号是直流取脉压力和交 流脉搏波压力的叠加，直流取脉压力的输出信号幅值远大于交流脉搏波压力信 号，传感器的最大输出电压为7 5 1 0 0 m v ，对应的最大压力为5 8 p s i ，而 1 p s i = 0 0 7 0 3 k g c m 2 ，传感器的接触面积为0 6 4 c m 2 ，所以传感器的可承受的最大 压力约相当于中医上所说的2 6 0 9 压力，而单片机的输入范围最大可到2 5 6 v ， 考虑到单电源供电对后级放大器的影响，因此可设置前置放大级的放大倍数为 g = 2 0 倍，对直流取脉压力信号可以不用主放大，输入至a d 进行转换。 3 滤波电路 由于传感器输出的脉象信号是取脉压力直流信号和交流脉搏波信号的叠加， 所以通过两路分别进行处理。 ( 1 ) 取脉压力滤波电路 取脉压力信号可以用一个通带截止频率为0 0 8 h z 的低通滤波器取得，如下 图2 7 所示。 1 2 第二章中医脉象采集系统的硬件设计 图2 - 7 取脉压力低通滤波电路 图2 7 的截止频率数值为： f ：士：j f 忑0 0 8 h z ，= 一= 一# g 力 2 万r ，g 2 x 3 1 4 x 2 0 0 x 1 0 3 1 0 x 1 0 “ 该滤波器不仅可以滤除交流脉搏波信号，还可以滤除o 15 0 3 h z 的基线漂 移干扰，使得到的直流取脉压力信号更加稳定。 如前所述，取脉压力信号在m v 级以上，前置放大电路放大倍数已足够得到 清晰的直流压力信号，所以对该路不进行主放大。 ( 2 ) 脉搏波滤波电路 脉搏波信号的失真程度主要取决于放大电路的上限截止频率和时间常数电 路，对于典型的脉搏波信号的频谱分析表明，脉搏波信号的频率主要分布在2 0 h z 的频率范围之内，属于次声波，最高不超过4 0 h z 。要根据脉搏信号的频率范围 合理地设计时间常数电路。如果电路的时间常数选得过小，会造成信号的低频分 量严重衰减。本级高通滤波器的下限截止频率为0 0 8 h z ，可以保证脉搏波的低 频分量不会失真，本级放大器的上限截止频率在4 0 h z 左右，信号的高频成分也 不会失真，如图2 8 、2 - 9 所示。 叫 1 0 u v g n d 图2 - 80 0 8 h z 高通滤波电路 图2 - 8 的截止频率数值为： 7 f ：2 - = 二2 二了0 0 8 h z 2 万r l oc 1 4 2 x 3 1 4 x 2 0 0 x 1 0 3x 1 0 1 0 “” t 喜 第二章中医脉象采集系统的硬件设计 c l v g n d 图2 - 9 二阶滤波电路 如图2 - 9 所示为s a l l e n k e y 滤波器，它是一种流行的广泛的单电源二阶滤波 器，成本很低，只需要一个运放和四个无源器件组成，这个电路是一个单位增益 电路，理论上具有4 0 d b 每倍频的幅频特性，实际上该滤波器就是增益为l 的 b u t t e r w o r t h 滤波器。通过式( 2 5 ) 计算截止频率： f o = 1 2 ( 4 z r l c 2 ) ( 2 - 5 ) 其中r 1 = r 2 ，c 2 = 2 c 1 ，取f o = 4 0 h z ，可取其中r 1 - r 2 - - 5 1 k q ，c 1 = l u f , c 2 = 0 4 7 u f , 实际测得电路截止频率约为3 8 h z 。 4 主放大电路 由于脉搏传感器输出信号是取脉压力信号和脉搏波压力信号的叠加，而取脉 压力信号幅值比脉搏波压力信号大的多，在m v 级以上，所以前置放大电路放大 倍数不能太大，在此前置放大电路的放大电路设置为2 0 倍左右，使得取脉压力 信号的幅值最大不超过2 5 v ，对脉搏波压力信号来说，前置放大的倍数不够产 生较好信噪比的信号，故在后级电路加入滤波电路和主放大电路。主放大电路可 任意调节放大倍数，以使输出的信号与单片机a d 转换电路电压输入量程相匹 配。主放大电路图如图2 1 0 所示。 u 1 d 图2 1 0 主放大电路 图2 1 0 所示的主放大电路的增益计算公式如式( 2 6 ) 所示。 