張?chǎng)斡?/p>

摘要：在維護(hù)人體生命健康的過程中，心率、血壓、心音信號(hào)等生理信息的采集測(cè)量是保證人體生命健康的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文針對(duì)人體生理信息監(jiān)測(cè)的需要，設(shè)計(jì)了一種人體生理信息監(jiān)測(cè)儀。本文介紹了振動(dòng)傳感器、壓電傳感器、壓力傳感器，論述了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，詳細(xì)設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)方案，并分析了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性。人體生理信息監(jiān)測(cè)儀由振動(dòng)傳感器、壓電傳感器、壓力傳感器、傳感信號(hào)檢測(cè)電路、報(bào)警電路、放大濾波、信號(hào)處理及顯示電路和系統(tǒng)軟件等構(gòu)成。本文設(shè)計(jì)的人體生理信息監(jiān)測(cè)儀對(duì)人體生命健康，提高生活質(zhì)量能起到關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)傳感器;壓電傳感器;壓力傳感器;生理信息監(jiān)測(cè);檢測(cè)電路

一、設(shè)計(jì)背景

1.1 人體生理信息監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)背景

近年來社會(huì)快速發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)、壓力與日俱增，加上老齡化愈加嚴(yán)重，老中青三代都有部分人的身體健康狀況受到威脅，因此自主性的健康管理越來越受重視。人體生理信息常被指為血壓、心率、心音信號(hào)等，當(dāng)這些生理信息有所變異時(shí)，往往代表人體出現(xiàn)異狀，需進(jìn)一步檢查。本人體生理信息監(jiān)測(cè)儀將針對(duì)血壓、心率、心音信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，讓使用者更了解自身生理變化，用于個(gè)人健康管理。

1.1.1 人體生理信息監(jiān)測(cè)儀概況

人體生理信息監(jiān)測(cè)儀分為血壓測(cè)量、心率測(cè)量、心音信號(hào)測(cè)量三個(gè)模塊，主要通過無創(chuàng)的方法來測(cè)量人體血壓、心率、心音信號(hào)等生理信息，由振動(dòng)傳感器、壓電傳感器、壓力傳感器、傳感信號(hào)檢測(cè)電路、放大濾波、信號(hào)處理及顯示電路和系統(tǒng)軟件等構(gòu)成。

1.1.2 人體生理信息監(jiān)測(cè)儀的意義

血壓、心率、心音信號(hào)等生理信息都是主要的人體生理信息。人體生理信息是生命的象征，一旦停止，生命也就終止。測(cè)量人體生理信息技術(shù)就是應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究各類人體生理信息，通過無創(chuàng)的方法獲得各種信息，加以分析、綜合和研究，服務(wù)于臨床。人體不同的生理信息，可以反映相應(yīng)部位的身體變化，是臨床診斷的重要參考信息。例如，血壓可以判斷心臟功能與外周血管阻力，也是診斷疾病、觀察病情變化與判斷治療效果的一項(xiàng)重要內(nèi)容;通過測(cè)量心率，可以判斷是否有心臟方面的疾病;通過測(cè)量心音信號(hào)，有助于診斷心臟血管病，觀察病情、推斷疾病發(fā)生的病理生理，選擇治療方法，估計(jì)預(yù)后等。在臨床健康觀察和疾病診斷中十分重要，從生命信息的科學(xué)的角度也具有重要的研究?jī)r(jià)值。

1.2 應(yīng)用場(chǎng)合分析

本設(shè)計(jì)屬于便攜式的人體生理信息監(jiān)測(cè)儀，可應(yīng)用于社區(qū)醫(yī)院、衛(wèi)生院、衛(wèi)生所、個(gè)人家庭等場(chǎng)所。便攜式的人體生理信息監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量快速便捷，使用簡(jiǎn)單方便，但是測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果不夠精準(zhǔn)，適用于大型三甲醫(yī)院不太合格，不能為醫(yī)生的臨床診斷提供精準(zhǔn)的參考數(shù)據(jù)。但是應(yīng)用于社區(qū)醫(yī)院、衛(wèi)生院、衛(wèi)生所、個(gè)人家庭中，還是很好的，主要起到預(yù)防保健的作用。

