【作 者】曹帥，陳香

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系，合肥市，230027

0 引言

動脈硬化是動脈的一種非炎癥病變，可使動脈管壁增厚、官腔變小、失去彈性，特別容易發(fā)生在動脈血管的彎曲、分叉和狹窄部位。當(dāng)動脈血管發(fā)生硬化后會使人體的某些部位供血不足，從而導(dǎo)致心血管疾病的發(fā)生，如冠心病、腦卒中等[1]。動脈硬化程度可以獨立反映人體潛在的心血管疾病發(fā)病可能性，及早發(fā)現(xiàn)動脈血管硬化并采取有效的干預(yù)措施是延緩和控制心血管疾病的根本措施[2]。

評價動脈硬化程度的方法有很多種，包括：生化法、血管造影法、超聲法、核磁共振法、CT掃描和脈搏波檢測法。生化法是通過血糖、血脂等生化指標(biāo)來間接反映動脈的硬化程度，但這些生化指標(biāo)并不總與動脈硬化的病變過程同行，無法直接反應(yīng)動脈的硬化程度。血管造影法、超聲法、核磁共振法、CT掃描都較復(fù)雜，而且血管造影法和CT掃描對人體是有創(chuàng)的。更重要的是，生化法、血管造影法、超聲法、核磁共振法和CT掃描都需要專門復(fù)雜的儀器，對操作者的要求也較高，不適合家庭監(jiān)護。脈搏波檢測法是通過檢測人體脈搏波，分析它的波形變化或波速的變化，總體反映人體的動脈硬化程度，此種方法簡單無創(chuàng)，對操作者沒有過高要求。

通過脈搏波傳輸速度來反應(yīng)動脈硬化的程度的方法在臨床上已經(jīng)得到了驗證，如市場上常見的心血管無創(chuàng)檢測儀如法國的COMPLIOR-SP、日本的COLINVP1000/2000等均采用此種方法。但均存在體積龐大、價格昂貴、操作復(fù)雜等缺點，不易于家庭監(jiān)護[3]。為此，有關(guān)科研人員在心血管無創(chuàng)檢測設(shè)備小型化方面做了一些嘗試，如Hu Q等[4]研制了一種評估動脈硬化的便攜式設(shè)備，該設(shè)備用壓力法僅采集了橈動脈處的脈搏波信號，結(jié)合一路心電信號，可反映上肢的動脈硬化程度。Wu HT等[5]研制了一種用于家庭監(jiān)護的動脈硬化評估設(shè)備，該設(shè)備利用光電法采集了耳垂處和食指處的脈搏波，結(jié)合一路心電信號，可以評估出頸動脈支和上肢動脈的硬化程度，但不能反映下肢的動脈硬化程度。

鑒于現(xiàn)有研究的局限性，本文研制了一種便攜式動脈硬化評估儀，它利用壓力法采集頸動脈、橈動脈和足背動脈的脈搏波信號，結(jié)合一路心電信號，可以較全面的評估人體的頸動脈支、上肢動脈和下肢動脈的動脈硬化程度。

1 硬件實現(xiàn)

便攜式動脈硬化評估儀主要由傳感器模塊、采集板和嵌入式模塊構(gòu)成，如圖1所示。傳感器模塊包括1導(dǎo)聯(lián)心電模塊和3路脈搏波提取模塊，用于同步提取人體的心電信號和頸動脈、橈動脈及足背動脈的體表脈搏波信號，模塊內(nèi)包含了放大和濾波電路。采集板由單片機和多通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，單片機通過SPI接口控制多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器同步轉(zhuǎn)換多通道的模擬信號，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過USB接口以固定的數(shù)據(jù)格式傳輸至嵌入式模塊。嵌入式模塊將接收的數(shù)字信號進行顯示、存儲，并完成人機交互、脈搏波傳輸速度的計算等任務(wù)。

圖1 便攜式動脈硬化評估儀的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the portable instrument for arteriosclerosis assessment