1 4 第二章中医脉象采集系统的硬件设计 g ：堕 马。 2 3 气路系统设计 ( 2 - 6 ) 中医切脉时存在着“最佳取法压力，在此压力下将会感受到最大的振幅和 最清晰的形态特征。脉象的许多重要特征正是在这种状态下探测的。取法压力大 于或小于最佳值，感受到的脉搏振幅或强度都要减小，形态特征也会变模糊。因 此，取法压力要合理地选取。如何合理选择取法压力对中医脉象仪器的研制有着 至关重要的作用。上海中医药大学研制的z m i i i 型脉象采集系统使用的是刚性 调节螺杆，人手的抖动对取脉压力的干扰很大，鉴于此，本设计中使用气路系统 来控制取脉压力，如图2 1 1 所示。 图2 1 1 脉象采集系统气路系统 气路系统由迷你气泵、快速泄气阀、微型电磁阀、放气阀、袖带和一些胶管 连接而成，迷你气泵用于给整个气路系统打气，快速泄气阀用于快速放气，电磁 阀和放气阀组成慢速放气单元，袖带上嵌有传感器，绑于人手腕处。 本系统使用科际器材股份有限公司生产的型号为k p m 2 7 c 的迷你气泵，如 图2 1 2 为迷你气泵实物图，额定电压为6 v ，额定电流小于4 3 0 m a ，向5 0 0 c c 容器中充气从0 到3 0 0 m m h g 需时小于1 0 s ，空载流量大于1 8 l p m ，最大压力可 达4 0 0 m m h g ，气密性优良，噪音低，应用于医疗器械装备等领域。系统中该气 泵控制简单，只需三极管和限流电阻即可控制，如图2 1 3 所示。 第二罩中医脉象采集系统的硬件设计 图2 1 2 迷你气泵实物图 副。 7 图2 - 13 迷你气泵控制电路 本系统的快速泄气嘲使用科际公司的型号为k s v 0 5 a 的产品，如图2 - 1 4 所 示，该快速泄气阀额定电压为5 v ，额定电流为1 1 0 m a ，将1 0 0 c c 容器中3 0 0 m m h g 的气体泄到l5 m m h g 所需的泄气时间不超过3 s ，具有较高的泄气速度和优良的 密封性能。由于该泄气阀加5 v 电压时关闭泄气功能，不加电压时开启泄气功能， 故其驱动电路设计如图2 - 15 所示，图中d 4 二极管用于泄流，电解电容可进行滤 波，降低快速泄气阀开关时对电路的干扰。 图2 一】4 快速泄气阀实物图 第二章中医脉象采集系统的硬件设计 图2 15 快速泄气润控制电路 电磁阀实物图如2 - 1 6 所示，该电磁阀额定电压为2 4 v ，额定功率小于3 2 w ， 通径十6 m m 、工作压力0 - 08 m p a ( 零启动) d c 2 4 v 电磁阀，阀体采用聚碳酸脂 材料，具有透明、无毒、无味、食品级抗腐蚀性、抗冲击性、韧性强的特点，并 具有耐热耐寒性。电磁阀驱动电路如图2 1 7 所示光耦是为以后用单片机管脚 进行控制预留的，直接使用开关控制可不需要。 圈2 1 6 电磁阀实物图 图2 - 17 电磁阀控制电路 系统工作时当需要增大取脉压力时，可打开气泵( 图2 - 13 ) 进行充气，袖带 中气体量不断增加，使传感器压在人手腕脉搏的压力增大，当压力增大到所要求 第二章中医脉象采集系统的硬件设计 的值时，停止气泵，进行数据采集，当需要下降一个取脉压力单位时，可使用慢 放气单元，慢放气单元的开启和关闭由电磁阀驱动电路( 图2 1 7 ) 控制，而放气 阀则是等待其进气口的气体量到达一定压力值时就自动放气，放气量较小，当需 要迅速放气时则使用到快速泄气阀单元，该单元由气阀驱动电路( 图2 1 5 ) 控制， 放气量大，速度快。 该气路系统设计使袖带将传感器包裹压在人体桡动脉处，可使传感器牢固贴 在人体皮肤上不受人体抖动等影响，可快速得到稳定的取脉压力。 2 4 基于a d u c 8 4 5 单片机的硬件电路设计 a d u c 8 4 5 是a d i 公司新推出的高性能2 4 位数据采集与处理系统，它内部 集成有两个高分辨率的a a d c 、1 0 8 通道输入多路复用器、一个8 位m c u 和程序数据闪速电擦除存储器。同时可提供6 2 k 字节的闪速电擦除程序存 储器，4 k 字节闪速电擦除数据存储器和2 3 0 4 字节的数据r a m 。 