CN102334981A - 一种人体多路脉搏波信号采集系统 - Google Patents

Abstract

一种人体多路脉搏波信号采集系统，包括：压电式脉搏传感器、辅助固定装置，顺序连接的多路选择模块、前置放大器和基线校正模块、高通滤波和低通滤波模块、50赫兹陷波模块、后置放大模块、AD转换控制模块和上位机，以及电源模块；压电式脉搏传感器的输出连接多路选择模块，AD转换和控制模块的输出接多路选择模块；本发明系统解决了脉搏传感器的位置相关性的问题，测量数据可重复性好；可以准确定时定量地采集并且记录多个位置的人体脉搏信号，性能稳定，使用方便，对人体没有创伤，可以连续记录，为脉搏波进一步研究提供有利条件，也为中医脉象的研究提供了有效的工具和方法。

Description

一种人体多路脉搏波信号采集系统

 

技术领域

本发明属于生物信号采集技术领域，尤其是一种人体多路脉搏波信号采集系统。

背景技术

在医院临床监护以及日常的中老年保健中，脉搏是一项基本的生命指标，因而脉搏测量是最常见的生命特征的提取。

现有技术已知的脉搏测量可分为侵入式测量脉搏和非侵入式测量脉搏方法，侵入式测量脉搏比较准确，可靠，但其技术要求高，具有一定的创伤性，非侵入式测量脉搏的主要是采用压力传感器提取人体显著动脉部位的脉搏，经过信号预处理，模拟数字转换后，直接利用脉搏波进行分析处理与提取特征，计算相关参数，操作简单，无痛苦，在临床上广泛使用。

脉搏信号具有以下的具体特点：(1)强干扰下的微弱信号，由于脉搏信号幅度很小，大约是毫伏的数量级范围。因此，很容易引入干扰，这些干扰有来自50HZ的工频干扰，有来自肌体抖动、精神紧张带来的假象信号等。(2)频率低但是能量相对集中的信号，大部分频率范围分布在20HZ以下的低频段。(3)复杂且易变的随机信号。

目前的各种脉象检测装置，要求被测试者保持绝对安静和静止状态，稍有干扰，即对脉图产生严重的影响，进而影响检测的准确性，故难以推广。一般的pvdf材质的压电传感器外壳为金属铜质，如果直接固定在人体的桡动脉处，要求传感器精确定位在有脉搏波存在的体表动脉处，才能有脉搏信号输出，具有位置的相关性。

发明内容

本发明旨在解决的根本技术问题在于提供一种准确提取脉搏信号并加以处理的人体多路脉搏波信号采集系统，并由此分析、推演出所需的信息供医生准确诊断。

针对以上根本技术问题，本发明相应的解决技术方案是：

一种人体多路脉搏波信号采集系统，其特征在于包括：

压电式脉搏传感器、辅助固定装置、多路选择模块、前置放大器和基线校正模块、高通滤波和低通滤波模块、50赫兹陷波模块、后置放大模块、AD转换控制模块、上位机和电源模块；压电式脉搏传感器的输出连接多路选择模块，多路选择模块、前置放大器和基线校正模块、高通滤波和低通滤波模块、50赫兹陷波模块、后置放大模块、AD转换控制模块与上位机顺序连接，AD转换和控制模块的输出接多路选择模块； 

所述压电式脉搏传感器，用以检测脉搏波输出信号； 

桡动脉脉搏波检测传感器固定装置，包括用于夹持手腕的腕带和腕带上的环形卡置槽，安装压电式脉搏传感器安装在环形卡置槽内，腕带两端具有卡环，所述腕带为一个全封闭液体橡胶囊袋，该胶囊外形为扁平带状，橡胶壁厚为0.2～1.2mm，囊袋中的空腔高度为2～3mm，桡动脉脉搏波检测传感器的感应面贴于胶囊上壁；