1.1 傳感器模塊

心電模塊采用標(biāo)準(zhǔn)I導(dǎo)聯(lián)，其核心芯片使用了ADI公司低成本的單導(dǎo)聯(lián)心電模擬前端芯片AD8232。該芯片高度集成化，內(nèi)部集成了儀用放大器、濾波用運算放大器、右腿屏蔽驅(qū)動放大器等器件，僅需要一些少量的外部元件就可以構(gòu)成所需的心電采集電路，提高了心電模塊的穩(wěn)定性和可靠性。AD8232采用單電源供電，電壓范圍2.0～3.5 V，供電電流僅為170 mA，具有低功耗的特點。為了獲得穩(wěn)定的R波峰值，心電模塊的通帶頻率設(shè)置在7～24 Hz，省去了50 Hz濾波電路，簡化了設(shè)計。

脈搏波提取模塊使用HK-2000B脈搏傳感器，如圖2所示。該傳感器采用高度集成化工藝，將力敏元件（PVDF壓電膜）、靈敏度溫度補償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)部。具有靈敏度高、抗干擾性能強、過載能力大、一致性好、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長等特點。該脈搏傳感器具有完善的信號調(diào)理功能，用戶不需要在傳感器的輸出后加濾波等電路，使用簡單。HK2000B脈搏傳感器提取的脈搏波信號幅度因人而異，而且與傳感器的放置有關(guān)。為了使信號的幅值滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，脈搏波傳感器的輸出信號在轉(zhuǎn)換之前經(jīng)過了模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的可編程增益放大器（PGA）的放大。

圖2 脈搏波提取模塊實物圖Fig.2 Photo of the pulse wave extraction module

1.2 采集板

采集板的核心部件是TI公司的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1198和Silicon Labs公司的單片機C8051F320。

ADS1198具有8通道的16 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣率可編程，每通道帶有可編程增益放大器，增益調(diào)節(jié)范圍在1～12，每通道的功耗為0.55 mW，具有低功耗的特點。它與外界通信的接口為串行外設(shè)接口（SPI），最高通信速率可達20 Mbps。采用同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是各通道之間沒有采樣延遲，增加了脈搏波傳輸延遲計算的準(zhǔn)確性。

單片機C8051F320具有如下主要特點：高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核（可達25MIPS）；片內(nèi)全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口；通用串行總線（USB）功能控制器，有8個靈活的端點管道，集成收發(fā)器和1 kB FIFO RAM；硬件實現(xiàn)的SMBUS/ I2C、增強型UART和增強型SPI串行接口；4個通用的定時器；片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和時鐘丟失檢測器。C8051F320的SPI接口用于與ADS1198的通信，它的USB接口完成與嵌入式模塊通信，它運行速度快，方便調(diào)試，能很好的滿足系統(tǒng)的要求。

1.3 嵌入式模塊

嵌入式模塊采用LJD-eWin3S，該模塊采用低功耗32 bit高速ARM芯片S3C2440A，ARM920T內(nèi)核，400 MHz主頻；接口豐富，帶有USB HOST、USB DEVICE、SD卡存儲等功能，其中存儲容量可達8 GB；8.89 cm高清晰真彩數(shù)字屏，支持4線電阻式觸摸，分辨率320×240像素。模塊上預(yù)裝了正版WINCE5.0操作系統(tǒng)，支持EVC/VS2005直接開發(fā)應(yīng)用程序，支持MFC等常規(guī)WINDOWS應(yīng)用框架等。LJD-eWin3S適合于工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、監(jiān)測控制、智能設(shè)備等應(yīng)用，使用方便。

1.4 系統(tǒng)整機集成

系統(tǒng)整機采用分層連接結(jié)構(gòu)，如圖3所示，底層為采集板，上層為嵌入式模塊，兩者通過USB建立通信連接。采集板上一排mini USB接口為傳感器接口。

圖3 系統(tǒng)整機實物圖Fig.3 Photo of the system

2 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)包括兩大部分：單片機C8051F320上的軟件實現(xiàn)和嵌入式模塊LJD-eWin3S上的軟件實現(xiàn)。嵌入式模塊的軟件實現(xiàn)又包括脈搏波傳輸速度提取算法實現(xiàn)和人機交互設(shè)計的實現(xiàn)。

2.1 單片機上的軟件實現(xiàn)

