無線便攜式脈象檢測系統設計*

馬俊淇， 劉 燕， 佟寶同， 趙凌霄， 戴亞康

(1.中國科學院 蘇州生物醫學工程技術研究所，江蘇 蘇州 215163；2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引 言

脈象信號的檢測和脈率測量對人體健康狀況的日常監護具有重要的實際意義[1]。脈診儀作為脈象信息采集的重要工具，其研發已經取得了一定的成果[2]。如上海中醫藥大學研發的ZM—III智能脈象儀[3]，王貽俊等人設計的MXY—II型脈象儀[4]等，在臨床上均得到了一定的應用。但亦存在明顯的缺點：儀器需要與計算機配合使用，成本較高；體積較大，不便攜帶；局限于大型醫院等應用場合，不適合個人使用，無法滿足慢性病患者、老年人等對于家庭日常的健康檢測的需求[5]。

本文設計了一種成本低、體積小、功耗低的無線便攜式脈象檢測系統，可實現脈象信號的采集、無線傳輸和在Android手機上的波形繪制、脈率及相應脈象的顯示，可在脈象異常時自主報警，適于家庭使用。

1 系統設計

針對脈象信號具有信號弱且噪聲強、頻率低且能量集中、復雜易變且隨機性強等特點[6],設計系統總體框圖如圖1所示。

檢測系統的設計方案如下：

1)脈象傳感器：主要用于模擬中醫診脈從橈動脈提取人體脈象信號，其穩定性和靈敏度直接影響采集結果的準確性。選用聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)壓電薄膜作為脈象傳感器。具有壓電效應，表面產生的電荷量與外部壓力成正比，可將脈搏壓力信號轉換為電信號,其靈敏度高，穩定性好，頻響滿足人體脈搏的頻率范圍(0.2～40 Hz)。此外，其成本低，具有較好的生物兼容性，質地柔軟，與皮膚貼合性好，適用于脈象傳感器。

圖1 系統總體設計框圖

2)信號調理電路：考慮到脈象信號微弱、噪聲強且易于變化等特點，設計了放大電路和多級濾波電路抑制噪聲。

3)處理發送模塊：調理后的脈象信號在STM32F103控制器中經過A/D轉換為數字信號后，又經過濾除基線漂移、消除毛刺噪聲等處理，最后通過HC—05藍牙模塊無線傳輸至Android手機。同時，控制器可以接收手機反饋的脈象異常信號，及時觸發蜂鳴器報警。

4)上位機界面顯示：Android手機接收藍牙傳輸的數據后，可以繪制脈象波形，計算并顯示脈率和相應的脈象，脈象異常時反饋給下位機。

2 硬件設計

硬件設計包括信號調理電路和控制器及通信模塊設計。其中，信號調理電路設計又分為前置電荷放大器、放大濾波電路和電壓抬升電路設計，其原理如圖2所示。

圖2 信號調理電路原理

2.1 前置電荷放大器設計

電荷放大器可以將傳感器表面的電荷量轉化并放大為電壓信號，且可以有效消除或降低傳感器本身電容值和電纜長度對前置放大器輸出的影響[7]其輸出電壓與1/C11成正比。而反饋電阻器R11除了為負反饋電路提供直流通路外，還與反饋電容器C11構成一個一階高通濾波器。其下限截止頻率約為0.16 Hz，可以減小零點漂移。

2.2 放大濾波電路設計

脈象信號經過前置放大器的初步放大和高通濾波之后，信號幅度仍然比較小，且混有較多的高頻噪聲，而脈象信號的頻率不高于40 Hz。因此，需要進一步的放大和濾波處理。前置放大器后端的放大濾波電路由40 Hz二階巴特沃斯低通濾波器、二級電壓放大電路和50 Hz二階巴特沃斯工頻陷波器串聯組成。

