脉搏测量方法及其测量系统

论文总字数：15313字

目 录

1.引言 5

1.1 背景和意义 5

1.2 国内外研究现状 5

1.3脉搏测量系统的设计思路 6

2.脉搏测量方法 6

2.1人工测量法 6

2.2仪器测量法 6

3.设计目标及方案论证 7

3.1 设计目标 7

3.2 研究内容 7

3.3 方案设计与论证 7

3.4 元器件选择 10

4.硬件系统设计 13

4.1硬件电路图 13

4.2 信号采集电路 14

4.3放大电路 14

4.4 显示电路 15

5.系统软件设计 15

5.1主程序 15

5.2中断程序 16

6.系统测试与结果分析 16

6.1测试方法 16

6.2焊接与调试 17

6.3测试数据与结果分析 17

7.总结 20

8.参考文献 21

9.附录 22

脉搏测量方法及其测量系统

吕瑶琪

,China

Abstract: In order to facilitate the measurement of pulse signal, the prevention of heart disease and other cardiovascular diseases, based on the analysis of the manual measurement method and instrument measurement method, method of measuring pulse using photoelectric sensor to design the pulse measurement system. The system consists of signal acquisition, low-pass filtering and LCD real-time display module. The collected pulse signal is filtered and amplified, the output pulse signal as an external interrupt signal, after the software to deal with the pulse signal, and finally on the LCD screen to display the measurement results. Compared with the traditional pulse measurement system, the designed system has the advantages of small size, can be measured whenever and wherever possible. The results show that the designed pulse measurement error is within the allowable range, to meet the pulse measurement requirements.

Key words: Pulse measurement system; infrared sensor;MSP430;

1.引言

1.1 背景和意义

随着生活水平的提高，大家都开始关心起生命健康来。近几年每年都会有很多人死于心脑血管疾病，在治疗上也花费很多积蓄 ^[1]，一般家庭难以承担治疗费用，有的就采取消极治疗的方式，使社会和家庭负担都很重。因为生活节奏的加快，人们在日常生活中越来越追求速度，吃饭很快，速食食品吃很多，生活习惯不健康，导致越来越多人患上心脑血管疾病。那么到底怎样才能让人远离这种疾病的困扰呢?有没有办法降低疾病的发生率呢？怎样才能减轻所有人的负担呢？这些都成了很严重的问题。

人们的生活水平越来越高了，大家都开始追求生活质量和生命质量。对于拥有生活化和个性化的身体检测和降低疾病发生率的需求也在不断增加。对于脉搏波的钻研，世界上包括我国都涌现出了非常多的理论方法和技术方法。以当今医学理论技术作为基础，通过脉搏波对心脏和血管运作情况进行无创检查的方式和设备层出不穷。所以研究脉搏的跳动规律，分析脉搏反映出的身体情况，研究心脏运作机制，创造出一种可以为家庭和社区提供健康检查的设备，一种可以对动脉硬化程度和相关方面疾病进行无创检查的设备，这样就可以让越来越多的人实时了解他本身的心血管是否正常，可以及时对自己的患病情况进行了解，并进行治疗。

有上述背景作为基础，我们可以发现，用来检查心血管的新技术和手段的钻研加上心脏机能检测类适用于家庭使用的电子检查器械的研制已成为当务之急。它除了能保证现今的医疗卫生符合要求外，还能够使家庭电子医疗产业取得良好的发展^[2]，为我国”家庭医疗保健工程”的推行和实施献出有效的力量。

1.2 国内外研究现状

自1975年以来，以流体力学以及弹性腔理论为基础的无创血管功能检查方式越来越吸引大家的目光^[3]。很多研究人员都研究出了不同的测量脉搏的仪器，例如单部式、三部式、集群式单点，多点，软刚性接触式等等^[4]，脉搏测量系统由硅单质、陶瓷片、光电传感器、压电晶体等构成，此中以三部软刚性接触式使用最普遍^[5]。

心血管的构成已经有很多方法对其进行描述了，可以用影像技术来对其机能进行分析，但是这种影像技术比较复杂，成本非常高，所需设备非常先进，很多都是需要在国外进口的，所以这种方法只能在大型医疗诊断中使用，另外还有一些其他方法，比如说将用超声波检测得到图像，然后用计算机进行分析，分析某一些动脉轴以及位点的性能和构成，像这种比较复杂的方法只能在进行临床测验的时候使用。在无创方式中，脉搏频率的监测已被应用于动脉壁的延伸评价中很长一段时间。这种无创方法可以得到准确的测量结果，操作的过程比较容易上手，有比较好的重复性，所以，这种方法得到了广泛的应用。在其他国家，例如法国著名的康普乐仪和日本使用很广泛的动脉硬化检测仪 ^[6] 就是根据这种方法研制的，已经遍及了欧美国家。在我国也有一些医院花费高昂的价钱买来了这种仪器，但是光靠买别人的研究成果肯定不可以，所以就有研究所开始研制类似的仪器，终于，在2010年，我国也有公司研制出来了检测仪，并陆续展出，但是，这些仪器都很大型，成本昂贵，检测需要很高的费用，所以只有一些大型医院在使用，而且它只具有检测功能，对于患者随时随地检测的需求不能够满足。

