脈搏測(cè)量方案論證

1、單片機(jī)脈搏測(cè)量?jī)x調(diào)研報(bào)告1. 調(diào)研的基本情況調(diào)研時(shí)間：2013年3月1日2013年3月21日調(diào)研途徑：通過(guò)網(wǎng)上查詢(xún)相關(guān)資料并翻閱有關(guān)書(shū)籍調(diào)研目的和意義： 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，我們從工業(yè)化時(shí)代進(jìn)入信息化時(shí)代，在現(xiàn)實(shí)生活中，隨著人們生活水平的不斷提高，健康飲食，健康生活越來(lái)越受到人們的重視，人體脈搏信息反應(yīng)了人體內(nèi)各部器官的健康狀況。人體的脈搏有心臟驅(qū)動(dòng)，血流沿動(dòng)脈在人體內(nèi)走過(guò)曲折而漫長(zhǎng)的路徑到達(dá)遠(yuǎn)離心臟的手腕橈動(dòng)脈處。所以它不僅受到心臟狀況的影響，同時(shí)受到內(nèi)部環(huán)境調(diào)控功能器官狀態(tài)所需血液參數(shù)以及系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)等的影響。因此人體內(nèi)部各器官的健康狀態(tài)、病變等信息將以某種方式現(xiàn)實(shí)在脈搏中，即脈

2、象中。脈診是中醫(yī)獨(dú)創(chuàng)的診斷方式，脈搏可以在腕部沿橈動(dòng)脈的三個(gè)相鄰的被稱(chēng)為“寸、關(guān)、尺”部位獲取，中醫(yī)通過(guò)施以輕重不同的壓力，用其三指對(duì)“寸、關(guān)、尺”部位對(duì)脈搏的感覺(jué)，來(lái)診斷人體內(nèi)部器官的健康狀況。一個(gè)良好的中醫(yī)大夫通過(guò)切脈就能說(shuō)出病人的基本病癥，而脈診技巧不是輕易就能掌握的，他除了上輩的傳授外，還要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐摸索和積累。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(lái)都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過(guò)“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(qiáng)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

3、的血流特征,因此對(duì)脈搏波采集和分析就顯得尤為重要。利用現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)，使切脈技巧客觀化勢(shì)在必行。要使切脈技術(shù)客觀化，首先要獲得準(zhǔn)確的脈搏信息，這就需要對(duì)脈搏進(jìn)行更加專(zhuān)業(yè)更加全面的測(cè)量。2. 調(diào)研報(bào)告的內(nèi)容2.1 關(guān)于脈搏的相關(guān)知識(shí)2.1.1脈搏的定義脈搏是指動(dòng)脈的搏動(dòng)。心臟收縮時(shí)，由于輸出血液沖擊引起的動(dòng)脈跳動(dòng)。醫(yī)生可據(jù)以診斷疾病。 脈搏頻率即脈率。正常人的脈搏和心跳是一致的。正常成人為60到100次/分，常為每分鐘7080次，平均約72次/分。老年人較慢，為55到60次/分。正常人脈率規(guī)則，不會(huì)出現(xiàn)脈搏間隔時(shí)間長(zhǎng)短不一的現(xiàn)象。正常人脈搏強(qiáng)弱均等，不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)弱交替的現(xiàn)象。 脈搏的頻率受年齡和性

4、別的影響，嬰兒每分鐘120140次，幼兒每分鐘90100次，學(xué)齡期兒童每分鐘8090次。 另外，運(yùn)動(dòng)和情緒激動(dòng)時(shí)可使脈搏增快，而休息，睡眠則使脈搏減慢。成人脈率每分鐘超過(guò)100次，稱(chēng)為心動(dòng)過(guò)速，每分鐘低于60次，稱(chēng)為心動(dòng)過(guò)緩。 臨床上有許多疾病，特別是心臟病可使脈搏發(fā)生變化。因此，測(cè)量脈搏對(duì)病人來(lái)講是一個(gè)不可缺少的檢查項(xiàng)目。中醫(yī)更將切脈作為診治疾病的主要方法。 心動(dòng)周期中，由于心室收縮和舒張的交替進(jìn)行脈管發(fā)生周期性擴(kuò)張和回位的搏動(dòng)。 病情危重，特別是臨終前脈搏的次數(shù)和脈率都會(huì)發(fā)生明顯的變化。 2.1.2脈搏的形成和傳播脈搏的形成有賴(lài)于兩個(gè)基本條件 心臟的舒縮； 動(dòng)脈管壁的擴(kuò)張性和彈性。 因心臟