2.3 電壓抬升電路設計

由于所選用的傳感器及運算放大器均具有正負雙極性，采集得到的脈象信號幅值存在負值，無法滿足核心控制器STM32F103片內A/D轉換的參考電壓范圍(0～3.3 V)。為了使核心控制器可以采集到完整的脈象信號，需要將電壓抬升到正值，故在信號調理電路中加入了電壓抬升電路。

2.4 控制器與通信模塊

系統選用STM32F103作為系統的控制器。是一種基于ARM Cortex—M3內核的32位單片機(micro controller unit,MCU)，具有高性能、低成本、低功耗的特點。標準工作電壓為2～3.6 V，工作頻率最高可達72 MHz，擁有豐富的系統和外設資源，足以滿足本系統對單片機的功能要求。系統使用了I/O口、模/數轉換器(analog digital converter,ADC)、直接內存存取器(direct memory accessor,DMA)、定時器、串行通信(USART)接口和中斷等資源。

通信選用ALIENTEK的HC—05藍牙模塊。為高性能的主從一體藍牙模塊，支持藍牙規范2.0，并且兼容3.3 V或5 V單片機系統，可以直接與MCU的串口連接。實現了Android手機與STM32F103單片機間的通信。

3 軟件設計

3.1 下位機軟件設計

單片機軟件開發環境為Keil MDK 5.10，軟件流程如圖3所示。主要實現了脈象信號的A/D轉換、處理和無線傳輸以及脈象異常的報警。

圖3 下位機軟件流程

1)系統初始化：使能I/O口、ADC、DMA、定時器和通用同步異步串行收發器(universal synchronous asynchronous receiver transmitter,USART)的時鐘，配置ADC模式、中斷和串口通信協議。

2)A/D采樣：定時器T2_CC2每隔4 ms觸發一次ADC對脈象信號的采樣，此時DMA會將采樣值存入內存。當DMA傳輸完成時，硬件將DMA_TC置1，產生中斷。

3)濾波處理：為了進一步改善信號質量，系統在硬件濾波的基礎上又加入了數字濾波?？紤]到脈象信號的基線漂移主要來源于呼吸波的干擾，且頻率低于0.5 Hz，采用MATLAB的FDAtool工具箱設計了0.5 Hz二階無線脈沖響應(infinite impulse response,IIR)高通濾波器，得到響應函數為

(1)

導出式(1)中的濾波系數，采用C語言在MCU中實現該濾波器。為了進一步消除毛刺，在基線漂移濾波后又加入了加權滑動平均濾波算法。原理是在數據緩沖區依順序存放7次采樣數據，每采進一個新數據，將最早采集的數據丟掉，計算包括新數據在內的7個數據的加權平均值

w(i)=[7a(i)+5a(i-1)+5a(i-2)+3a(i-3)+

3a(i-4)+a(i-5)+a(i-6)]/25

(2)

式中a(i)為濾波前最新的采樣數據;w(i)為濾波結果。

4)數據發送：信號經過濾波處理后，通過USART發送至藍牙模塊。當藍牙模塊與Android手機連接成功時，即將信號數據無線傳輸至手機。

5)脈象異常報警：當脈象異常時，Android手機會反饋給MCU一個信號，觸發蜂鳴器報警。

3.2 上位機軟件設計

基于Eclipse 4.5.1和Android 5.1.1開發了Android手機交互界面，軟件流程如圖4所示?！伴_啟藍牙”按鈕控制與HC—05藍牙模塊進行通信，接收數據；“繪制波形”按鈕控制波形繪制；“顯示結果”按鈕控制計算并顯示脈率及相應的脈象；當脈象異常時，會反饋給MCU一個信號。

圖4 上位機軟件流程

4 測試結果與分析

系統的硬件電路板的尺寸為8.0 cm×5.5 cm，正常工作時電流約為80 mA，體積小，功耗低。系統測試時，用腕帶將脈象傳感器固定最佳取脈點，即橈骨突出處下方的橈動脈最強搏動點，在平靜狀態下測試。

