一种便携式PWV测量样机的设计与实现

郭昌华 杨超 张辉 胡旭

摘 要：文章设计了一种便携式脉搏波测量样机，通过两个传感器获取两种不同动脉的脉搏波数据测量PWV。然后通过提取特征点，分别计算两个脉搏波的脉冲波发射时间（PWTT），并通过两个不同测点与PWTT之间的距离比值求得PWV。此外，还为数据无线传输提供了蓝牙功能，将数据保存在存储器中，作为医生诊断疾病的有效参考。实验结果表明，该样机是一种简便易行的家用PWV监测设备，可以帮助医生准确分析或诊断心血管疾病。

关键词：便携式脉搏波测量样机；硬件设计；软件设计

中图分类号：TH776 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）16-0018-02

Abstract： In this paper， a portable pulse wave measuring prototype is designed， and the pulse wave data of two different arteries are obtained by two sensors to measure the pulse wave velocity（PWV）. Then， by extracting the characteristic points， the pulse emission time of two pulse waves is calculated， and the PWV is obtained by the distance ratio between the two different measuring points and the pulse wave transit time （PWTT）. In addition， the Bluetooth function is provided for wireless data transmission， and the data is stored in memory as an effective reference for doctors to diagnose diseases. The experimental results show that the prototype is a simple and convenient household PWV monitoring device， which can help doctors to accurately analyze or diagnose cardiovascular diseases.

Keywords： portable pulse wave measuring prototype； hardware design； software design

引言

作為评估动脉僵硬度的一个指标脉搏波波速（PWV）的作用正日益引起重视。脉搏波波速（PWV）越快，表示动脉的硬度较高，动脉的扩张性越差。许多前瞻性研究都证实，PWV是预测心脑血管疾病发生的最有价值的指标之一，PWV也是评价动脉硬化的重要指标[1]。Yamashina等[2]测量了一些常规体检人群的PWV和传统心血管的重要因素，结果表明，PWV是心血管疾病，独立于其他因素，如年龄和其他血流动力学参数的重要因素。

此外，动脉硬度增加导致PWV升高，不仅促进了脑血管疾病发生的风险，而且还与痴呆、脑认知障碍相关[3]。1749名未患痴呆和中风的患者被追踪14年PWV测量和脑认知能力功能[4]。结果显示，PWV与中风、痴呆和认知能力下降有关。此外，臂踝脉波速度是高血压患者微蛋白尿的重要因素[5]。

在以往的研究中，一些学者在液体耦合传感器上提取脉搏波，或者在液体耦合传感器的基础上对传感器进行改进，耦合的方式直接影响到测量结果[6]。也有一些研究通过光电传感器获取脉搏波，这种传感器基于光电体积的法则，通过监测指尖的透光率，间接得到脉搏波[7]。

为了实现便携式和易于使用的目标，我们开发了一个样机，它使用两个脉冲传感器来同步不同的动脉脉冲信号。实验结果表明，设计的样机可以方便地计算出两路脉搏波，结果可以作为医生诊断心血管疾病的有效参考。

1 硬件和软件设计

首先，使用一个传感器记录心电图。然后用另一个传感器连续记录近波和远波。最后，对近波和心电图（T1），远波和心电图（T2）进行时差，从而得到T2-T1的传导时间。另一种设计方案是在不同的部分记录同一信号的实时波，即同步记录近波和远波。显然，后一种方法可以得到更精确的传导时间，因为我们可以直接得到传导时间，所以本文使用第二种方法。

1.1 硬件设计

为了设计一个便携设备，最主要考虑的因素是功耗和大小，所以我们尝试采用低功耗芯片来满足需求。

传感器：考虑前面提到的三种脉冲传感器，由于液体的惯性、液体流动的内摩擦阻力以及导管和膜片的灵活性问题，液体耦合传感器的输出可能产生畸变。此外，还有许多研究采用光电传感器来提取脉冲波信号。但这种方法主要用于记录指尖的信号，不适合记录其他部位的脉冲波。在PWV的测量中，我们应该同时记录至少两个不同部位的信号。因此，压电传感器是最好的选择。在本研究中，我们使用了两个压电式脉冲传感器，HK-2000B。