單片機上的軟件設(shè)計如下：在單片機的片內(nèi)RAM中申請了2個緩存：發(fā)送緩存和采集緩存，發(fā)送緩存中存儲著上一時刻采集完成的數(shù)據(jù)，采集緩存用于存放這一時刻正在采集的數(shù)據(jù)。單片機首先初始化內(nèi)部資源和8通道同步ADC，直至初始化完成，設(shè)置ADC的采樣率為500 Hz，ADC會每隔2 ms以外部中斷的形式通知單片機讀取數(shù)據(jù)。然后單片機將發(fā)送緩存中一幀的數(shù)據(jù)傳輸至嵌入式模塊直至完成，最后等待中斷。在中斷服務(wù)程序中，單片機讀取采集的一幀數(shù)據(jù)至采集緩存中直至成功，然后交換發(fā)送和采集緩存的指針，最后中斷返回。在主程序中，單片機從等待中斷中跳出后發(fā)送新采集的數(shù)據(jù)。程序?qū)⒁恢毖h(huán)下去直至單片機接到停止采集命令或系統(tǒng)斷電。

單片機每次發(fā)送的數(shù)據(jù)格式是固定的，其發(fā)送數(shù)據(jù)的幀格式，為1個幀頭跟隨8個通道的數(shù)據(jù)。其中4 byte的幀頭用于區(qū)分不同的數(shù)據(jù)幀。8通道數(shù)據(jù)為同一時刻采集，每通道數(shù)據(jù)占2 byte，通道1～4對應(yīng)心電、頸動脈、橈動脈和足背動脈的數(shù)據(jù)，剩余的4通道可用于其它的傳感器，便于系統(tǒng)的擴展。

2.2 嵌入式模塊的脈搏波傳輸速度獲取算法

脈搏傳感器的測量點自上而下依次為頸動脈、橈動脈和足背動脈體表可觸摸到搏動處。假設(shè)胸骨切跡至頸動脈、橈動脈和足背動脈的距離依次為L1、L2、L3。

圖4所示為系統(tǒng)采集的某一心電周期內(nèi)的各路信號，自上至下依次為心電波形和頸動脈、橈動脈、足背動脈的脈搏波信號波形。圖中，tcycle為兩R波峰值間的時間間隔，即1個心電周期。脈搏波波形上的兩個星號“*”依次是脈搏波的波足點和波峰點，它們之間的脈搏波信號段稱為上升沿，上升沿上的三角符號點是脈搏波的起搏點。圖中△thc、△thr和△thd分別表示心電至頸動脈、橈動脈和足背動脈的脈搏波傳輸延遲。各路脈搏波傳輸速度通過如下的公式計算：

心電至頸動脈的脈搏波傳輸速度：

心電至橈動脈的脈搏波傳輸速度：

心電至足背動脈的脈搏波傳輸速度：

圖4 脈搏波傳輸速度的計算描述圖Fig.4 Calculation map of pulse wave velocity

如前所述，計算脈搏波傳輸速度的關(guān)鍵是計算出脈搏波傳輸延遲。嵌入式模塊的獲取脈搏波傳輸延遲的算法流程如下：取一段同步采集的心電和各路脈搏波信號進行平滑濾波處理，該段信號至少包含2個心動周期；利用閾值法找到心電信號的所有R波峰值點，所設(shè)定的閾值可以根據(jù)心電信號的特點進行人為的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)心電信號的個體差異性；依次取上述相鄰的R波峰值點間所對各路脈搏波信號段；找到脈搏波信號段的最大值點和最小值點，從最大值點出發(fā)沿著脈搏波信號往前尋找到極小值點，將該極小值點與設(shè)定的閾值進行比較，判斷極小值點是不是要尋找的波足點，直到找到波足點為止，所設(shè)定的閾值可以根據(jù)脈搏波信號的特點進行人為的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)脈搏波信號的個體差異性；取脈搏波的上升沿，利用交叉切線法求取脈搏波的起搏點[8]，即上升沿的最大斜率的切線與過波足點的水平線之間的交點所對應(yīng)的脈搏波點位置；計算第一個心電R波峰值點與頸動脈、橈動脈和足背動脈起搏點的時間間隔即傳輸延遲。該算法具有簡單、實用、適用性強的特點，很適合在資源有限的嵌入式模塊上實現(xiàn)。