前置放大器和基线校正模块，用以对脉搏信号进行一次放大，并通过基线校正电路对脉搏波进行基线校正，包括差分放大器AD620，差分放大器AD620的第1、第8管脚与第一电阻R1相接，第7管脚连接+5V的电源，第7管脚与电源之间接第一去耦电容C1，第4管脚连接-5V的电源，第4管脚与电源之间接第二去耦电容C2，第2和第3管脚为差分信号输入端，差分信号输入端接入第六电阻R6和第七电阻R7，脉传感器的输出信号通过第六电阻R6、第七电阻R7接第2和第3管脚，从第6管脚输出放大后的电压值；

高通滤波和低通滤波模块、50赫兹陷波模块和后置放大模块，用以滤除脉搏信号中的干扰和对脉搏信号进行二次放大处理；

所述高通滤波和低通滤波模块由集成运算放大器TL084的第一路放大器以及第八电阻R8、第九电阻R9、第四电容C4、第五电容C5所构成，经过前置放大以及基线校正后的脉搏信号通第四电容C4、第五电容C5跟TL084的第3管脚相接，TL084的第1管脚和第2管脚相接，作为高通滤波模块的输出GT_OUT；低通滤波模块由第十电阻R10、第十一电阻R11、第六电容C6、第七电容C7以及TL084的第二路放大器所构成，低通滤波模块的输入跟高通滤波模块的输出GT_OUT相接，GT_OUT经过第十一电阻R11、第十电阻R10与TL084的第5管脚相接，经过第十一电阻R11、第七电容C7与TL084的第6管脚相接，TL084的第7管脚为低通滤波模块的输出DT_OUT；

50Hz陷波器为集成运算放大器TL084的第3路放大器以及第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16和第八电容C8构成的双T型带阻陷波器，其中陷波器的输入跟低通滤波模块的输出DT_OUT相接,DT_OUT经过由第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16和第八电容C8所构成的电路后，跟TL084的第10管脚相接，TL084的第8和第9管脚相接为陷波器的输出YB_OUT；

后置放大模块由集成运算放大器TL084的第4路放大器以及第十七电阻R17、第十八电阻R18、第九电容C9所构成，后置放大模块的输入是陷波器电路的输出YB_OUT，YB_OUT跟集成运算放大器TL084的第13管脚相接，第九电容C9和第十七电阻R17并接在TL084的第12和第14管脚，然后跟第十八电阻R18串接，后置放大模块的输出为TL084的第14管脚，标记为RESULT，该信号跟AD转换装置器相接；

AD转换控制模块，用以通过模拟数字转换电路将模拟脉搏信号转换成数字脉搏信号，由数据采集卡USB-6008以及多路转换器MAX306所构成，USB-6008的数字量输出第17,18,19,20管脚分别与多路选择开关MAX306的地址线第17,16,15,14管脚相接，USB-6008的第21管脚接MAX306的第18号管脚。USB-6008的第31，32号管脚跟MAX306的第1，12号管脚相接；

上位机：用于通过USB2.0串行通信获得数字脉搏信号。

本发明使用时，将脉搏传感器辅助固定装置佩带在手腕处的桡动脉处，由压电式脉搏传感器测得脉搏信号，经过前置放大器对脉搏信号进行一次放大，经过基线校正电路对脉搏波进行基线校正，通过高通滤波和低通滤波模块和后置放大模块滤除脉搏信号中的干扰和对脉搏信号进行二次放大处理，再由AD转换控制模块将模拟脉搏信号转换成数字脉搏信号，然后经过高速USB2.0串行通信将数字脉搏信号传输到上位机当中，实现脉搏波信号的准确记录和分析。 

所述上位机还包括一脉搏信号分析处理模块，脉搏信号分析处理模块包括脉搏信号定时定量采集和在线显示存储模块。

脉搏信号分析处理模块工作步骤如下：

(1).设置参数，包括通讯设备选择，采样频率，文件保存路径等。

(2).启动程序，开启定时程序，判断所设定的开始采集的时间是否到达，如果否，则等待，继续查询。

(3).启动采集卡，采集脉搏波信号，并同时将脉搏波信号进行显示，以及存储。

(4).判断当前的批次采集是否结束，如果否，返回步骤(3)。

(5).判断所有的批次是否完成，如果否返回步骤(2)。

(6).结束会话，停止线程，关闭文件，并结束。

本发明有益效果在于通过脉搏传感器辅助固定装置解决了脉搏传感器的位置相关性的问题，可重复性好；测得的信号经过前置放大器和基线校正模块、高通滤波和低通滤波模块、50赫兹陷波模块、后置放大模块处理，可以准确、定时、定量地采集并且记录多个位置的人体脉搏信号，性能稳定，使用方便，对人体没有创伤，可以连续记录，为脉搏波的进一步研究提供了有利的条件，也为中医脉象的研究提供了有效的工具和方法。

