脉搏波检测系统的数字化设计方法.doc

脉搏波检测系统的数字化设计方法脉搏波检测系统的数字化设计方法1.引言 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用过摸脉作为诊断疾病的手段.脉搏波所呈现出的形态(波形),强度(波幅),速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息,在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景1.但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号, 必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求. 从文献2-6可以看出,目前的指端脉搏检测系统都是采用模拟技术来完成滤波,放大整型等处理,再经过模数转换和进一步处理.这种方法不仅增加了硬件的复杂程度,增大了功耗和体积,更主要的是增加了系统不可靠和不稳定因素.随着电子测量技术的迅速发展,现代电子测量仪器以极快的速度向数字化,自动化的方向发展.本文针对目前的脉搏波检测系统的问题,提出了脉搏波检测系统的数字化设计思想,采用了ADI公司生产的ADC841单片机7,它的体积小,功耗低,内部集成了8052微处理器的内核,精确,高速的8通道12位模数转换(其最高转换速率420Ksps),双12位的输出电压数模转换器,并提供了62k字节闪速/ 电擦除程序存储器,8k字节闪速/ 电擦除数据存储器,以及2304字节的数据RAM等.本系统利用过采样技术,通过对光电转换后的电信号高速采样实现高分辨率模数转换,然后再进行数字滤波处理,从而代替原有模拟电路完成放大滤波等工作,以简化设计,提高系统稳定性.2.脉搏波检测电路根据文献3-文献6,目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法:光电容积脉搏波法,液体耦合腔脉搏传感器,压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器.近年来, 光电检测技术在临床医学应用中发展很快, 这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰, 具有很高的绝缘性, 且可非侵入地检测病人各种症状信息.用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视.本系统设计了指套式的透射型光电传感器, 实现了光电隔离,减少了对后级模拟电路的干扰,结构如图1 所示.图1 透射式光电传感器传感器由发光二级管和光敏二极管组成, 其工作原理是: 发光二极管发出的光透射过手指,经过手指组织的血液吸收和衰减,由光敏二极管接收.由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化,所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的, 于是光敏二极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化.2.1 光发射电路经实验可知,采用GaAs红外发光二极管作为光源时,可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移.脉搏波检测以光电检测技术为基础,因此受周围杂散光,暗电流等各种干扰影响较大.为了克服这一问题本系统采用脉冲振幅光调制技术.脉冲调制传送的是调制信号的采样值,只要采样频率奈奎斯特采样频率,则可由采样脉冲来恢复原信号,而不会导致失真.系统对红外二极管的驱动脉冲信号的频率选定为工频整数倍400Hz以降低工频干扰.脉冲载波由ADuC841内部16位数模转换器产生.为了保证红外发光二极管的光源稳定,本文采用运放op495和NPN型三极管作为恒流源电路向发光二极管提供稳定的工作电流,光源驱动电路如图2所示.2.2 光电转换电路光敏二极管的特性是将光信号转换为电流,而随后的A/D转换电路是以电压为检测对象.因此,接收电路中应采用电流电压变换电路,将电流信号转换为电压信号.运算放大器与电阻R形成电流电压变换电路,如图3所示.(图中S_GND为信号地,运算放大器工作正负电源为5V,0V,为避免信号丢失,将信号抬高至VS_GND=1V.)电路输出电压.图2 发光二极管驱动电路 图3 光敏二极管的电流电压转换电路3.信号采集及处理系统 由于光电脉搏波属于缓慢变化的微弱生理信号,信噪比低,极易受到环境噪声和肢体运动的干扰.传统的光电脉搏波信号检测电路都采用高增益放大器,以获得较高的检测灵敏度,这种设计思路导致了检测信号动态范围缩小,在受到运动干扰时,将导致由于干扰信号而带来的光电脉搏波信号检测的饱和失真.本系统采用过采样技术,通过对信号的高速采样来提高采样精度,相当于用高分辨率的ADC对信号进行模数转换,达到了提高信噪比并改善动态范围的效果.因此本系统对经过光电转换后的信号进行模数转换而不需要任何信号调理(放大和滤波)电路.3.1 过采样技术的应用所谓过采样技术是指以远远高于奈奎斯特(Nyquist)采样频率的频率对模拟信号进行采样的方法.由信号采样量化理论可知,若输入信号的最小幅度大于量化器的量化电平,并且输入信号的幅度随机分布,则量化噪声的总功率是一个常数,在0fs/2的频带范围内均匀分布8.因此量化噪声电平与采样频率成反比,如果提高采样频率,则可以降低量化噪声电平,而由于基带是固定不变的,因而减少了基带范围内的噪声功率,提高了信噪比,从而提高分辨率,并且采样频率每提高4倍,则信噪比提高4倍,相当于A/DC的分辨率提高1位9.