基于STC89C52的多通道脈搏采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：脈搏是臨床檢查和生理研究中常見的生理現(xiàn)象。脈搏波的波幅和形態(tài)包含了反映心臟和血管狀況的重要生理信息，是診斷疾病的重要依據(jù)。脈搏波采集儀就是利用仿生學(xué)原理結(jié)合人工智能對(duì)脈搏診斷過程進(jìn)行模擬的儀器。針對(duì)現(xiàn)有的脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)不能準(zhǔn)確施加診脈壓力的不足，提出了一種具有脈壓檢測(cè)功能的脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，整個(gè)方案以單片機(jī)STC89C52為核心，結(jié)合放大、帶通濾波電路、A／D轉(zhuǎn)換和串行通信模塊，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)加壓，并在浮、中、沉三種不同取脈壓力下，對(duì)人體橈動(dòng)脈寸、關(guān)、尺三處的脈搏渡信號(hào)完成了采集。
關(guān)鍵詞：脈搏波；取脈壓力；單片機(jī)；A／D轉(zhuǎn)換

0 引言
脈診之所以重要是由于脈象能傳遞機(jī)體各部分的生理病理信息，是窺視體內(nèi)功能變化的窗口，可以為診斷疾病提供重要依據(jù)。但是傳統(tǒng)脈診主要依賴于醫(yī)者的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，再加上被診者的個(gè)體差異使得脈象的辨認(rèn)、識(shí)別缺乏統(tǒng)一、精確的標(biāo)準(zhǔn)。因此，脈搏采集系統(tǒng)的研制有助于脈診的客觀化研究。脈搏采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何模擬醫(yī)者手指，在最佳取脈壓力下獲取清晰的脈搏波譜，并根據(jù)不同的壓力變化，完成對(duì)寸、關(guān)、尺三個(gè)脈位復(fù)雜脈象的提取和識(shí)別。
自20世紀(jì)50年代以來，對(duì)于脈學(xué)的理論、脈診方法、臨床診斷和實(shí)驗(yàn)研究等方面均開展了大量工作，取得了較大的進(jìn)展。英國人Marey最早設(shè)計(jì)了以彈簧為動(dòng)力的杠桿式脈搏傳感器，并記錄了橈動(dòng)脈脈搏波。1860年首次出現(xiàn)杠桿和壓力鼓式描述脈搏圖，1890年開始采用換能的方式，出現(xiàn)了杠桿式光學(xué)脈搏描述器。20世紀(jì)50年代我國學(xué)者朱顏首次將杠桿式脈搏描記器引用到中醫(yī)脈診的研究中來。自70年代至今，研究人員已研制出種類繁多的換能器以模擬中醫(yī)切脈的手指，采集并記錄了脈搏信號(hào)。
國內(nèi)外典型的脈象診斷儀如：由北京醫(yī)療器械總廠生產(chǎn)的BYS-14型脈象儀和北京斯脈福生產(chǎn)的28脈脈象儀能對(duì)脈搏波進(jìn)行檢測(cè)重現(xiàn)，并能識(shí)別臨床中醫(yī)常見37種脈象圖。ZM-Ⅲ型智能脈象儀由上海中醫(yī)藥大學(xué)研制，是我國當(dāng)前較先進(jìn)的一種脈象儀，能自動(dòng)采集脈象信號(hào)，并將中醫(yī)脈象的位、數(shù)、形、勢(shì)和脈圖的各項(xiàng)特征參數(shù)作自動(dòng)分析處理。為了達(dá)到分層取脈的目的，日本Colin公司研制生產(chǎn)的CMB-3000／2000型橈動(dòng)脈脈波檢測(cè)儀利用張力法測(cè)量原理進(jìn)行無損傷連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)。
本文主要從脈搏傳感器的選擇，信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，取脈壓力的自動(dòng)控制以及信號(hào)的初步處理等方面介紹寸、關(guān)、尺三處脈位在浮、中、沉等不同狀態(tài)下的信號(hào)采集，為脈診客觀化的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

1 脈搏信號(hào)的特點(diǎn)
脈搏信號(hào)的特點(diǎn)如下：
(1)強(qiáng)干擾下的微弱信號(hào)。由于脈搏信號(hào)幅度很小，大約是微伏到毫伏的數(shù)量級(jí)范圍。因此，極容易引入干擾，這些干擾有來自50 Hz的工頻干擾，有來自肌體抖動(dòng)、精神緊張帶來的假象信號(hào)等。
(2)頻率低但能量相對(duì)集中的信號(hào)。人體的脈搏頻率非常低，約為0．5～4 Hz，一般情況下為1 Hz左右，脈搏信號(hào)可看成一個(gè)準(zhǔn)直流信號(hào)，也可看成是一個(gè)低頻交變信號(hào)。根據(jù)脈搏功率譜能量分析，健康人脈搏能量絕大多數(shù)分布于1～5 Hz，而病人脈搏在1 Hz以下和較高頻段(如5 Hz以上或10 Hz以上)仍有相當(dāng)一部分的能量分布。
(3)復(fù)雜且易變的隨機(jī)信號(hào)。脈搏信號(hào)因人體生理、病理、心理的不同而不同，又受環(huán)境、時(shí)間、氣候的影響，表現(xiàn)出同一個(gè)人在不同的時(shí)間、地點(diǎn)有不同的脈象，有時(shí)也會(huì)有不同的疾病表現(xiàn)出相同的脈象。

2 采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
(1)傳感器的選取。由于不同類型的傳感器原理不同，所獲取的原始波形也是不盡相同的。本系統(tǒng)中，選用的傳感器是BP300T壓力傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器。
(2)隔離、放大、濾波整形電路等硬件電路的設(shè)計(jì)。
由于所提取的信號(hào)非常微弱，且富于變化，需要附加多重濾波電路。
(3)以STC89C52為核心的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。經(jīng)過調(diào)理的模擬信號(hào)通過A／D轉(zhuǎn)換，采集到單片機(jī)中，并立即通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。
(4)壓力自動(dòng)控制。通過單片機(jī)對(duì)氣泵和電磁閥的控制，達(dá)到對(duì)腕帶壓力實(shí)時(shí)控制的目的。
(5)脈搏波形重現(xiàn)。通過上位機(jī)軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形重現(xiàn)。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52為核心，外設(shè)電路由傳感器，信號(hào)調(diào)理電路，A／D轉(zhuǎn)換器組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案總體設(shè)計(jì)如圖2所示。
系統(tǒng)部分功能如下：
壓電傳感器 作為測(cè)量電路的最前端，其作用是將脈搏的動(dòng)態(tài)信息轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，方便采集，是整個(gè)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵。
BP300T壓力傳感器 用于對(duì)整個(gè)加壓過程的壓力監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)在不同的取脈壓力下對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行采集。
前置放大和二級(jí)放大電路 對(duì)微弱的脈搏生物信號(hào)進(jìn)行合適的放大，使其滿足電壓的轉(zhuǎn)換條件。
帶通濾波電路 脈搏波信號(hào)微弱，頻率低，容易受到外界干擾，所以必須使用濾波器將信號(hào)頻帶外的干擾去除。