基于單片機技術(shù)的脈搏測量儀設計
脈搏測試儀是用來測量一個人脈搏跳動次數(shù)的電子儀器,也是心電圖的主要組成部分,因此,在現(xiàn)代醫(yī)學上具有重要的作用。目前檢測脈搏的儀器雖然很多,但是能實現(xiàn)精確測量、精確顯示且計時功能準確等多種功能的便攜式全數(shù)字脈搏測量裝置很少。隨著人們生活環(huán)境
和經(jīng)濟條件的改善,以及文化素質(zhì)的提高,其生活方式,保健需求以及疾病種類、治療措施等發(fā)生了明顯的變化。但在目前,我國的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢。其發(fā)病率和死亡率均居各種疾病之首,是人類死亡的主要原因之一。因此,認識、預防及早期發(fā)現(xiàn)這些疾病是十分必要的。
從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù),歷來都受到中外醫(yī)學界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過“摸脈”作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息,在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征,因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學價值和應用前景。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻弱信號, 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號,必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。
1 基本結(jié)構(gòu)模塊
1.1 脈搏波檢測電路
目前脈搏波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法:光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應變式脈搏傳感器。近年來光電檢測技術(shù)在臨床醫(yī)學應用中發(fā)展很快,這主要是由于光能避開強烈的電磁干擾,具有很高的絕緣性,且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學儀器工作的專家和學者的重視。本系統(tǒng)設計了指套式的透射型光電傳感器,實現(xiàn)了光電隔離,減少了對后級模擬電路的干擾。
傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關(guān)系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。所用光電式傳感器由發(fā)光二級管和光敏二極管組成,其工作原理是:發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過手指,經(jīng)過手指組織的血液吸收和衰減,由光敏二極管接收。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化,所以它對光的吸收和衰減也是周期性脈動的,于是光敏二極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。
1.2 脈搏信號拾取電路
紅外接收二極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能,單個二極管能產(chǎn)生0.4_V電壓,0.5mA電流。BPW83型紅外接收二極管和IR333型紅外發(fā)射二極管工作波長都是940nm,在指夾中,紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。紅外發(fā)射二極管中的電流越大,發(fā)射角度越小,產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大。在圖1中,R0選100 Ω是基于紅外接收二極管感應紅外光靈敏度考慮的。R0過大,通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小,PBW83型紅外接收二極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。反之,R0過小,通過的電流偏大,紅外接收二極管也不能準確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光直接照射到紅外接收二極管上時,IC1B的反相輸入端電位大于同相輸入端電位,Vi為“0”。當手指處于測量位置時,會出現(xiàn)二種情況:一是無脈期,雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光,但是,由于紅外接收二極管中存在暗電流,仍有1 μA的暗電流會造成Vi電位略低于2.5V。二是有脈期,當有跳動的脈搏時,血脈使手指透光性變差,紅外接收二極管中的暗電流減小,Vi電位上升。
1.3 信號采集及處理系統(tǒng)
由于光電脈搏波屬于緩慢變化的微弱生理信號,信噪比低,極易受到環(huán)境噪聲和肢體運動的干擾。傳統(tǒng)的光電脈搏波信號檢測電路都采用高增益放大器,以獲得較高的檢測靈敏度,這種設計思路導致了檢測信號動態(tài)范圍縮小,在受到運動干擾時,將導致由于干擾信號而帶來的光電脈搏波信號檢測的飽和失真。本系統(tǒng)采用過采樣技術(shù),通過對信號的高速采樣來提高采樣精度,相當于用高分辨率的ADC對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,達到了提高信噪比并改善動態(tài)范圍的效果。因此本系統(tǒng)對經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換而不需要任何信號調(diào)理(放大和濾波)電路。
1.4 過采樣技術(shù)的應用
所謂過采樣技術(shù)是指以遠遠高于奈奎斯特(Nyquist)采樣頻率的頻率對模擬信號進行采樣的方法。由信號采樣量化理論可知,若輸入信號的最小幅度大于量化器的量化電平,并且輸入信號的幅度隨機分布,則量化噪聲的總功率是一個常數(shù),在0~fs的頻帶范圍內(nèi)均勻分布。因此量化噪聲電平與采樣頻率成反比,如果提高采樣頻率,則可以降低量化噪聲電平,而由于基帶是固定不變的,因而減少了基帶范圍內(nèi)的噪聲功率,提高了信噪比,從而提高分辨率,并且采樣頻率每提高4 倍,則信噪比提高4倍,相當于A/D的分辨率提高1位。
2 軟件設計
2.1 程序設計
本文選用ADI公司的單片機ADC841,其內(nèi)部集成了速度可達400k的12位逐次逼近型ADC,分辨率為0.6mv/LSB。從軟件需求和單片機速度出發(fā),將ADC采樣率fs定為102.4kHz,為便于計算,將過采樣倍數(shù)k定為64,則下抽取后采樣率為偽:fs/k=1600Hz,是頻率為 400Hz載波的四倍,滿足奈奎斯特采樣定理。由于過采樣倍數(shù)k為64,按每提高4倍采樣率就能提高一位分辨率來計算,獲得的ADC有效分辨率能提高3 位,最后能達到約15位精度,其分辨率可達到0.0763mv/LSB。設置ADCCON1=#0B2H,ADCCON2=#00H。定時器2是一個具有 16位自動重裝載功能的定時器,作定時器用時,TH2和TL2計的是機器周期數(shù),TH2和TL2內(nèi)容的自動重裝載通過寄存器RCAP2H和RCAP2L來實現(xiàn)。對這四個寄存器都進行初始化,自動裝載值為#0FFCAH。
2.2 程序源代碼
3 結(jié)束語
本系統(tǒng)模擬電路簡單,由ADC841芯片實現(xiàn)脈搏信號采集,信號處理和脈搏次數(shù)的計算等功能,因此體積小,功耗低,系統(tǒng)穩(wěn)定性高。本系統(tǒng)可實現(xiàn)脈搏波的實時存儲并可實現(xiàn)與上位機(PC機)的實時通訊, 因此可作為多參數(shù)病人中心監(jiān)護系統(tǒng)的一個模塊完成心率檢測和脈搏波形顯示。
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