4.1 系統穩定性測試

為了驗證軟件濾波的有效性，在下位機未植入濾波算法的條件下，采集脈象信號，通過串口將脈象信號發送至計算機。計算機采用串口調試助手Serial Port Utility接收數據，并將接收的數據記錄于文本文件中。MATLAB對文件中的數據做0.5 Hz高通濾波處理，得到濾除基線漂移前后信號對比，如圖5所示。對濾除基線漂移后的信號加權滑動平均濾波處理，得到濾波前后信號整體對比，如圖6所示，局部對比如圖7所示。

圖5 濾除基線漂移前后信號對比

圖6 加權滑動平均濾波前后信號整體對比

圖7 加權滑動平均濾波前后信號局部對比

由圖5可以看出：濾除基線漂移后的信號波峰基本平穩，取得了較好的效果；圖6可以看出：加權滑動平均濾波并未改變信號的時域特性；而圖7是對圖6第一個波谷進行了局部放大，可以看出：濾波后的信號波形較濾波前平滑。經過兩次濾波后，有效降低了信號噪聲，提高了系統的穩定性。

當Android手機與HC—05藍牙模塊配對成功后，采集脈象信號，手機界面及測試結果如圖8所示?？梢钥闯觯荷衔粰C實現了與藍牙模塊的無線通信，并得到了質量較好的脈搏波形。根據脈象數據，計算出脈率，并顯示脈率及相應的脈象結果。

圖8 Android手機界面及測試結果

脈率與脈象的對應關系如表1所示，其中遲脈和數脈均屬于異常脈象。當檢測的脈象異常時，上位機會自動反饋給下位機，觸發蜂鳴器報警。

表1 脈率與脈象的對應關系

4.2 系統準確性測試

為了驗證系統測量脈率的準確性，以合肥華科電子技術研究所的HK—2010/3中醫脈象儀為參考，分別采集了5名健康成年人的脈象，并計算脈率。測試結果如表2所示。

表2 脈率測試結果

測試結果表明：設計的脈象檢測系統與HK—2010/3中醫脈象儀對脈率的測量結果平均相對誤差在1.5 %以內，具有良好的準確性。

5 結束語

設計的便攜式脈象檢測系統，以PVDF壓電薄膜作為脈象傳感器，用STM32F103單片機和HC-05藍牙模塊實現控制和無線傳輸，具有成本低，體積小，功耗低的特點。測試結果表明：系統可以穩定且準確地采集脈象信號。通過Android智能手機與用戶進行人機交互，用戶可以在手機上看到顯示的脈搏波形、脈率及相應的脈象。系統具有脈象異常報警功能，適合家庭日常健康監護。

參考文獻:

[1] 吳琳娜,劉少強,汪立林.新型脈搏波檢測時域處理方法與系統實現[J].傳感器與微系統,2008,27(9):72-74.

[2] 魏 紅,徐 剛.從中醫整體、動態、平衡觀論脈診客觀化研究[J].中醫雜志,2014,55(1):25-27.

[3] 許家佗,王慶華,孫鴻杰,等.ZM—Ⅲ型智能脈象儀對健康人群脈圖生物齡的調查分析[J].上海中醫藥大學學報,2000,14(4):35-36.

[4] 王貽俊,王勁松,蔡新吉.MXY—Ⅱ型脈象儀的設計[J].現代醫學儀器與應用,2000(1):6-8.

[5] 劉 靜,楊永杰,李 丹,等.可穿戴式生理數據檢測儀的研制[J].傳感器與微系統,2016,35(7):76-79.

[6] 劉 濤,趙艷飛,劉志剛,等.基于STC89C52的多通道脈搏采集系統設計[J].現代電子技術,2011,34(15):150-154，158.

[7] 王 平,劉清君,吳春生,等.生物醫學傳感與檢測[M].杭州:浙江大學出版社,2012:102.