脉搏信号采集传输实验系统设计

梁 妮, 陈 妮, 张琥石, 黄代政

(广西医科大学 基础医学院, 广西 南宁 530021)

我校开设的生物医学工程创新实训课程采用项目教学法实施教学[1]。采用项目教学法的关键是根据学科特点选取典型的工程对象作为教学项目[2-3]。对生物电信号的检测及分析是生物医学工程专业(医疗仪器方向)的一个重要知识模块，因此生理参数检测系统常被选取作为生物医学工程专业的典型工程实践教学项目[4-5]。现有的实验教学装置通常是将心电、血压、脉搏等多项生理信号的检测电路集成在一个实验箱中[6],并通过有线的方式将数据传输到PC端显示。学生在该实验装置上以观测实验结果为主,如通过调试电路参数观测各级调理电路的输出,观察PC端接收到的信号波形和计算出的生理参数值。这类实验装置集成的功能模块多、涵盖的知识点全,但技术更新慢且不能进行二次开发,仅能满足验证性实验教学的需要。

近年来,移动医疗行业的兴起使得便携式医疗和健康监测设备成为研究的热点[7-9]。该类设备包含生理参数检测模块、数据传输模块及PC端/手机端的数据分析模块[10-11]。脉搏信号的检测原理简单且具有代表性,对其做进一步的计算分析,还可以得到血压、血氧饱和度、呼吸率、心率变异等其他生理参数[12-15]。因此,本文基于移动医疗模式下设备的开发方案,设计了一套实现脉搏信号检测传输的实验系统。该实验系统支持3种脉搏传感器信号的采集，预留了程序下载接口,以便于对系统进行二次开发。利用PC端强大的数据处理能力,将新技术引入到教学中,解决了传统实验装置存在的不足。

1 系统总体设计

系统组成包括传感器模块、信号调理模块、单片机最小系统模块及无线蓝牙传输模块。系统框图见图1。

图1 系统框图

传感器模块包含压电式、透射式和反射式3种脉搏传感器。由于3种传感器特性不同,第一级信号调理电路采用3种不同结构的功能电路。第二级放大滤波电路为3类传感器共用。单片机开发模块以STC12C5A60S2

单片机为核心,在外围配备了晶振电路、复位电路、按键电路、液晶显示模块及无线蓝牙传输模块。无线蓝牙模块采用2.0标准的HC-05模块。在单片机上编写程序可完成脉搏信号的采集及无线传输。

系统的工作过程如下：传感器将感应到的脉搏信号转换为电信号,经过放大滤波后,由单片机的AD转换器进行采样处理,再通过无线蓝牙模块传输至其他数据终端。

2 系统硬件设计

2.1 第一级信号调理电路

2.1.1 压电式脉搏信号调理电路

压电薄膜传感器的型号为SDT1-028K。由于SDT1-028K的输出阻抗很大,直接接入放大电路、将会产生信号衰减,不利于信号的放大采集。因此,压电式脉搏信号调理电路包括阻抗变换电路和低通滤波电路，如图2所示。

阻抗变换电路由一个高输入阻抗的电压跟随器构成。该电路的输入阻抗由R17确定,为10 MΩ。由于运放的输出阻抗理想状态下为0,可将压电传感器的高输出阻抗变为低输出阻抗。

图2 压电式脉搏信号调理电路

为避免噪声干扰,传感器信号经阻抗变换后送入U3B、构成有源二阶低通滤波器进行滤波,滤波器截止频率为20 Hz。信号最后通过C16耦合到后级放大电路进行幅度放大。

2.1.2 透射式脉搏信号调理电路

透射式传感器采用HRM-2104型号的红外发射、接收传感器,信号调理电路如图3所示。传感器通过J1接口接入信号调理电路,C7与R12构成截止频率为0.5 Hz的一阶无源高通滤波器,C9和R11构成截止频率为20 Hz的一阶有源低通滤波器。运放U2A采用单电源的工作方式,同相放大倍数为40倍。

图3 透射式脉搏信号调理电路

2.1.3 反射式脉搏信号调理电路

反射式脉搏传感器的发射管采用主波长为525 nm的绿色发光二极管AM2520ZGC09。接收管使用型号为APDS-9008的光敏元件。APDS-9008是一款环境光感受器,感受峰值波长为 565 nm。发射管与接收管的峰值波长相近,提高了脉搏信号的检测灵敏度。反射式脉搏传感器的信号调理电路见图4。

