人体脉搏信号检测系统设计

第 1 章 绪论 1.1 研究背景和意义 随着社会和科学技术的不断进步，人们对生命现象的认识也越来越深入，生物 医学信号的检查是对人体健康状况评估的手段。在医院里，通过检查必要的生物医 学数据，医生可以对病人健康程度做一个评估，并且根据数据诊断出病患所得的疾 病以及康复状况。同时，医药保健类产品早已经不是医院的专利，以家庭为单位， 几乎每个家庭都配备了必要的医疗保健类用品[1-3]。在适宜的医疗设备条件下，病 人可以不依靠医生的辅助，自己采集医学生理数据，通过医学根据对此参数分析， 评估健康水平或者诊断自身是否有疾病。现代的医疗仪器给人民生活带来了便捷， 在智能化、便携式、可靠性、安全性等方面都有了很大的提高。仪器在实现功能的 同时都有不同的特点，有的仪器便于携带，有的仪器操作简单。当然，结合众多优 点的仪器无疑受到消费者的青睐。以医院为单位，因为测量出来的数据可以直接提 供给医生作为诊断或评估病人身体状况的参考，所以这类医疗仪器性能高、功能强 大、测量数据准确。而对于以家庭或个人来说，在保证功能的同时，方便测量生理 数据、便于携带、价格低廉、智能化这些特点是此类医疗仪器发展的趋势。 作为诸多生理信号的一种，脉象信号蕴含着丰富的信息，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。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[4]。许多中医文献分析脉象的形成和西医分析虽然表、述 各有不同，但是有相同的科学原理。 人体循环系统由心脏、血管、血液所组成，负责人体氧气、二氧化碳、养分及 废物的运送。 血液经由心脏的左心室收缩而挤压流入主动脉，随即传递到全身动脉。 当大量血液进入动脉将使动脉压力变大而使管径扩张，在体表较浅处动脉即可感受 到此扩张，即所谓的脉搏[1]。 正常人的脉搏和心跳是一致的。脉搏的频率受年龄和性别的影响，婴儿每分钟 120-140 次，幼儿每分钟 90-100 次，学龄期儿童每分钟 80-90 次，成人为 60-100 次 /分，老年人为 55-60 次/分。正常人脉率规则，不会出现脉搏间隔时间长短不一的现 象，脉搏强弱均等，不会出现强弱交替的现象。成人脉率每分钟超过 100 次，称为 心动过速；每分钟低于 60 次，称为心动过缓[2]。 综上所述，脉搏信号对于人体心脑血管系统和整体健康水平都有很好的反映， 因此研制出一种能够对脉搏信号进行检测、 分析的脉搏分析仪器就拥有重要的意义： 其一，对于前期心脑血管疾病预防和中期病情监护，安全、方便、快捷的评估心脑 血管健康状况的设备对人体心脑血管系统功能进行监测，及早发现病情，实时把握 健康状况， 并准确做出诊断具有重要的现实意义。 对于危重病人既可用于检查治疗， 可及早发现致命性病变。其二，对一般人则可用于早期健康评估和病人身体状况的 愈后检查。通过脉搏信号的检测和分析，可以结合其他生理参数，对人体亚健康状 态的早期病变进行预测。脉搏信号检测不需要复杂昂贵的设备，且操作简便拥有无 创性的特点，在心脑血管和临床医学检查、治疗、用药、康复、保健等方面都有着 良好的应用前景。 因此，诊脉建立切实可行的客观指标，即脉诊客观化，乃是继承和发扬中医脉 学迫切需要解决的首要问题，在此同时实现可视化，对于疾病人群和健康人群的分 类有着重大的意义。利用现代的科学技术仿真中医诊脉，用科学的分析方法从不同 角度分析脉搏波数据是实现客观化和可视化指标的重要手段。