第 25 卷 　第 5 期 2006 年 　10 月 北京生物医学工程 Beijing Biomedical Engineering 25 　No Vol 5 Oct. 　2006 人体脉搏波信号检测系统 程咏梅 　夏雅琴 　尚岚 　　摘 　要 　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 , 能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 。根据人体脉搏信号特征设计了一套脉搏检测装置 。 该装置由应变式脉搏传感器及其信号放大及滤波电路 、AD 转换 、接口及脉搏信号数字处理软件构成 。该脉搏检 测系统的最大特点是能够用 LabVIEW 虚拟仪器的操作面板及相应的程序 , 显示出脉搏的波形 。 关键词 　脉搏波 　传感器 　检测系统 中图分类号 　R318 04 文献标识码 A 文章编号 1002 3208 (2006) 05 0520 04 A Human Blood Pulse Signal Detecting System 　CHENG Yongmei , XIA Yaqin , 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 because it contains much 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 felt by finger touching 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. The system consists of strain gage sensors , amplifiers , filters , A D translators , I O ports and integrated digital signal processing software. The most significant feature of the system is that the pulse wave shape can be displayed on the virtual panel by software based on LABVIEW. 【Key words】 　blood pulse 　　sensor 　　detecting system 　　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 。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 。这些脉搏波的特征 可通过人体的表动脉如颈动脉 、肱动脉和桡动脉等 处很容易检测出 。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 。用手指在 手腕的皮肤上即可感知脉搏的搏动 , 因而是获取脉 搏波的最佳检测部位 。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 。 作者单位 : 北京工业大学机电学院 (北京 　100022) 作者简介 : 程咏梅 (1957 —) , 女 , 副教授 , 从事实验力学分析研 究。 近年来随着生物医学工程学科的发展和电子计 算机的广泛应用 , 脉搏波的检测 、记录和分析处理 仪器已不断更新和完善 。目前有以下几种检测方 法 : 光电容积脉搏波法 、液体耦合腔脉搏传感器 、 压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器 。由于应 变式脉搏传感器具有成本低 、制作方便 、精确度高 等优点 , 因此选用此方法 。本文介绍了自行研制的 应变传感器脉搏测量装置 , 该系统的特点是能够显 示出检测的脉搏波形 , 使之更利于观察和研究 。 1 　设计方案 显示人体脉搏波形的检测系统如图 1 所示 。 1 1 　传感器结构设计 传感器是基于应变电测的原理 , 设计一个悬臂 梁式弹性元件 , 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 变片将产生变形 , 其电阻值会相应变化 。通过全桥 电路将电阻变化转换为相应的电压变化 。 

2 1 1 第 5 期 人体脉搏波信号检测系统 ·125· 图 1 　系统框图 Fig 1 　Logical chart of the system 　　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 个不同的截面位置上 , 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。 图 2 　传感器结构 Fig 2 　Structure of the sensor 经过标定 , 得到脉搏所产生的压力 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 , 规格为 1mm ×1mm , 120Ω; 灵敏系数 K = 2 。 1 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 , 所以应变仪输出应变 εi = 4εm 。为了保证电桥中电流不超过应变片的最大工 作电流 , 因此选用供桥电压 u0 = 3 3V。桥路中设 置了预调平衡电路 , 保证电阻处于平衡状态时电桥 无输出 。 1 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 。 1 数为 1000 。原理图如图 3 所示 。 1 　第一级放大电路 第一级放大电路的放大倍 3 图 4 (a) 是脉搏信号经放大 1000 倍后所得的 峰 值 可 达 到 250 ～ 300mV , 频 率 约 为 波形 , 峰 图 3 　第一级放大电路原理图 Fig 3 　The first amplifier stage 67Hz。图 4 ( b) 是实际人体脉搏波形 , 可以看 1 出 , 采集到的脉搏波形与实际人体波形十分相似 。 但从图中可以观察到有高频的干扰 , 通过低通滤波 器滤掉高频干扰 。 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 pusle 3 2 　第二级放大电路 　为了去除传感器安装时 1 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带通滤波器 , 其带通范围为 9Hz。消除了直流偏置以及一部分高频 0 16Hz～33 