a d u c 8 4 5 可通过一个片内锁相环p l l 产生一个1 2 。5 8 m h z 的高频时钟，以 使之运行于3 2k h z 外部晶振。该时钟可通过一个从m c u 核心时钟工作频率分 离的可编程时钟发送。片内微控制器是一个优化的单指令周期8 0 5 2 闪存m c u 。 该m c u 在保持与8 0 5 1 一指令系统兼容的同时，具有1 2 5 8 m i p s 的性能。该芯片 的两个独立的a d c ( 主a d c 和辅助a d c ) 由一个输入多路复用器，一个温度 传感器和一个可直接测量低幅度信号的可编程增益放大器p g a 组成。主、辅a d c 都采用高频“斩波”技术来提供优良的直流( d c ) 失调和失调漂移指标，因而非常 适合用于低温漂且对噪声抑制和抗电磁干扰能力要求较高的应用场合。 a d u c 8 4 5 具有串行下载和调试模式，可通过e a 引脚提供单引脚竞争模式， 同时支持q u i c ks t a r t 开发系统和低成本的软件和硬件工具。该芯片采用5 2 引脚 塑料四方扁平封装( m q f p ) 和5 6 引脚芯片级封装( c s p ) 【7 1 。 第二章中医脉象采集系统的硬件设计 i - o _ - i i o i h c o h t 即1 1 e 2 + i t e f i n i i e f l n 一 曩e s e 了 燮巫匿巫 压压丽 婪爹袁簧h 犍霭参= 芬捡蒯l l 电压参考 i 臣曼巫爱豳匦固! 一鲎星鲨 酬嚣 圆圈 圈匝圈 l e x c i l e x c 2 l l a c 舢 啊l 图2 1 8a d u c 8 4 5 内部结构功能框图 如图2 18 内部结构功能框图所示，a d u c 8 4 5 内部功能模块包含一个位于 a d c 之前以便直接测量低幅度信号的可编程增益放大器( p g a ) 、一个1 2 位电压 输出数模转换器( d a c ) 、两个灵活的脉宽调带t j ( p w m ) 输出、两个电流源、一个基 准电压源、一个从3 2 k h z 晶振产生1 2 5 8 m h z 时钟的振荡器与锁相环( p l l ) 以及 u a r t 、s p i 和1 2 c 通信端口。 本课题设计中，由于a d u c 8 4 5 内部含有a d 及d a 模块、用于存储程序的 大容量存储器及通信接口，因此只需很少的外围元件就能工作。 单片机用晶体振荡器产生准确、稳定的时钟( 频率) ，以保证单片机内部各 个部件协调、同步、稳定地运行。本系统采用3 2 7 6 8 k h z 的晶振，并在单片机周 围布0 1 u 的小电容以用于电源退耦，防止电源线上的干扰影响到单片机工作。 单片机复位电路如图2 1 9 所示。 图2 1 9 单片机复位电路 1 9 第二章中医脉象采集系统的硬件设计 与c 1 9 并联的按键s 6 用于手动复位，在单片机不能正常工作，如不能下载 程序，或运行不正常，可以按下s 6 ，r e s e t 端出现短暂的高电平，使单片机复 位。 2 4 1 模拟信号a d 采集单元 a d u c 8 4 5 内含两个1 0 通道( m q f p 封装为8 通道) 2 4 位z 1 a d c ( 主通道 和辅助通道) 、一个片内可编程增益放大器和一个用于测量宽动态范围的低频信 号数字滤波器。它可被设置成4 5 个全差分输入通道或8 10 个伪差分通道。主通 道具有缓冲器和内部缓冲禁止功能。缓冲输入通道意味着这部分电路可处理较高 内阻的信号源，而且可在输入通道前加入模拟r c 滤波器( 以便滤除噪声和降低 射频干扰) 。主通道输入范围在2 0 m v , - - - , 2 5 6 v 之间可分为8 档，使用时可任 选一档。这些通道用于转换直接来自传感器的信号，且没有外部信号条件要求。 内部缓冲禁止时，可以采用外部缓冲。当内部缓冲器使能时，必须对负输入通道 进行1 0 0 m v 的补偿，以解决缓冲器内共模输入范围有限的问题。辅助通道用于 接收辅助信号的输入，此通道无缓冲器，只有一个固定值为2 5 6 v