1.3脉搏测量系统的设计思路

脉搏的跳动对光强会产生影响，利用这一特性，可以采用红外对射管对脉搏进行采集，人体的血液会随着心脏的跳动发生变化，这一变化最明显的部位在手指尖和耳垂，因此将手指放在红外对管上，接收管的电流会随着脉搏的跳动发生变化，导致接收管发出脉冲信号。脉冲信号经过采集、放大后传入单片机进行A/D转换，最终通过发光二极管显示脉搏跳动状态，显示屏显示测量结果。

2.脉搏测量方法

2.1人工测量法

脉搏诊断在我国中医诊断中占有重要地位，脉诊方法简单，且具有无痛无创的优点，所以很容易被广大患者接受。脉诊的方法是用手按在患者的手腕上，根据脉搏的跳动次数计数，从而得出结论。这种方法的缺点在于：

光凭医生的手感去分析脉搏跳动的情况，会受到很多方面的影响，如：医生的主观感受、经验和表达等等，而且有时还会有一些主观判断的影响，导致对脉搏跳动的分析不够准确和规范；对脉搏跳动的时间很难把握，起始时间和结束时间容易产生误差；手指切脉的技巧不容易掌握；手指切脉不能进行记录和存储，这会使医学界对脉象学的钻研受到影响，成为中医诊脉交流和发展的制约因素。

2.2仪器测量法

2.2.1利用光电传感器测脉搏

利用光电传感器测脉搏的原理是：选取一个红外对射管，将手指放在上面，人体的血液流动节奏即脉搏跳动的频率，当光电传感器照到人体当中的时候，有一部分会反射到接收管，接收到的信号会随着人体血液的流动有一定的波动，经过滤波放大后，输出信号。通过单片机内部的定时器确定基准时间，测量两个上升沿之间的时间^[7]，跟基准时间相比，算出周期，然后计算出一分钟内脉搏跳动的次数，显示在显示屏上。本设计即采用此方法。

这种方法便于测量，操作简单，误差小，而且红外对管的价格便宜，在技术上实现的可能性比较高。

2.2.2利用图像处理测脉搏

利用图像处理测脉搏的原理是：通过分析脸部视频的颜色，辨别颜色的成分组成来测脉搏。这种方法由富士通研究所所开发。利用的是人体内的血红蛋白对于绿色的光吸收力度较强，所以可以通过捕捉脸部表面绿颜色的成分变化来测量脉搏。首先拍摄一段面部视频，然后将图像按帧分成各种颜色，并计算出每种颜色的平均亮度。之后滤除各颜色都存在的噪声干扰，只将绿色成分的亮度波形提取出来。这种方法最短只需要5秒就可以测出脉搏。

这种方法的优点是测量时间短，测量结果准确。但是，测量过程复杂，技术性太高，不适合对脉搏的日常测量。

2.2.3利用加速度传感器测脉搏

利用加速度传感器测脉搏只需要被测人员站在体重计型仪器或者躺在床上就可以测出脉搏，这种方法的核心是心冲击图。心冲击图指的是随着心脏的跳动而产生的小幅度的体动。心冲击图的峰值要比心电图的峰值出现的晚一点。利用体重计型仪器或床上配置的加速度传感器检测这个动作就可以得到脉搏跳动的频率。因为BCG是特别微小的动作，所以采用的传感器精度要比普通的加速度传感器大五十倍左右，这种传感器可以检测出加速度为0.001G的微小振动。

这种方法虽然测量起来简单方便，但是所需的传感器精度高，成本高，在技术上很难实现。

2.2.4利用电磁波测脉搏

利用电磁波测脉搏的原理是向被测者的胸部发送电磁波，根据入射波与反射波之间的相位差检测心脏的跳动情况。

心跳的动作比呼吸和体动等还要微小，所以需要导入滤波和去噪声的技术来补偿人体动作，或者提高测量精度，来测得心跳次数，而我们心跳的频率与脉搏跳动的频率是相同的，所及也就测量出了脉搏跳动的频率^[8]。欧姆龙健康医疗的睡眠采用的就是这种方法。

2.2.5利用光纤测脉搏

利用光纤测脉搏的核心元器件是“异质核心型”光纤，将此光纤缝到寝具中，人在睡眠时脉搏跳动的情况就可以检测出来。此光纤是将部分光波导插入到纤芯直径不同的地方，这时光的传输会变得不够稳定，所以如果从外面碰触光纤的话，光的传输量会发生改变。如果能在光纤的端点出用光电二极管检测出传输量的改变，就可以用作传感器。这一方法由创价大学所提出。

这种方法所需测量时间较长，容易产生误差，且成本相对较高，实现比较有难度，所以不选用这种方法。

3.设计目标及方案论证

3.1 设计目标

设计一款低功耗、便携式脉搏测量系统，能实时监测被测者一分钟内的脉搏值。

3.2 研究内容

脉搏测量系统以MSP430单片机作为核心控制元件，利用红外传感器采集脉搏信号，经低通滤波并放大实现对脉搏信号的检测，最终在液晶屏上显示测量结果。

3.3 方案设计与论证

3.3.1 传感器的选择与论证

系统是为了方便的测量脉搏跳动的频率，所以要对传感器进行选型，下面是几种可用传感器的介绍：

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