附图说明

图1是本发明人体多路脉搏波信号采集系统结构简图；

图2a、图2b、图2c和图2d是脉搏传感器辅助固定装置图；

图2b为图2aA处剖示图；图2c为图2aB处剖示图；图2d为图2a处纵剖图；

图3是前置放大器和基线校正模块结构图；

图4是高通滤波和低通滤波模块和后置放大模块电路图；

图5是电源模块电路图；

图6是USB-6008内部的结构图；

图7是USB-6008和MAX306的端口接线图；

图8是脉搏信号定时定量采集和在线显示存储模块的工作步骤图。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明进一步描述：

实施例1见图1所示一种人体多路脉搏波信号采集系统，由压电式脉搏传感器、辅助固定装置、多路选择模块、前置放大器和基线校正模块、高通滤波和低通滤波模块、50赫兹陷波模块、后置放大模块、AD转换控制模块、上位机和电源模块组成。

压电式脉搏传感器的输出连接多路选择模块，多路选择模块、前置放大器和基线校正模块、高通滤波和低通滤波模块、50赫兹陷波模块、后置放大模块、AD转换控制模块与上位机顺序连接，AD转换和控制模块的输出接多路选择模块。

使用时将脉搏传感器辅助固定装置佩带在手腕处的桡动脉处，由传感器测得脉搏信号，经过前置放大器对脉搏信号进行一次放大，经过基线校正电路（基线校正模块）对脉搏波进行基线校正，通过高通滤波和低通滤波模块、后置放大模块滤除脉搏信号中的干扰和对脉搏信号进行二次放大处理，再由模拟数字转换电路将模拟脉搏信号转换成数字脉搏信号，然后经过高速USB2.0串行通信将数字脉搏信号传输到上位机当中，实现脉搏波信号的准确记录和分析。

所述压电式脉搏传感器，用以检测脉波输出信号； 

桡动脉脉搏波检测传感器固定装置，如图2所示，包括用于夹持手腕的腕带和腕带上的环形卡置槽1，压电式脉搏传感器安装在环形卡置槽内，腕带两端具有卡环2，所述腕带为一个全封闭液体橡胶囊袋，该胶囊外形为扁平带状，橡胶壁厚为0.2～1.2mm，囊袋中的空腔高度为2～3mm，桡动脉脉搏波检测传感器的感应面贴于胶囊上壁；利用液体传递压力的性质，图中环形卡置槽1处安装脉搏传感器，并使传感器的感应面贴于胶囊上壁，胶囊下壁紧贴皮肤，利用橡胶的弹性使胶囊与手腕皮肤贴合，增大了传感器感应面积。从两端卡环2处穿入腕带，可将传感器佩带于手腕上，且液压囊只要有一点面积与手腕桡动脉接触，脉搏波动就会由囊中的液体传导至传感器的感应面，解决了传感器位置相关性的问题。

前置放大器和基线校正模块，用以对脉搏信号进行一次放大，并通过基线校正电路对脉搏波进行基线校正。

如图3所示, 前置放大器包括差分放大器AD620，差分放大器AD620的第1、第8管脚与第一电阻R1相接，第7管脚连接+5V的电源，第7管脚与电源之间接第一去耦电容C1，第4管脚连接-5V的电源，第4管脚与电源之间接第二去耦电容C2，第2和第3管脚为差分信号输入端，接脉传感器的输出信号，输入端接入第六电阻R6和第七电阻R7，从第6管脚输出放大后的电压值。前置放大采用差分输入的方式，可以有效地抑制共模信号，放大差模信号，提高共模抑制比。差分放大器采用专用仪表放大器AD620，AD620的基本特点为高输入阻抗、高共模抑制比、高精确度、低噪声，非常适合用于脉搏信号采集这种小信号放大电路。加入R6、R7为进一步提高输入阻抗，从而提高共模抑制比， 第一去耦电容C1和第二去耦电容C2为去耦电容，用于消除干扰。

