人体脉搏检测传感器及信号处理系统程咏梅夏雅琴尚岚(北京工业大学机电工程学院工程力学部北京市100022)摘要：从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。
脉搏波所呈现出的形态（波形）、强度（波幅）、速率（波速）和节律（周期）等方面的综合信息，在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。
将人体脉搏波转化为电信号进行测量和分析，使中医的脉象有了一个客观的分辨标准，便于揭开脉诊现代科学本质，为预防和治疗疾病提供参考。
本文介绍了检测人体脉搏信号特征的系统。
该系统由应变式脉搏传感器及信号放大、滤波、AD转换及脉搏信号数字处理软件组成。
并用LabVIEW设计了虚拟仪器及相应的程序，使制作的脉搏检测系统能够用虚拟仪器软件LABVIEW显示出脉搏的波形。
关键词：脉搏波、传感器、检测系统A human blood pulse sensor and signal processing systemCheng Yongmei, Xia Yaqin and Shang Lan(School of Mechanical Engineering and Applied Electronic Technology, Beijing University of Technology,Beijing 100022)Abstract: Information from human blood pulse attracts more and more attention due to it may contain very pathological information which could be used as index to diagnose disease. The waveform, intensity and speed of pulse signals mostly read the physical and pathological characters of heart-blood system in human bodies. In this paper, the pulse signal that usually is feel by fingers of Chinese doctors was transferred into electric signal and thus could be measured by modern scientific way. As a result, the measured quantities can be used by a doctor as a more consistent index to make diagnoses. A pulse detecting system was developed and its functions, circuits and software based on LABVIEW were described in details.Key Words: human blood pulse, sensor, detecting system1 引言从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。
几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。
直到今天，在西方仍常用脉搏作为研究心血管疾病的重要方法。
心室周期性地收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，使血流压力以波的形式自主动脉根部开始沿整个动脉系统传播，这种波称作脉搏波。
脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，在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。
这些脉搏波可通过人体的表动脉如颈动脉、肱动脉和桡动脉等处进行检测。
其中，桡动脉由于靠近体表外周血管，信息尤为丰富，检测也最为方便。
通过对脉搏波所提取的血流信息进行分析，就有可能预测出心血管疾病发生的可能性，及时采取措施可有效地减少危险因素，使症状得到缓解和改善。
本文介绍了自行研制的应变传感器脉搏测量装置，是一个能够显示人体脉搏波形的检测系统。
2 设计方案显示人体脉搏波形的检测系统如图1所示。
(1) 传感器结构设计传感器设计基于应变电测的原理，采用悬臂梁结构式弹性元件，使弹性元件随着人体脉搏的跳动而发生微小形变。
此时，粘贴在弹性元件上的电阻应变片发生变形，其电阻值发生相应变化。
通过电桥将电阻变化转换成电压信号。
图2是传感器结构示意图。
图2所示结构为一等截面悬臂梁，一端固定，另一端紧贴皮肤感受脉搏的变化。
应变片粘贴在两个不同的截面上，可减少由于力P 作用点偏移而引起的误差。
悬臂梁的材料为铝合金，弹性模量E=70Gpa ，长度l = 31.50mm ，厚度h = 0.24mm ，宽度b = 5.63mm 。
脉搏所产生的压力P 和弯曲应变εm 的关系为： P = 0.12εm ，应变片选用金属箔式应变片。
(2) 测量电桥及其平衡电路悬臂梁式传感器在测量脉搏时产生的是弯曲变形，采用等臂全桥测量弯曲应变，可以消除拉伸（压缩）变形的影响。
供桥电压为3.3V 。
应变仪输出应变εi = 4ε。
(3) 放大及滤波电路为了保证放大电路具有较高的输入阻抗和精度，低输入失调电压，低漂移，选用AD524精密仪用放大器。
由于脉搏信号非常微弱，为了满足后续电路的要求，采用两级放大器。
(a) 放大电路软件设计图1 系统框图Fig.1 Logical chart of the SystemFig.2 Structure of the sensor放大电路原理图如图3所示。
第一级放大电路的放大倍数为1000，经过一级放大后的脉搏波形如图4所示。
第二级放大电路的放大倍数在20～50之间可调。
试验表明，第二级放大倍数为30时，波形最为满意。
经两级放大后的脉搏波形如图5所示。
(b) 滤波电路为了去除传感器安装时的静压力以及高频干扰（尤其是50Hz 的工频干扰），在第一级放大电路的输出端和第二级放大电路的输入端之间加了一个带通滤波器，其通带范围为0.16Hz ～33.9Hz 。
图6为滤波电路原理图。
滤波后的波形如图7所示，消除了直流偏置以及一部分高频噪声对电路的干扰。
(a) 第一级放大电路原理图(b) 第二级放大电路原理图图3 放大电路原理图Fig.3 Principal charts of the amplifiers (a) the first amplifier stage; (b) the secondamplifier stage.(a) 放大1000倍的脉搏波形 (b) 平脉波形图4 采集到的人体脉搏波形和实际人体脉搏波形对比 Fig.4 Comparison between (a) the collected waveform and (b) the real human blood pulse.图5 两级放大及滤波后的脉搏波 Fig.5 Waveform after two amplifier stages and filtered.图6 滤波电路 Fig. 6 The filter circuit 图7滤波后的脉搏波形 Fig.7 Wave form after filtered3 A/D 转换电路A/D 转换电路由采样保持器和A/D 转换器组成。
采样保持器选用AD582， A/D 转换器选择AD574A 。
原理图如图8所示。
AD574A 的输入极性为双极性，模拟输入电压范围-5V ～+5V 。
4 8051接口及串行通信图9所示的是8051的串行接口电路，P0口的端口线用作数据线，接收AD574输出的数字量。
它包括把TTL 电平转换成232电平的转换电路，所用芯片为MAX202，电平经转换后才能实现8051和PC 机的通信。
采用查询法判断A/D 转换是否结束。
5 LabVIEW 虚拟仪器程序设计用LabVIEW 编写的程序要能够实现和8051的串行通信，并把接收到的数据经过处理后，显示出波形。
波形的瞬时值要和放大电路此时输出电压的大小相同。
图10是LABVIEW 程序的前面板，用来显示脉搏波形及脉搏瞬时值，并且控制程序的运行和选择所用的串口。
图中所示波形即为采集到的脉搏波形。
用LABVIEW 编制的程序，包括串行通信部分，数据处理部分和数据显示部分。
图9 8051串行接口电路Fig.9 Circuit of 8051 serial port图8 A/D 转换电路原理图Fig.8 A/D circuit6 结论自制的应变片式传感器能够不失真的采集到脉搏信息，真实反映脉搏的波动状况。
测量结果表明，经过放大和滤波之后，得到的脉搏波形与人体的实际脉搏波十分相似。
用LABVIEW 虚拟仪器编写的程序能够显示脉搏波的波形。
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