本文设计的脉搏检测系统正是利用了这一原理,在A/DC过采样之后进行数字滤波,大部分噪声被数字滤波器滤掉,这样量化噪声就降低了,即提高了系统信噪比.系统采用FIR结构的滑动平均滤波器,在过采样之后对数据进行数字抽取滤波.滑动平均滤波器系统传递函数为.该滤波器的作用是滤波,抽取和抗混叠.滤波器为一个数字低通滤波器,主要是滤除采样信号频带以外的高频量化噪声,并维持信号频带以内的信号基本不变,相当于增加了数字信号的有效分辨率;抽取是将采样得到的高速低分辨率的数字信号的抽样频率降至奈奎斯特采样频率,进而完成高分辨率数字信号的重构;抗混叠主要是滤除降低取样频率后可能出现的混叠噪声.本文利用ADC841单片机内部的12位ADC对光电转换后的02.5V 的电信号进行采样,由于本身具有一定的分辨率,要求的过采样倍数不会太高,ADC的速度可以满足应用.而数字滤波和抽取均通过软件来实现,配置灵活.3.2 系统软件设计本系统的硬件平台的核心为ADuC841,其片内微控制器是一个优化的单指令周期8052 闪存MCU,它的指令系统保持与8051指令系统兼容.ADuC内程序主要功能为:1)系统初始化;2)改变DAC0电平状态,驱动红外光二极管;3)管理ADC进行数据采集;3)数字滤波处理4)与中央监测系统或计算机进行实时数据传输.本文选用ADI公司的单片机ADmC841,其内部集成了速度可达400k的12位逐次逼近型ADC,模拟输入范围是0-2.5v,则分辨率为0.6mv/LSB.从软件需求和单片机速度出发,将ADC采样率fs定为102.4kHz,为便于计算,将过采样倍数k定为64,则下抽取后采样率为f为:fs/k=1600Hz,是频率为400Hz载波的四倍,满足奈奎斯特采样定理.由于过采样倍数k为64,按每提高4倍采样率就能提高一位分辨率来计算,获得的ADC有效分辨率能提高3位,最后能达到约15位精度,其分辨率可达到0.0763mv/LSB.过采样和数字滤波的实现都是在AD中断服务程序中实现的.集成于单片机上的ADC由定时器2产生用于A/D转换的重复触发信号,因此需要通过设置T2寄存器重新装载的值来获得102.4kHz的采样率,参考信号取自片上自带的2.5V基准电压,设置ADCCON1=#0B2H,ADCCON2=#00H.定时器2是一个具有16位自动重装载功能的定时器,作定时器用时,TH2和TL2计的是机器周期数,TH2和TL2内容的自动重装载通过寄存器RCAP2H和RCAP2L来实现.对这四个寄存器都进行初始化,自动装载值为#0FFCAH.在数据采集中, 为了保证采集数据的不失真和适当的精确度, 必须选择合适的采样频率.人体脉搏正常跳动约为60 次/ 分左右, 即跳动频率在1Hz 左右,本系统为了更好的消除50Hz工频干扰,系统以50Hz的数据输出率对数据进行下抽取,抽样比为2048.中断程序中的数字处理包括如下步骤:(1)将脉冲载波的高电平时段内的数据累加2048/(2*64)=16次,(2)将脉冲载波低电平时段内的数据累加2048/(2*64)=16次,(3)用步骤(1)中的数据减去步骤(2)中的数据,便得到了解调后以50Hz的数据输出率输出的一个数据点.经过上述对信号的解调,有效去除背景光,杂散光的干扰.程序同时实现了过采样算法中的滤波和下抽取.脉率计算程序包括如下步骤:将得到的数据以双字节存入ADmC841的XRAM中(2304字节).从0000H 开始,在60个样本数据中寻找最大值, 并确定其位置即波峰位置, 之后寻找紧挨着它的第二个波峰,采用软件计数器计算两者间的距离即其点数,然后按照脉率计算公式:脉率=采样频率/ 相邻两波峰60 =5060/ 相邻两波峰,计算出脉率, 并将其存储.当脉搏检测系统与中央监测系统或计算机进行实时数据传输时,通过设置定时器T3的控制寄存器T3CON为#86H,T3FD为 08H,得到9600的串口波特率.ADuC841发送握手信号与系统机建立通信,当握手成功后,系统开中断并将转换处理后的数据送交系统应用程序进行处理.所得到的光电脉搏波波形如图4所示.图4 光电脉搏波波形显示4.结束语脉搏检测中关键技术是传感器的设计与传感器输出的微弱信号提取问题, 本文设计的脉搏波检测系统以光电检测技术为基础,并采用了脉冲振幅光调制技术消除周围杂散光,暗电流等各种干扰的影响.并利用过采样技术和数字滤波等数字信号处理方法,代替实现模拟电路中的放大滤波电路的功能.本系统模拟电路简单,由ADmC841芯片实现脉搏信号采集,信号处理和脉搏次数的计算等功能,因此体积小,功耗低,系统稳定性高.本系统可实现脉搏波的实时存储并可实现与上位机( PC 机) 的实时通讯, 因此可作为多参数病人中心监护系统的一个模块完成心率检测和脉搏波形显示.参考文献1 欧阳俊,谢定等,基于BL-410 的指端脉搏波采集系统应用研究,实用预防医学,2004,第11卷第2期2 韩文波,曹维国,张精慧,光电式脉搏波监测系统,长春光学精密机械学院学报,1999,第22卷第4期3 朱国富,廖明涛,王博亮,袖珍式脉搏波测量仪,电子技术应用,1998,第1期4 刘云丽,徐可欣等,微功耗光电式脉搏测量仪,电子测量技术,2005,第二期5 程咏梅,夏雅琴,尚岚,人体脉搏波信号检测系统,北京生物医学工程,2006,第25卷第5期6 刘文,杨欣,张铠麟,基于AT89C2051单片机的指脉检测系统的研究,医疗装备,2005,第9期7 Analog Device, ADuC841_2_3_a data sheet, Analog Device 2003, 68 J.C.Candy and G.C.Temes, Oversampling M