无线便携式脉象检测系统设计*

马俊淇， 刘 燕， 佟宝同， 赵凌霄， 戴亚康

(1.中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163；2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

脉象信号的检测和脉率测量对人体健康状况的日常监护具有重要的实际意义[1]。脉诊仪作为脉象信息采集的重要工具，其研发已经取得了一定的成果[2]。如上海中医药大学研发的ZM—III智能脉象仪[3]，王贻俊等人设计的MXY—II型脉象仪[4]等，在临床上均得到了一定的应用。但亦存在明显的缺点：仪器需要与计算机配合使用，成本较高；体积较大，不便携带；局限于大型医院等应用场合，不适合个人使用，无法满足慢性病患者、老年人等对于家庭日常的健康检测的需求[5]。

本文设计了一种成本低、体积小、功耗低的无线便携式脉象检测系统，可实现脉象信号的采集、无线传输和在Android手机上的波形绘制、脉率及相应脉象的显示，可在脉象异常时自主报警，适于家庭使用。

1 系统设计

针对脉象信号具有信号弱且噪声强、频率低且能量集中、复杂易变且随机性强等特点[6],设计系统总体框图如图1所示。

检测系统的设计方案如下：

1)脉象传感器：主要用于模拟中医诊脉从桡动脉提取人体脉象信号，其稳定性和灵敏度直接影响采集结果的准确性。选用聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)压电薄膜作为脉象传感器。具有压电效应，表面产生的电荷量与外部压力成正比，可将脉搏压力信号转换为电信号,其灵敏度高，稳定性好，频响满足人体脉搏的频率范围(0.2～40 Hz)。此外，其成本低，具有较好的生物兼容性，质地柔软，与皮肤贴合性好，适用于脉象传感器。

图1 系统总体设计框图

2)信号调理电路：考虑到脉象信号微弱、噪声强且易于变化等特点，设计了放大电路和多级滤波电路抑制噪声。

3)处理发送模块：调理后的脉象信号在STM32F103控制器中经过A/D转换为数字信号后，又经过滤除基线漂移、消除毛刺噪声等处理，最后通过HC—05蓝牙模块无线传输至Android手机。同时，控制器可以接收手机反馈的脉象异常信号，及时触发蜂鸣器报警。

4)上位机界面显示：Android手机接收蓝牙传输的数据后，可以绘制脉象波形，计算并显示脉率和相应的脉象，脉象异常时反馈给下位机。

2 硬件设计

硬件设计包括信号调理电路和控制器及通信模块设计。其中，信号调理电路设计又分为前置电荷放大器、放大滤波电路和电压抬升电路设计，其原理如图2所示。

图2 信号调理电路原理

2.1 前置电荷放大器设计

电荷放大器可以将传感器表面的电荷量转化并放大为电压信号，且可以有效消除或降低传感器本身电容值和电缆长度对前置放大器输出的影响[7]其输出电压与1/C11成正比。而反馈电阻器R11除了为负反馈电路提供直流通路外，还与反馈电容器C11构成一个一阶高通滤波器。其下限截止频率约为0.16 Hz，可以减小零点漂移。

2.2 放大滤波电路设计

脉象信号经过前置放大器的初步放大和高通滤波之后，信号幅度仍然比较小，且混有较多的高频噪声，而脉象信号的频率不高于40 Hz。因此，需要进一步的放大和滤波处理。前置放大器后端的放大滤波电路由40 Hz二阶巴特沃斯低通滤波器、二级电压放大电路和50 Hz二阶巴特沃斯工频陷波器串联组成。

2.3 电压抬升电路设计

由于所选用的传感器及运算放大器均具有正负双极性，采集得到的脉象信号幅值存在负值，无法满足核心控制器STM32F103片内A/D转换的参考电压范围(0～3.3 V)。为了使核心控制器可以采集到完整的脉象信号，需要将电压抬升到正值，故在信号调理电路中加入了电压抬升电路。

2.4 控制器与通信模块

系统选用STM32F103作为系统的控制器。是一种基于ARM Cortex—M3内核的32位单片机(micro controller unit,MCU)，具有高性能、低成本、低功耗的特点。标准工作电压为2～3.6 V，工作频率最高可达72 MHz，拥有丰富的系统和外设资源，足以满足本系统对单片机的功能要求。系统使用了I/O口、模/数转换器(analog digital converter,ADC)、直接内存存取器(direct memory accessor,DMA)、定时器、串行通信(USART)接口和中断等资源。

通信选用ALIENTEK的HC—05蓝牙模块。为高性能的主从一体蓝牙模块，支持蓝牙规范2.0，并且兼容3.3 V或5 V单片机系统，可以直接与MCU的串口连接。实现了Android手机与STM32F103单片机间的通信。

3 软件设计

3.1 下位机软件设计

单片机软件开发环境为Keil MDK 5.10，软件流程如图3所示。主要实现了脉象信号的A/D转换、处理和无线传输以及脉象异常的报警。

图3 下位机软件流程

1)系统初始化：使能I/O口、ADC、DMA、定时器和通用同步异步串行收发器(universal synchronous asynchronous receiver transmitter,USART)的时钟，配置ADC模式、中断和串口通信协议。

2)A/D采样：定时器T2_CC2每隔4 ms触发一次ADC对脉象信号的采样，此时DMA会将采样值存入内存。当DMA传输完成时，硬件将DMA_TC置1，产生中断。