2.3 嵌入式模塊的交互設(shè)計

嵌入式模塊的交互設(shè)計主要包括用戶信息輸入界面、數(shù)據(jù)顯示界面和參數(shù)輸出界面三大部分，由EVC開發(fā)完成。

用戶信息輸入界面用于受試者在測量前輸入信息，包括其編號、性別、年齡、身高、體重、胸骨切跡至頸動脈的體表距離L1、胸骨切跡至橈動脈的體表距離L2、胸骨切跡至足背動脈的體表距離L3。該界面還具有查找功能，若用戶的信息已存在，輸入用戶編號，系統(tǒng)可以調(diào)出該用戶已有的信息，避免了用戶信息的重復(fù)輸入。

數(shù)據(jù)顯示界面可以實時顯示4通道的同步數(shù)據(jù)。通過觀察數(shù)據(jù)顯示界面，用戶可以了解每通道的信號質(zhì)量，對沒有信號或信號幅值較弱的通道，用戶可以通過調(diào)節(jié)對應(yīng)傳感器的放置位置或脈搏傳感器夾子的松緊性來改善該通道的信號質(zhì)量，直至每一通道獲得較明顯的信號為止，再將這些通道的數(shù)據(jù)同時存儲在SD卡中。

參數(shù)輸出界面用于參數(shù)的顯示，輸出的參數(shù)包括心率、hcPWV、hrPWV 和 hdPWV。

3 實驗驗證

本次實驗選取了15名年輕受試者（男12名，女3名），他們的平均年齡為24.07±1.03歲，且沒有任何心血管疾病。在實驗之前要求他們靜坐休息10 min，隨后用電子血壓計Panasonic EW3106測量受試者的血壓，以了解受試者的身體情況。表1列出了受試者的基本信息，用平均值（mean）±標(biāo)準(zhǔn)差（SD）的形式表達。

表1 受試者基本信息Tab.1 Subject information

3.1 系統(tǒng)的重復(fù)性

隨機取某個受試者不同心電周期的各路脈搏波傳輸速度值作重復(fù)性分析。圖5給出了不同心電周期的三路脈搏波傳輸速度值，由圖中可見參數(shù)值hcPWV、hrPWV、hdPWV的走勢趨于平穩(wěn)。

圖5 不同心電周期的脈搏波傳輸速度Fig.5 Pulse wave velocity of different ECG cycles

上述三路脈搏波傳輸速度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為hcPWV=1.2484±0.0620 m/s，hrPWV=3.6308±0.0467 m/s，hdPWV =5.1372±0.1365 m/s。由此可知，每一路脈搏波傳輸速度的標(biāo)準(zhǔn)差相對于其均值都很小，系統(tǒng)所測各參數(shù)的重復(fù)性較好。

3.2 系統(tǒng)的準(zhǔn)確性

15位受試者的三路脈搏波傳輸速度值如圖6所示，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為hcPWV=1.2509±0.2558 m/s，hrPWV=3.5810±0.3269 m/s，hdPWV=5.2774±0.5697 m/s，滿足關(guān)系hcPWV< hrPWV

圖6 不同受試者的脈搏波傳輸速度Fig.6 Pulse wave velocity of different subjects

4 總結(jié)討論

本文研制了一種便攜式的動脈硬化評估儀器，該儀器具有結(jié)構(gòu)簡潔、擴展性好、攜帶方便，操作簡單等特點，非常適合于家庭監(jiān)護。為了驗證設(shè)備的重復(fù)性和準(zhǔn)確性，設(shè)備采集了15位受試者的數(shù)據(jù)，并將其計算的結(jié)果與前人的研究進行了對比。實驗表明，所研制的便攜式動脈硬化評估設(shè)備具有良好的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

本文與上述前人的研究所采用的受試者均為25歲左右的年輕健康人，但是，動脈硬化通常發(fā)生在老年人的身上，所以便攜式的動脈硬化評估儀器針對的是家中行動不便的老人，下一步需要采集年長的以及有心血管疾病的受試者，并根據(jù)計算的參數(shù)對動脈硬化程度進行分級，這樣才會使得本文研制的便攜式動脈硬化評估設(shè)備更具實用價值。

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