5、有縮有舒，動(dòng)脈內(nèi)壓才有升有降；又因動(dòng)脈管壁具有豐富的彈性纖維，動(dòng)脈內(nèi)壓的升降，才能以脈搏波的形式從主動(dòng)脈開(kāi)始，沿著管壁而迅速傳播到各分支動(dòng)脈，直到微動(dòng)脈末梢。脈搏波的傳播速度與血流速度是兩種性質(zhì)完全不同的生理現(xiàn)象，當(dāng)心室收縮射血到主動(dòng)脈時(shí)，長(zhǎng)長(zhǎng)的血柱以每秒0.20.5米的速度沿著動(dòng)脈系統(tǒng)各分枝流動(dòng)，流動(dòng)速度以主動(dòng)脈最快，到微動(dòng)脈毛細(xì)血管網(wǎng)流速最慢，可以減速到停滯狀態(tài)，而脈搏波的傳播速度則因各段動(dòng)脈的管壁彈性不同而異。主動(dòng)脈管壁的彈性纖維最豐富，因而其擴(kuò)張性和彈性最大，脈搏波的傳播速度最慢，一般為35米每秒。中等大的動(dòng)脈如橈動(dòng)脈和股動(dòng)脈，其管壁的彈性纖維較少，擴(kuò)張性和彈性較小，脈搏波傳播速度較快

6、,約為710米每秒。小動(dòng)脈彈性更小，傳播速度顯著加快，約為1535米每秒。動(dòng)脈硬化時(shí)，脈搏波的傳播就更快。 2.1.3靜脈脈搏波形靜脈脈搏的形成與動(dòng)脈脈搏不同，它不是由于心室舒縮和動(dòng)脈管的彈性，而是由心動(dòng)周期中心房?jī)?nèi)壓的改變和大型靜脈鄰近的動(dòng)脈搏動(dòng)的影響形成的。其中心房?jī)?nèi)壓的改變是靜脈脈搏形成的主要因素，靜脈脈搏不易辨認(rèn)，可同時(shí)記錄動(dòng)脈脈搏。2.2脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)目的 醫(yī)院的護(hù)士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘的脈搏數(shù)，以便于了解病人的病況和康復(fù)情況，給主治醫(yī)生提供更新的病人的身體情況。把脈的方法就是用手按在病人的腕部的動(dòng)脈上，根據(jù)脈搏的跳動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了節(jié)省時(shí)間，一般不會(huì)做一

7、分鐘的測(cè)量，通常是測(cè)量10秒時(shí)間內(nèi)的脈搏數(shù)，再把結(jié)果乘以6即得到每分鐘的脈搏數(shù)，即使這樣做還是比較費(fèi)時(shí)，而且一個(gè)護(hù)士通常會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)好幾個(gè)病人的脈搏情況，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的工作，護(hù)士會(huì)因?yàn)槠诘纫蛩卦斐蓽y(cè)量的誤差，使測(cè)量的精度不是很理想，從而不能得到病人的確切資料使診斷產(chǎn)生偏差，以至于造成很多不必要的麻煩。在我們的日常生活中，緊張的工作，勞累一段時(shí)間之后，我們都會(huì)擔(dān)心我們的身體會(huì)因?yàn)閯诶圻^(guò)度等原因造成一定的損傷，這時(shí)候，我們會(huì)選擇去醫(yī)院做一個(gè)身體檢查，到醫(yī)院以后，護(hù)士都會(huì)通過(guò)把脈、做心電圖等方法同，過(guò)分析脈象和心電圖來(lái)對(duì)我們的身體狀況作出判斷。于是在節(jié)假日的時(shí)候，都會(huì)有很多人去醫(yī)院檢查身體，由