3)滤波处理：为了进一步改善信号质量，系统在硬件滤波的基础上又加入了数字滤波。考虑到脉象信号的基线漂移主要来源于呼吸波的干扰，且频率低于0.5 Hz，采用MATLAB的FDAtool工具箱设计了0.5 Hz二阶无线脉冲响应(infinite impulse response,IIR)高通滤波器，得到响应函数为

(1)

导出式(1)中的滤波系数，采用C语言在MCU中实现该滤波器。为了进一步消除毛刺，在基线漂移滤波后又加入了加权滑动平均滤波算法。原理是在数据缓冲区依顺序存放7次采样数据，每采进一个新数据，将最早采集的数据丢掉，计算包括新数据在内的7个数据的加权平均值

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)为滤波前最新的采样数据;w(i)为滤波结果。

4)数据发送：信号经过滤波处理后，通过USART发送至蓝牙模块。当蓝牙模块与Android手机连接成功时，即将信号数据无线传输至手机。

5)脉象异常报警：当脉象异常时，Android手机会反馈给MCU一个信号，触发蜂鸣器报警。

3.2 上位机软件设计

基于Eclipse 4.5.1和Android 5.1.1开发了Android手机交互界面，软件流程如图4所示。“开启蓝牙”按钮控制与HC—05蓝牙模块进行通信，接收数据；“绘制波形”按钮控制波形绘制；“显示结果”按钮控制计算并显示脉率及相应的脉象；当脉象异常时，会反馈给MCU一个信号。

图4 上位机软件流程

4 测试结果与分析

系统的硬件电路板的尺寸为8.0 cm×5.5 cm，正常工作时电流约为80 mA，体积小，功耗低。系统测试时，用腕带将脉象传感器固定最佳取脉点，即桡骨突出处下方的桡动脉最强搏动点，在平静状态下测试。

4.1 系统稳定性测试

为了验证软件滤波的有效性，在下位机未植入滤波算法的条件下，采集脉象信号，通过串口将脉象信号发送至计算机。计算机采用串口调试助手Serial Port Utility接收数据，并将接收的数据记录于文本文件中。MATLAB对文件中的数据做0.5 Hz高通滤波处理，得到滤除基线漂移前后信号对比，如图5所示。对滤除基线漂移后的信号加权滑动平均滤波处理，得到滤波前后信号整体对比，如图6所示，局部对比如图7所示。

图5 滤除基线漂移前后信号对比

图6 加权滑动平均滤波前后信号整体对比

图7 加权滑动平均滤波前后信号局部对比

由图5可以看出：滤除基线漂移后的信号波峰基本平稳，取得了较好的效果；图6可以看出：加权滑动平均滤波并未改变信号的时域特性；而图7是对图6第一个波谷进行了局部放大，可以看出：滤波后的信号波形较滤波前平滑。经过两次滤波后，有效降低了信号噪声，提高了系统的稳定性。

当Android手机与HC—05蓝牙模块配对成功后，采集脉象信号，手机界面及测试结果如图8所示。可以看出：上位机实现了与蓝牙模块的无线通信，并得到了质量较好的脉搏波形。根据脉象数据，计算出脉率，并显示脉率及相应的脉象结果。

图8 Android手机界面及测试结果

脉率与脉象的对应关系如表1所示，其中迟脉和数脉均属于异常脉象。当检测的脉象异常时，上位机会自动反馈给下位机，触发蜂鸣器报警。

表1 脉率与脉象的对应关系

4.2 系统准确性测试

为了验证系统测量脉率的准确性，以合肥华科电子技术研究所的HK—2010/3中医脉象仪为参考，分别采集了5名健康成年人的脉象，并计算脉率。测试结果如表2所示。

表2 脉率测试结果

测试结果表明：设计的脉象检测系统与HK—2010/3中医脉象仪对脉率的测量结果平均相对误差在1.5 %以内，具有良好的准确性。

5 结束语

设计的便携式脉象检测系统，以PVDF压电薄膜作为脉象传感器，用STM32F103单片机和HC-05蓝牙模块实现控制和无线传输，具有成本低，体积小，功耗低的特点。测试结果表明：系统可以稳定且准确地采集脉象信号。通过Android智能手机与用户进行人机交互，用户可以在手机上看到显示的脉搏波形、脉率及相应的脉象。系统具有脉象异常报警功能，适合家庭日常健康监护。

参考文献:

[1] 吴琳娜,刘少强,汪立林.新型脉搏波检测时域处理方法与系统实现[J].传感器与微系统,2008,27(9):72-74.

[2] 魏 红,徐 刚.从中医整体、动态、平衡观论脉诊客观化研究[J].中医杂志,2014,55(1):25-27.

[3] 许家佗,王庆华,孙鸿杰,等.ZM—Ⅲ型智能脉象仪对健康人群脉图生物龄的调查分析[J].上海中医药大学学报,2000,14(4):35-36.

[4] 王贻俊,王劲松,蔡新吉.MXY—Ⅱ型脉象仪的设计[J].现代医学仪器与应用,2000(1):6-8.

[5] 刘 静,杨永杰,李 丹,等.可穿戴式生理数据检测仪的研制[J].传感器与微系统,2016,35(7):76-79.

[6] 刘 涛,赵艳飞,刘志刚,等.基于STC89C52的多通道脉搏采集系统设计[J].现代电子技术,2011,34(15):150-154，158.

[7] 王 平,刘清君,吴春生,等.生物医学传感与检测[M].杭州:浙江大学出版社,2012:102.