图4 反射式脉搏信号调理电路

2.2 第二级信号调理电路

3种脉搏传感器的信号经过前期的处理后,直接送到放大电路进行幅度放大。为简化电路设计,3路脉搏信号共用同一个放大电路，电路见图5。

U2B构成一个增益可调的放大器,通过调节电阻W1的阻值大小,可以实现放大倍数的调整。运放采用单电源的工作方式,参考电位1/2VCC由稳压二极管构成。U4A构成一个电压跟随器,减少后级负载效应对脉搏信号的影响。

图5 第二级信号调理电路

2.3 单片机模块

单片机模块采用STC公司的STC12C5A60S2型号作为主处理器。该处理器具有1个时钟/机器周期,运算速度比普通8051单片机快6～12倍,内部包含10位的ADC、2路PWM等电路模块，具有高性能、低成本、低功耗等优势,在小型的医学电子仪器中有广泛应用。

单片机模块电路如图6所示。单片机电源由AMS1117稳压芯片提供。由于单片机没有AD转换的独立参考电压源,系统采用低压差低功耗的稳压芯片AMS1117可以保证AD转换的参考电压源相对稳定。4个独立按键由P3-2—P3-5口控制, 液晶显示模块与P00—P04口相连。无线蓝牙模块与程序下载端口共用单片机UART接口,与P30—P31相连。为避免通信数据冲突,下载单片机程序时SW1开关切换到TXD_DL处,进行蓝牙通信时SW1开关切换到TXD_BT处。

图6 单片机模块电路

3 系统软件设计

系统软件部分完成脉搏信号的AD采样及无线数据传输,对数据的进一步处理由上位机完成。脉搏信号的采集传输流程如图7所示。

图7 脉搏信号的采集传输流程图

系统上电后按下启停键,单片机开始启动内置的8位A/D模块进行数据采样。由于脉搏波信号的主要频率成分集中在0.5～5 Hz,设置A/D采样率为20 Hz以满足采样需求。采样完成后,通过蓝牙模块将数据发送到上位机。蓝牙模块型号为HC-05,该模块支持串行通信,可直接与单片机的串口相连。蓝牙模块在使用前被设定为从机模式,波特率为9 600 bit/s。上位机采用蓝牙适配器接收脉搏数据,利用LabVIEW或者Matlab软件对接收的数据进行相关处理。

4 实验系统测试

4.1 信号调理模块的测试

利用本实验系统,分别用3种不同的传感器对一名受试者静息态下左手桡动脉处的脉搏波进行测试。图8和图9是受试者静息态下通过示波器观察到的第二级信号调理电路的输出波形。

图8 反射式和压电式脉搏信号

图9 透射式和压电式脉搏信号

为对比不同类型传感器的输出信号,示波器采用双踪显示方式。图8中通道1为反射式脉搏信号,通道2为压电式脉搏信号。图9中通道1为透射式脉搏信号,通道2为压电式脉搏信号。可以看出：压电式脉搏信号采集只有一级放大,相对于其他两种传感器的信号输出幅度较小；由于信号感应原理不同,三种传感器感应得到的脉搏波波形特征稍有差异,但一定时间内采集得到的脉搏波个数相同,即脉率是相同的。

4.2 系统的采集传输测试

在单片机上编程实现脉搏波的AD采样及无线传输后,利用实验室已开发的PC端软件查看接收到的脉搏信号波形[10],完成实验系统的采集传输测试。图10为一名受试者静息态下检测到的反射式脉搏波。

图10 反射式脉搏信号的PC端显示

在PC端对脉搏信号的特征做进一步算法处理,可实现心血管疾病的预警分析,还可得到血压、血氧饱和度、呼吸率、心率变异等其他生理参数。

5 结论

本实验系统选取了脉搏信号作为教学内容,教学过程中可引入血压无创测量、心血管参数无创检测等新技术,解决了传统实验教学设备存在的技术更新慢等缺陷。系统采用模块化的设计,预留了多处测试接口,适合学生自主实验和开放性实验的开展。该实验系统已在我校生物医学工程专业创新实践教学中使用,提高了实践教学质量。