8、于人很多，需要排很長(zhǎng)的隊(duì)，有時(shí)候都不一定能排上，加上昂貴的檢查費(fèi)用，以至于不是每個(gè)人都能到醫(yī)院進(jìn)行身體檢查。人體的脈搏能反映人體的健康狀況，通過(guò)對(duì)脈搏的測(cè)量，就能對(duì)我們的身體有一個(gè)大致的了解，脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，只要簡(jiǎn)單的操作，將人體的脈搏通過(guò)數(shù)字顯示在數(shù)碼管上，加上語(yǔ)音播報(bào)功能，最大限度的提升測(cè)量?jī)x的適用人群，測(cè)量?jī)x操作簡(jiǎn)單，體積較小，更方便更快捷，價(jià)格便宜，使更多的人都能對(duì)自己的身體有更加全面的了解，隨時(shí)關(guān)注自己的健康。人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動(dòng)脈的收縮和舒張，使血流壓力以波的形式從主動(dòng)脈根部開(kāi)始沿著整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)傳播，這種波成為脈搏波。脈搏波呈現(xiàn)出的狀態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合

9、信息，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性。傳統(tǒng)的脈搏測(cè)量采用脈診的方式，中醫(yī)脈象診斷技術(shù)就是脈搏測(cè)量在中醫(yī)上卓有成效的應(yīng)用，但是受人為的影響因素較大，測(cè)量精度不高。無(wú)創(chuàng)測(cè)量（noninvasive measurements）又稱(chēng)非侵入式測(cè)量或間接測(cè)量，其重要特征是測(cè)量的探測(cè)部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體傷害，通常在體外，尤其是在體表間接測(cè)量人體的生理和生化參數(shù)。生物醫(yī)學(xué)傳感器是獲取生物信息并將其轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量和處理信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵器件。光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，通常對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè)，間接檢測(cè)出脈搏信號(hào)，光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、可重復(fù)使用

10、等優(yōu)點(diǎn)。2.3脈搏測(cè)量?jī)x的技術(shù)實(shí)現(xiàn)通過(guò)脈搏對(duì)光強(qiáng)度得影響研究表明，采用的傳感器只要由紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管兩部分組成，測(cè)量的原理如下：將手指放在紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管中間，隨著心臟的跳動(dòng)，血管中的血液會(huì)發(fā)生變化，由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和程度的變化將引起光的強(qiáng)度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對(duì)應(yīng)，紅外接收二極管的電流也跟著改變，這就導(dǎo)致紅外接收二極管射出脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)通過(guò)放大、檢波、濾波最后通過(guò)傳輸設(shè)備傳入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)數(shù)碼管和播報(bào)器顯示出測(cè)量結(jié)果。2.3.1光電式脈搏傳感器的原理根據(jù)朗伯-比爾（lamber-beer）定律，物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處得

11、吸收光度和它的濃度成正比，當(dāng)恒定波長(zhǎng)的光照照射到人體組織上時(shí)，通過(guò)人體組織吸收、反射衰減后測(cè)量到得光強(qiáng)在一定程度上反映了被照射部位的結(jié)構(gòu)特征。脈搏主要有人體動(dòng)脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖，組織中動(dòng)脈成分含量高，而且指尖厚度相對(duì)其他組織而言比較厚，透過(guò)手之后測(cè)到的光強(qiáng)相對(duì)較大，因此光電式脈搏傳感器的測(cè)量部位通常在人體指尖。手指組織可以分為皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量很恒定的，而在血液中，靜脈血的搏動(dòng)相對(duì)于動(dòng)脈血是十分微弱的，可以忽略，因此可以認(rèn)為光透過(guò)手指后的變化僅僅有動(dòng)脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長(zhǎng)的光源的照射下，通過(guò)檢測(cè)透過(guò)手指的光強(qiáng)可以間接測(cè)量到人