基线校正电路主要由四运算放大器LM148中的两个运放组成，根据闭环控制中的负反馈原理，在仪表放大器后面，采用一种基线校正电路，不仅能进一步消除人体静电干扰，而且能有效抑制由于肌体颤抖、人体紧张、呼吸颤抖等引起的基线漂移。其原理是U2运放的输出通过电阻R4对C3进行充电，如果该运放反相输入端输入信号Ui的电平出现漂移、波动，则充电的结果会使U2的同相输入端输入出现等同于反相输入端输入信号基线电平变化的点位Ub，U2将两者相减之后得到一个基线较稳定的输出FIR_OUT。

高通滤波和低通滤波模块、50赫兹陷波模块和后置放大模块，用以滤除脉搏信号中的干扰和对脉搏信号进行二次放大处理， 如图4所示，包括一个高通滤波器，一个低通滤波器，一个50Hz陷波器，以及后置放大电路。由于前置放大器在放大脉搏信号的同时，也会将干扰信号如50Hz市电干扰、电极激化电压、电磁波干扰等一并放大，导致脉搏信号采集困难。因此在设计放大器时，必须同时加入高通滤波器和低通滤波器，以取得适当带宽内脉搏信号，以利于后续处理。本系统设计采集的脉搏信号带宽为0.1～50Hz，已覆盖脉搏信号主要频带范围。

所述高通滤波和低通滤波模块由集成运算放大器TL084的第一路放大器以及第八电阻R8、第九电阻R9、第四电容C4、第五电容C5所构成，经过前置放大以及基线校正后的脉搏信号通第四电容C4、第五电容C5跟TL084的第3管脚相接，TL084的第1管脚和第2管脚相接，作为高通滤波模块的输出GT_OUT；低通滤波模块由第十电阻R10、第十一电阻R11、第六电容C6、第七电容C7以及TL084的第二路放大器所构成，低通滤波模块的输入跟高通滤波模块的输出GT_OUT相接，GT_OUT经过第十一电阻R11、第十电阻R10与TL084的第5管脚相接，经过第十一电阻R11、第七电容C7与TL084的第6管脚相接。TL084的第7管脚为低通滤波模块的输出DT_OUT；

低通滤波器由R10，R11，C6，C7以及TL084的第二路放大器所构成。低通滤波器的输入跟高通滤波器的输出GT_OUT相接，GT_OUT经过R11，R10跟TL084的第5管脚相接，经过R11，C7跟TL084的第6管脚相接。TL084的第7管脚为低通滤器的输出DT_OUT。

 

50Hz陷波器为集成运算放大器TL084的第3路放大器以及第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16和第八电容C8构成的双T型带阻陷波器，其中陷波器的输入跟低通滤波模块的输出DT_OUT相接,DT_OUT经过由第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16和第八电容C8所构成的电路后，跟TL084的第10管脚相接，TL084的第8和第9管脚相接为陷波器的输出YB_OUT。

后置放大模块由集成运算放大器TL084的第4路放大器以及第十七电阻R17、第十八电阻R18、第九电容C9所构成，后置放大模块的输入是陷波器电路的输出YB_OUT，YB_OUT跟集成运算放大器TL084的第13管脚相接，第九电容C9和第十七电阻R17并接在TL084的第12和第14管脚，然后跟第十八电阻R18串接，后置放大模块的输出为TL084的第14管脚，标记为RESULT，该信号跟AD转换装置器相接；