1 Π ·225·　 北京生物医学工程 第 25 卷 噪声对电路的干扰 。第二级放大电路如图 5 所示 , 电路的放大倍数在 20～50 之间可调 。对比发现当 放大倍数为 30 时 , 波形最为满意 。两级放大后的 脉搏波形如图 6 所示 。 图 5 　第二级放大电路 Fig 5 　The second amplifier stage 图 7 　A D 转换电路原理图 Fig 7 　A D circuit 图 6 　两级放大及滤波后的脉搏波 Fig 6 　Pulse wave after two stage amplified and filtered 2 　A D 转换 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 7 所示 。AD574A 采用双极性 工作方式 , 选用 8 位工作模式 , 只用高 8 位数据线 输出 8 位数字量 , 量化单位为 0 0392 。模拟输入电 压范围 - 5～ + 5V。 3 　8051 接口及串行通信 3 1 　AD574A 和 8051 的接口电路 图 8 为 AD574A 和 8 位单片机 8051 的接口电 路 。P0 口设置为数据方式 , 接收 AD574 输出的数 字量 。CS 为低电平有效 , 用 CE 作启动转换信号 。 R 作方式采用查询法 。 3 C、A0 、CE 由 P2 口控制 。STS 和 P1 D 驱动及串行通信程序设计 0 相连 , 工 2 　A 图 9 是程序的流程图 , 主程序是用来初始化串 图 8 　AD574 和 8051 的接口电路 Fig 8 　A D 574A and Circuit of 8051 serial 口 , 并且在 A 中 断服务子程序是用来驱动A D 转换结束时传送转换后的数据 。 D转换 。由于A D 图 9 　程序流程图 Fig 9 　Flow chart of the compuler code 

2 2 2 2 ·325· 第 5 期 人体脉搏波信号检测系统 写的程序能够显示脉搏波的波形 。 转换采用 8 位工作方式 , 采样频率为 500Hz , 采用 中断法控制采样频率 。串口设置 : 8051 的串行工 作方式为方式 1 , 波特率为 9600 。 4 　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 , 将接收到的数据处理后 , 显示出波形 。 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 。图 11 是 LABVIEW 程序框图 , 它包括串行通信部分 、 数据处理部分和数据显示部分 。 图 10 　人体脉搏测试虚拟仪器前面板 Fig 10 　The designed panel of the virtual device 5 　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 　　　　　　 (上接第 506 页) Workbench Mutisim 7 软件得到了系统变量时变波形 图 ; 在微机控制仿真方面 , 得到了符合技术指标要 求的仿真实现 ; 在线圈磁场建模方面 , 得到了单线 圈三维磁场分布情况以及多线圈的轴线磁场分布情 况 , 为日后寻找线圈的最佳刺激位置和线圈的优化 工作打下了良好的基础 。 参考文献 [ 1 ] 　Barker AT. An introduction to the basic principle of magnetic nerve stimulation. J Clin Neurophysiol , 1991 , 8 : 26 [ 2 ] 　乔清理 , 王秀宏 , 等. 磁刺激用平面线圈机构的优化研究. 图 11 　程序框图 Fig 11 　Flow chart 6 　前 　景 (1) LABVIEW 软件还有很大的扩展空间 , 可继 续丰富数据的处理 , 使之能够显示脉搏的频率 。 (2) 可以通过输出电压和血压的关系 , 计算出 人体的舒张压和收缩压 。 (3) 用硬件 (如液晶屏) 代替 LABVIEW 来显 示脉搏波形和频率 , 更为经济 , 有利于产品化 。 参考文献 [ 1 ] 　吴宗岱 ,陶宝祺主编. 应变电测原理及技术. 北京 : 国防工 业出版社 , 1982 [ 2 ] 　强锡富主编. 传感器. 北京 : 机械工业出版社 , 2001 [ 3 ] 　吴秀清 ,周荷琴编著. 微型计算机原理与接口技术. 北京 : 中国科学技术大学出版社 , 2001 [ 4 ] 　郑毛祥主编. 单片机原理及应用. 北京 : 电子科技大学出 版社 , 2001 [ 5 ] 　张国雄 ,金篆芷编著. 测控电路. 北京 : 机械工业出版社 , 2000 [ 6 ] 　杨乐平 ,李海涛 , 肖相生 , 等编著. LabVIEW 程序设计与应 用. 北京 : 电子工业出版社 , 2001 (2005 10 25 收稿 , 2005 12 10 修回) 中国生物医学工程学报 , 2003 , 22 (4) : 236 - 239 [ 3 ] 　乔清理 , 王秀宏 , 等. 磁刺激技术及其进展. 生物物理学 报 , 2001 , 17 (2) : 217 - 223 [ 4 ] 　Basset PJ , Roth BJ . Stimulation of myelinated nerve axon by electromagnetic induction. Med BiO Eng & Comput , 1991 , 29 : 261 [ 5 ] 　吴昌哲 , 于阳 , 等. 经颅磁刺激系统地设计及其实现. 中 国医疗器械杂志 , 2005 , 29 (1) : 17 - 18 [ 6 ] 　刘洪广 , 周琳 , 等. 中枢神经的无创性磁刺激技术及其应 用. 中国生物医学工程学报 , 2001 , 18 (2) : 169 - 172 [ 7 ] 　王洪 , 郑小林. 经颅磁刺激器的设计及磁场分布的测量. 医疗卫生装备 , 2004 , 8 : 3 - 5 (2005 09 02 收稿 , 2005 12 12 修回)