应用脉诊的客观指标 就可以使脉诊有了共同的客观标准和依据，促进相互讨论和交流脉诊的实践经验和 研究成果，促进中医脉学的现代化和快速发展，提高中医临床诊断水平。应用脉诊 的客观指标，可以研究中医名家的诊脉特点，有利于吸取经验和观点。现代脉搏信 号仪器实现脉诊指标的客观化和可视化是通过测量脉搏信号，画出脉象图，测量图 上各个指标来进行的。因此，脉象图是实现脉诊客观化的一项重要指标。脉诊所得 脉象的各种信息可用脉搏传感器放在切脉部位的皮肤上，以不同的压力取法画出脉 象曲线，这种脉象曲线称为脉象图。以此为心脑血管疾病作诊断，这也为无创伤诊 断开辟了一条新途径。 现代脉象诊断就要实现可视化，可以通过分析脉搏图，测量脉搏图的参数。脉 搏图指标在很多资料中命名方法各有不同，在实际中还没有统一的标准。去除医生 主观因素，运用科学的分析手段，对脉象信号进行分析，是势在必行的。 1.2 人体脉搏信号检测系统研究现状 1860 年法国的 Vierordt 研制出第一台弹簧杠杆式脉搏描记器，使脉象研究由示 意图阶段进入示波图阶段[6]。随着技术水平的发展，脉象仪不断发展，国内外的学 者制造出了有代表性、性能各异的脉诊仪器。 脉诊仪器研究的重点是传感器的设计，到现在为止，研究人员已经研制出种类 繁多的传感器来模拟中医切脉时的手指，采集脉搏信号记录并分析。现阶段，用于 脉象信息采集的传感器根据其工作原理可分为：压力传感器、光电式脉搏传感器、 传声器和超声多普勒技术[9-11]。其中，压力传感器用的最多，因为它是将压力信号 转换为电信号， 是最接近中医切脉的模拟医生手指的功能。 它还包括压电式传感器， 压阻型传感器和压磁式传感器[9,10]。 (1)压电式传感器 利用压电材料的特性将脉搏的压力信号转换为电信号，根据压电 式[12]材料的不同可分为压电晶体式传感器、压电陶瓷式传感器、压电聚合物传感 器和复合压电材料传感器。其中以PVDF 压电薄膜传感器用的最多。 (2)压阻型传感器 主要利用电阻率随应力变化的性质制成的，目前它的应用最为广 泛，压阻式传感器根据压力的传导方式不同可分为固态压阻式传感器、液压传感器 和气导式传感器。 (3)压磁式传感器 也称作磁弹性传感器，是近年来国内外新兴的一种新型传感器。 它的作用原理是建立在磁弹性效应的基础上，即利用这种传感器将作用力变换成传 感器导磁率的变化，并通过导磁率的变化输出相应变化的电信号。但因理论和技术 上尚未成熟，限制了其广泛应用。 (4)光电容积式脉搏传感器 此种传感器测量部位是指端，由指总动脉分两路从指干 两侧通向指尖，再由丰富的冠状小动脉弥散至毛细血管，然后从静脉回流。用一束 光线透过指端的毛细血管床，由于人体手指末端微血管床随着动脉搏动而发生血管 容积的变化，因为随着脉搏搏动前后对光的吸收量不同，透过手指的光强也随之变 化，利用光敏元件可测出这种随血管容积的变化而变化的光强信号，转换成电信号 输出，以此反映出脉搏波的变化情况即获得指端容积脉搏波信号 [13,14]。 (5)超声多普勒技术 国外对脉搏波的研究，在仪器上正朝着超声显像方面发展，脉 搏图也进入了由示波图到声像图研究的新阶段。动脉脉搏除发出压力搏动的信息之 外，还有管腔容积、血流速度、脉管的三维运动等多种信息，仅用压力脉图难以全 部定量地反映脉象构成要素的指标。随着医学超声显像诊断技术的发展，超声多普 勒技术在脉象客观化的研究中已经日益受到重视，取得了一定的进展。 当然，传感器探头种类也很多，有单探头、双探头和多探头的传感器。 (1)单探头传感器的研究 现在检测人体