脉搏检测实验装置的研制

1　引　言

脉搏诊断在临床中应用广泛,根据脉象的变化,医生可以测知人体生理状况,分析病变原因。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(振幅)和节律(频率)等方面的综合信息,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,故对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频弱信号,脉搏波更是具有以下特点[1-2]:脉搏波是强干扰下的微弱信号,幅度很小(约是微伏到毫伏的数量级),易引入干扰,有50Hz的工频干扰,有来自肌体抖动、精神紧张带来的假象信号等;脉搏波是频率低但能量相对集中的信号,约为0. 5~10 Hz,可看成一个准直流信号,也可看成是一个甚低频交变信号,根据脉搏功率谱能量分析,健康人脉搏能量绝大多数分布于1~5 Hz,而病人脉搏在1Hz以下和较高频段(如5 Hz以上或10 Hz以上)仍有相当一部分的能量分布;脉搏波是复杂且易变的随机信号,脉搏信号因人体生理、病理、心理的不同而不同,又受环境、时间、气候的影响,表现出同一个人在不同的时间、地点有不同的脉象,有时也会有不同的疾病表现出相同的脉象。

针对脉搏信号的特点,脉搏信号检测的关键是提取信号的特征,脉搏信号特征提取目前所用的方法主要有时域分析法、频域分析法、时频联合分析法和系统辩识与参数估计法。本文设计了一种脉冲检测实验装置,该装置已申报国家发明专利,进入实审阶段[2-4]。

2　系统设计

系统设计框图如图1所示,使用中把脉搏传感器用绑带固定在被测人的手腕外侧,随着测试者肌体每舒张收缩一次,动脉系统发生压力和血流量的改变,就会产生一个脉搏波,通过HK2000-B脉搏传感器采集到人体脉搏信号的搏动过程,并转化为同步的毫伏级的电压信号输出,而A/D转换器的输入电压范围是-5~+5 V,故设计放大电路。由于脉搏信号的频率通常在0. 2~45 Hz,是一种弱的非电生理信号,很容易引入工频干扰和噪声,故设计信号调理电路,消除干扰信号。毫伏级的脉搏信号经过放大,信号调理后分为2个通道:①经过整形电路后,产生TTL电平匹配的矩形波,送入AT89C2051单片机,测量平均脉搏和瞬时脉搏,研究脉搏信号频率相关参数,单片机同时连接显示模块、按键模块、语音报警模块电路,将实时时钟、脉搏测量及显示、异常报警及效率定时报警结合起来,丰富该装置的功能[7-8];②对脉搏信号进行A/D转换成数字信号后送入AT89C51,利用单片机的串行接口通过USB总线将数字信号送入计算机进行处理,完成实时脉搏信号还原及波形分析,研究脉搏信号时域相关参数。

3　硬件电路设计

3. 1　信号调理电路