AD转换控制模块，用以通过模拟数字转换电路将模拟脉搏信号转换成数字脉搏信号，如图6所示，由数据采集卡USB-6008以及多路转换器MAX306所构成，USB-6008的数字量输出第17,18,19,20管脚分别与多路选择开关MAX306的地址线第17,16,15,14管脚相接，USB-6008的第21管脚接MAX306的第18号管脚。USB-6008的第31，32号管脚跟MAX306的第1，12号管脚相接。USB-6008内部控制核心是一块USB控制芯片，采用USB 2.0接口通讯，工作在全速状态，传输速率达到12 Mbit/s；内部USB控制器与模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）通过SPI总线传输数据。USB-6008内置的模数转换器（ADC）可构成单点输入和差分输入两种模式，最大采样速率均达10 k/s。构成单点输入模式时，拥有8路11位模拟量输入通道，电压输入范围为±10V, 满幅度输入时，绝对精度为14.7mV；构成差分输入模式时，具有4组12位模拟输入通道，电压输入范围高达±20V，满幅度输入时，绝对精度为2.56mV，满足本系统的AD转换需求；具有12路双向数字IO口, 2路模拟输出，输出范围0～+5V； 1个32位计数器；提供两组外部电源输出，分别为+5V和+2.5V。

如图7所示，本系统的设计将USB-6008中AI0+、AI0-构成差分输入模式，USB-6008的第2管脚接后置放大电路输出信号端RESULT，第3管脚接后置放大电路中的地信号。USB-6008的数字量输出第17,18,19,20管脚分别与多路选择开关MAX306的地址线第17,16,15,14管脚相接，以选通不同的测量通道，达到同时测量16路的脉搏信号的目的；USB-6008的第21管脚接MAX306的第18号管脚，控制芯片的选通。USB-6008的第31，32号管脚跟MAX306的第1，12号管脚相接，提供一组+5V电压输出，本设计用其为MAX306供电。USB-6008的USB线缆接计算机USB接口，计算机识别该设备后可通过编写的Labview应用程序与之通信，实现控制和数据采集的目的。

所述电源模块如图5所示，由电源适配器提供的直流10V电压经经L1、L2、C10、C11滤除纹波和干扰后再经过运放TDA2030芯片转换得到所需的±5V电压。这里如果双极性电源直接从R19、R20上取出，则电源内阻较大，负载能力差。使用运算放大器后，两组输出电源具有很低的内阻，负载能力加强。TDA2030是一种高效率的运算放大器，利用它的互补输出级，可以将单极性电源一分为二，转换成双极性电源。图中阻值相等的R19、R20形成一个分压器，使上、下两部分电压相等。分压器的中点接到运算放大器的同相输入端第3个管脚，运放接成电压跟随器，且运放的输出端作接地处理，依据运放线性工作的特点可知：运放输出端与分压点间的电位相等，因此运放的供电电源Vcc就被分隔成两组对称的+5V和-5V电源，而零电势点即为系统中的模拟参考地。

上位机：用于通过USB2.0串行通信获得数字脉搏信号。上位机的开发平台为Labview，利用Labview的开发环境，实现基于高速USB2.0串行通讯的脉搏信号实时采集，显示，存储、脉搏信号预处理、脉搏信号特征点提取等功能。

所述上位机还包括一脉搏信号分析处理模块，脉搏信号分析处理模块包括脉搏信号定时定量采集和在线显示存储模块。

脉搏信号分析处理模块工作步骤如图8所示,步骤如下：

(1)、设置参数，包括通讯设备选择，采样频率，文件保存路径等。

(2)、启动程序，开启定时程序，判断所设定的开始采集的时间是否到达，如果否，则等待，继续查询。

(3)、启动采集卡，采集脉搏波信号，并同时将脉搏波信号进行显示，以及存储。

(4)、判断当前的批次采集是否结束，如果否，返回步骤(3)。

(5)、判断所有的批次是否完成，如果否返回步骤(2)。

(6)、结束会话，停止线程，关闭文件，并结束。

综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (2)

1.一种人体多路脉搏波信号采集系统，其特征在于包括：

压电式脉搏传感器、辅助固定装置、多路选择模块、前置放大器和基线校正模块、高通滤波和低通滤波模块、50赫兹陷波模块、后置放大模块、AD转换控制模块、上位机和电源模块；压电式脉搏传感器的输出连接多路选择模块，多路选择模块、前置放大器和基线校正模块、高通滤波和低通滤波模块、50赫兹陷波模块、后置放大模块、AD转换控制模块与上位机顺序连接，AD转换和控制模块的输出接多路选择模块； 