12、體的脈搏信號(hào)。1.光電式傳感器的結(jié)構(gòu)：從光源發(fā)出的光除了被手指組織吸收以外，一部分被血液漫反射返回，其余部分光投射出來(lái)。光電式脈搏傳感器按照光的吸收方式可分為透射式和反射式兩種，其中透射式的發(fā)射光源與光敏接受器件的距離相等且對(duì)稱(chēng)分布，接受的是透射光，這種方法可以較好地反映出心率的時(shí)間關(guān)系，但不能精確的測(cè)量出血液容積的變化；反射式的發(fā)射光源和光敏器件位于同一側(cè)，接受的是血液反射回來(lái)的光，此信號(hào)可以精確地測(cè)得血管內(nèi)容積變化。本文勞倫的是透射式脈搏傳感器，側(cè)重于脈搏信號(hào)的測(cè)量。2.光電式脈搏傳感器的制作：1. 光敏器件光電式傳感器由于采用不同的光敏器件有著多種實(shí)現(xiàn)方法，其中光敏元器件主要有光敏電阻，

13、光敏二極管，光敏三極管和硅光電池，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器中，通常采用的是獨(dú)立光敏元件，利用半導(dǎo)體和光電效應(yīng)改變輸出電流，通常光敏元器件輸出的電流極低，容易受到外界干擾，而且對(duì)后續(xù)的放大器的要求比較嚴(yán)格，需要放大器空載時(shí)的電流輸出較小，避免放大器空載輸出電流對(duì)脈搏信號(hào)的干擾，這樣對(duì)于普通的放大器就不能直接應(yīng)用在光敏元件的后端。2 發(fā)射光源脈搏信號(hào)主要由脈動(dòng)血的充盈引起，而血液中還原血蛋白（hb）和氧合血蛋白（hbo2）含量變化將造成透光率的變化，當(dāng)氧合血蛋白和還原血蛋白對(duì)光的吸收量相等時(shí)，透射光的強(qiáng)度將主要由動(dòng)脈血管的收縮和舒張引起的，此時(shí)能夠比較準(zhǔn)確地反映出脈搏信號(hào)。血液中hbo2和hb對(duì)于

14、不同波長(zhǎng)的吸收系數(shù)的差異明顯，而且兩條曲線(xiàn)好幾個(gè)不同的交點(diǎn)，考慮到在805nm波長(zhǎng)處，血紅蛋白的光吸收率比較低，那么投射過(guò)手指的光強(qiáng)較大，有利于光敏器件的吸收，因此發(fā)射光源的波長(zhǎng)選擇為805nm。3.脈搏信號(hào)處理接收光敏二極管輸出的脈搏信號(hào)為直流和交流疊加的混合電壓信號(hào)，其中交流信號(hào)中包含了脈搏信號(hào)，因此信號(hào)調(diào)理電路先要考慮濾除疊加的直流信號(hào)，再對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行放大。濾除直流信號(hào)可以通過(guò)一個(gè)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是電容在隔直通交的同時(shí)可能造成脈搏信號(hào)的部分是真。較為理想的方式就是采用一個(gè)減法器來(lái)實(shí)現(xiàn)絕大部分直流電平的濾除，由于不同受試者得手指的透光率不同，測(cè)到的直流電平不同，因此需要一個(gè)用來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的直

15、流電平的濾除，本文就是采用可控直流電平輸出和減法器來(lái)實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的提取，在得到包含有脈搏信號(hào)的交流信號(hào)后，只要通過(guò)簡(jiǎn)單的放大電路和低通濾波電路即可實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的提取。2.3.2脈搏測(cè)量?jī)x的整體電路構(gòu)想：電路的原理圖如下圖示。電路由傳感器電路、信號(hào)放大和整形電路、單片機(jī)電路、數(shù)碼顯示電路等部分組成。傳感器主要由紅外線(xiàn)發(fā)射二極管和接收二極管組成，測(cè)量的原理如下：將手指放在紅外線(xiàn)發(fā)射二極管和接收二極管中間，隨著心臟的跳動(dòng)，血管中血液的流量將發(fā)生變化。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和程度的變化將引起光的強(qiáng)度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對(duì)應(yīng)，紅外接收二極管的電流也跟著改變，這就導(dǎo)致紅外接收二極