加法单元：脉冲传感器输出带有负值的信号，为了适应A/D芯片的模拟信号输入（TLC1549），设计了两个加法单元，用于将脉冲波向上移动。

A/D转换器： TLC1549是10位模数转换器。它采用CMOS工艺，具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围等特点。

MCU：我们选择ATmega16 AVR SCM。ATmega16是一种基于AVR增强RISC架构的低功耗CMOS 8位微控制器。AVR核心结合了一个丰富的指令集和32个通用的工作寄存器。所有32个寄存器都直接连接到算术逻辑单元，允许在一个时钟周期内执行的一个指令访问两个独立的寄存器。由此产生的体系结构比传统的CISC微控制器（CISC微控制器）提高了10倍，从而提高了代码的效率。

蓝牙：我们采用HC06蓝牙模块来实现无线传输。HC06的尺寸只有28毫米x15毫米x2.35毫米，价格低廉。

键盘，外部存储，LCD12864：键盘用于输入测量零件的距离。外部存储器用于存储采集数据。LCD12864用于显示菜单和测量结果。

1.2 软件设计

MCU控制软件包括MCU、传感器、蓝牙、键盘和LCD的初始化代码；数据采集和处理程序；蓝牙与PDA或其他设备之间的通信程序。

在本研究中，我们在10秒内获得5000个样本，采样率为500Hz。由于TLC1549是一个串行数据采集芯片，需要至少10个时钟来采集样本，所以时钟频率至少应该是5 kHz。首先，我们提取了两个通道信号中的一个特征点。在此基础上，我们可以方便地得到其他信号的特征点。然后，通过一个简单的算法，我们可以很容易地得到PWV值。最后，我们还可以通过蓝牙技术传输数据。

2 实验&结果

PWV的临床参考值为14m/s。PWV越高，动脉硬化的风险就越高。实验涉及10名受试者，5名男性和5名女性。

志愿者将两个传感器分别放置在臂动脉和桡动脉上，通过我们所开发的仪器可以获得脉冲波发射时间（PWTT）。

我们对这两个信号进行了10秒的测量，并计算了每一对的PWTT，如T1、T2等。我们使用平均值作为最后的PWTT，通过10秒的记录，然后我们可以利用PWTT将两个传感器之间的距离划分出来，从而得到PWV。实验结果如表1所示。

3 结束语

为了帮助早期发现心血管疾病并满足家庭使用设备的要求，本研究提出了一种无创、便携、易于使用的PWV监测样机。该样机可以计算用户的PWV，通过蓝牙无线功能将脉冲信号发送到PDA或计算机，显示脉搏波，提供长时间的数据存儲，可以帮助医生早期分析或诊断心血管疾病。

参考文献：

[1]李国杰，黄秀先，梁树俊，等.脉搏波传导速度与心血管病及其危险因素的相关性分析[J].中国循证心血管医学杂志，2013，5（01）：15-16.

[2]Yamashina A， Tomiyama H， Arai T， et al. ：Brachial-ankle pulse wave velocity as a marker of atherosclerotic vascular damage and cardiovascular risk， Hypertens res.（2003），26（8）：615-622.

[3]生物谷.动脉硬化可预测认知能力下降[J].上海医药，2016，37（10）：22.

[4]Waldstein SR， Rice SC， Thayer JF， et al.：Pulse pressure and pulse wave velocity are related to cognitive decline in the Baltimore Longitudinal Study of Aging， Hypertension，（2005），51：90-104.

[5]赵清华，王青，庄晓明，等.心血管疾病危险人群中微量白蛋白尿与踝臂脉搏波传导速度的相关性研究[J].中华临床医师杂志（电子版），2012，6（03）：570-574.

[6]Ling YW， Peter C. ：Frequency distribution of human pulse spectra， IEEE Trans. BME（1985），32（3）：245-247.

[7]Texas Instruments： Monolithic photodiode and Single Supply Tran Impedance Amplifier OPT101 Datasheet， 2004，pp.1-15.