所述压电式脉搏传感器，用以检测脉搏波输出信号； 

桡动脉脉搏波检测传感器固定装置，包括用于夹持手腕的腕带和腕带上的环形卡置槽，压电式脉搏传感器安装在环形卡置槽内，腕带两端具有卡环，所述腕带为一个全封闭液体橡胶囊袋，该胶囊外形为扁平带状，橡胶壁厚为0.2～1.2mm，囊袋中的空腔高度为2～3mm，桡动脉脉搏波检测传感器的感应面贴于胶囊上壁；

前置放大器和基线校正模块，用以对脉搏信号进行一次放大，并通过基线校正电路对脉搏波进行基线校正，包括差分放大器AD620，差分放大器AD620的第1、第8管脚与第一电阻R1相接，第7管脚连接+5V的电源，第7管脚与电源之间接第一去耦电容C1，第4管脚连接-5V的电源，第4管脚与电源之间接第二去耦电容C2，第2和第3管脚为差分信号输入端，差分信号输入端接入第六电阻R6和第七电阻R7，脉博传感器的输出信号通过第六电阻R6、第七电阻R7接第2和第3管脚，从第6管脚输出放大后的电压值；

高通滤波和低通滤波模块、50赫兹陷波模块和后置放大模块，用以滤除脉搏信号中的干扰和对脉搏信号进行二次放大处理；

所述高通滤波和低通滤波模块由集成运算放大器TL084的第一路放大器以及第八电阻R8、第九电阻R9、第四电容C4、第五电容C5所构成，经过前置放大以及基线校正后的脉搏信号通过第四电容C4、第五电容C5跟TL084的第3管脚相接，TL084的第1管脚和第2管脚相接，作为高通滤波模块的输出GT_OUT；低通滤波模块由第十电阻R10、第十一电阻R11、第六电容C6、第七电容C7以及TL084的第二路放大器所构成，低通滤波模块的输入跟高通滤波模块的输出GT_OUT相接，GT_OUT经过第十一电阻R11、第十电阻R10与TL084的第5管脚相接，经过第十一电阻R11、第七电容C7与TL084的第6管脚相接，TL084的第7管脚为低通滤波模块的输出DT_OUT；

50Hz陷波器为集成运算放大器TL084的第3路放大器以及第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16和第八电容C8构成的双T型带阻陷波器，其中陷波器的输入跟低通滤波模块的输出DT_OUT相接,DT_OUT经过由第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16和第八电容C8所构成的电路后，跟TL084的第10管脚相接，TL084的第8和第9管脚相接为陷波器的输出YB_OUT；

后置放大模块由集成运算放大器TL084的第4路放大器以及第十七电阻R17、第十八电阻R18、第九电容C9所构成，后置放大模块的输入是陷波器电路的输出YB_OUT，YB_OUT跟集成运算放大器TL084的第13管脚相接，第九电容C9和第十七电阻R17并接在TL084的第12和第14管脚，然后跟第十八电阻R18串接，后置放大模块的输出为TL084的第14管脚，标记为RESULT，该信号跟AD转换装置器相接；

AD转换控制模块，用以通过模拟数字转换电路将模拟脉搏信号转换成数字脉搏信号，由数据采集卡USB-6008以及多路转换器MAX306所构成，USB-6008的数字量输出第17,18,19,20管脚分别与多路选择开关MAX306的地址线第17,16,15,14管脚相接，USB-6008的第21管脚接MAX306的第18号管脚；USB-6008的第31，32号管脚跟MAX306的第1，12号管脚相接；

上位机：用于通过USB2.0串行通信获得数字脉搏信号。

2.根据权利要求1所述的人体多路脉搏波信号采集系统，其特征在于所述上位机还包括一脉搏信号分析处理模块，脉搏信号分析处理模块包括脉搏信号定时定量采集和在线显示存储模块。

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