16、管輸出脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)由F1F3、R3R5、C1、C2等組成的低通放大器進(jìn)行放大，再經(jīng)由F4、R6、R7、C3組成的放大器進(jìn)一步放大，其輸出信號(hào)送給由F5、F6、RP1、R8等組成的施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形后輸出，輸出的脈沖信號(hào)作為單片機(jī)的外部中斷信號(hào)?？勺冸娮鑂P1用來(lái)調(diào)整施密特觸發(fā)器的閥值電壓，從而調(diào)整電路的靈敏度。AT89C2051、X1、R10、C5等組成單片機(jī)電路。單片機(jī)電路對(duì)P3.2輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。發(fā)光二極管VD3作脈搏測(cè)量狀態(tài)顯示，脈搏每跳動(dòng)一次發(fā)光二極管就點(diǎn)亮一次。數(shù)碼管DS1DS3、VT1VT3、R12R21等組成數(shù)碼顯示電路。本機(jī)采用動(dòng)態(tài)掃描

17、顯示的方式，使用共陽(yáng)數(shù)碼管， P3.3-P3.5口作三個(gè)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描位驅(qū)動(dòng)碼輸出，通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。P1.0-P1.6口作數(shù)碼顯示七段筆劃字形碼的輸出，用以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各字段。3. 總結(jié)脈搏信號(hào)的監(jiān)測(cè)、特征提取和識(shí)別研究在臨床應(yīng)用上具有十分重要的意義，相信脈搏信號(hào)將會(huì)在人體疾病的預(yù)防和治療領(lǐng)域發(fā)揮積極有效的作用，獲得穩(wěn)定準(zhǔn)確的脈搏信息是實(shí)現(xiàn)脈搏測(cè)量的關(guān)鍵。脈搏檢測(cè)中關(guān)鍵技術(shù)是傳感器的設(shè)計(jì)與傳感器輸出的微弱信號(hào)提取問(wèn)題, 在傳統(tǒng)的傳感中都是采用的振動(dòng)式傳感器，這種傳感器操作起來(lái)極為不方便，而且精確度不是很高?，F(xiàn)今市場(chǎng)上有許多關(guān)于血壓、脈搏、體溫等電子儀器，體積小，使用方便，但相對(duì)價(jià)格都比

18、較貴。介于這些原因，本課題脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)是以光電檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用光電式傳感器取代傳統(tǒng)的振動(dòng)式傳感器，這種傳感器核心部件是一個(gè)紅外線(xiàn)發(fā)射二極管和一個(gè)紅外線(xiàn)接收二極管，利用光的穿透性和不同物質(zhì)對(duì)光的吸收強(qiáng)度的不同等特點(diǎn)設(shè)計(jì)而成，解決了傳統(tǒng)傳感器的一些弊端，具有測(cè)量方便，易于操作，精度高等特點(diǎn)，而且兩種二極管價(jià)格便宜，在技術(shù)上也容易實(shí)現(xiàn)。在測(cè)量過(guò)程中，光電式傳感器進(jìn)行脈搏信號(hào)的檢測(cè)，檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)放大、濾波、整形電路將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能處理的信號(hào)，最后通過(guò)輸出電路送入數(shù)碼管顯示出當(dāng)前的測(cè)量值，一般把一分鐘的脈搏數(shù)作為測(cè)量的基數(shù)，數(shù)碼管顯示的就是這一分鐘的脈搏數(shù)，測(cè)量誤差小于1%的條件下對(duì)脈搏進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)將數(shù)碼管一分鐘的脈搏計(jì)數(shù)，將顯示的數(shù)據(jù)和人體正常的脈搏數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可以基本看出人體的健康準(zhǔn)狀況，測(cè)量?jī)x能夠?qū)崟r(shí)，連續(xù)的對(duì)脈搏進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，可以滿(mǎn)足臨床對(duì)脈搏測(cè)量的需要，同時(shí)也可以為家庭提供幫助.。4. 參考文獻(xiàn)1. 歐陽(yáng)俊.基于BL-410 的指端脈搏波采集系統(tǒng)應(yīng)用研究.2004.第11卷第2期2. 韓文波.光電式脈搏波監(jiān)測(cè)系統(tǒng).長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào).1999.第22卷第4期3. 朱國(guó)富，廖明濤，王博亮.袖珍式脈