1.3 應(yīng)用需求分析

近年來，社會(huì)快速發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)和壓力越來越大，繁忙的工作、社會(huì)和家庭的壓力導(dǎo)致部分中年人和青年人都有著嚴(yán)重的健康問題，而隨著老齡化日益嚴(yán)重，老年人的健康問題同樣受到重點(diǎn)關(guān)注。新聞中偶爾會(huì)出現(xiàn)某某大學(xué)學(xué)生期末復(fù)習(xí)自習(xí)室內(nèi)猝死，某某公司員工深夜加班在工位上猝死等信息。本人體生理信息監(jiān)測(cè)儀可在使用者生理信息有所異常時(shí)，發(fā)出警示，引起使用者重視，對(duì)個(gè)人的健康進(jìn)行管理，可有效預(yù)防悲劇的發(fā)生。本人體信息生理信息監(jiān)測(cè)儀的功能可滿足使用者的日常需求且操作簡(jiǎn)單便捷，可以滿足市場(chǎng)及個(gè)人使用者的應(yīng)用需求。

二、設(shè)計(jì)方案

2.1 人體生理信息監(jiān)測(cè)儀技術(shù)要求

實(shí)現(xiàn)心音信號(hào)測(cè)量，本設(shè)計(jì)采用振動(dòng)傳感器，由振動(dòng)傳感器將振動(dòng)的心音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，設(shè)計(jì)心音采集電路時(shí)應(yīng)考慮心音和心雜音強(qiáng)弱相差較懸殊，心音圖要有較大的動(dòng)態(tài)范圍;心音的高頻振幅小，低頻振幅大，要有較高的高頻增益。

實(shí)現(xiàn)血壓測(cè)量，本設(shè)計(jì)采用壓力傳感器，使用貯氣袖帶將血液對(duì)動(dòng)脈壁的壓力固定在皮膚表面，傳遞給壓力傳感器;血壓的讀數(shù)隨傳感器的部位和高度而變，不在測(cè)量位置水平高度的讀數(shù)應(yīng)補(bǔ)上以測(cè)量位置為基準(zhǔn)的相應(yīng)讀數(shù)。

實(shí)現(xiàn)心率測(cè)量，本設(shè)計(jì)采用壓電傳感器將人體脈搏通過壓電陶瓷片轉(zhuǎn)換為可處理的電信號(hào)，經(jīng)高阻輸入級(jí)隔離和電壓放大級(jí)放大后將信號(hào)送入帶通濾波器濾除噪聲及高次諧波，經(jīng)集成運(yùn)放放大和觸發(fā)器整形后進(jìn)行處理。

2.2 常用技術(shù)方案對(duì)比分析

2.2.1 常用技術(shù)方案

血壓測(cè)量模塊：

方案一：傳感器置于體外的有創(chuàng)測(cè)量

該測(cè)量方法是將帶有沖洗裝置的壓力傳感器的前端導(dǎo)管插入感應(yīng)部位，導(dǎo)管通過歸零調(diào)節(jié)閥與壓力傳感器相接，傳感器后端分為兩支，一支通過滾動(dòng)夾鉗連接壓力驅(qū)動(dòng)的沖洗液，另一支連接電插頭通過電纜與放大器相接，再連接信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)處理，通過微型計(jì)算機(jī)計(jì)算后，進(jìn)行記錄顯示。

方案二：傳感器置于體內(nèi)的有創(chuàng)測(cè)量

該測(cè)量方法是將光纖壓力傳感器直接放入血管內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，光纖壓力傳感器由光電探測(cè)器、LED光源、混合纖維束、光導(dǎo)纖維、薄金屬膜組成，通過導(dǎo)管與體外連接，導(dǎo)管依次連接三通閥、沖洗裝置、氣塞、壓力傳感器，壓力傳感器通過電纜與放大器相接，再連接信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)處理，通過微型計(jì)算機(jī)計(jì)算后，進(jìn)行記錄顯示。

方案三：傳感器置于體外的無創(chuàng)血壓測(cè)量

該測(cè)量方法是將可充氣放氣的袖帶（固定壓力）套入胳膊，下端放有壓力傳感器，血液對(duì)動(dòng)脈壁的壓力傳遞至放置在皮膚表面的壓力傳感器，傳感器通過電纜與放大器相接，再連接信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)處理，通過微型計(jì)算機(jī)計(jì)算后，進(jìn)行記錄顯示。

心率測(cè)量模塊：

方案一：壓電傳感器置于體外進(jìn)行無創(chuàng)心率測(cè)量

該測(cè)量方法是將人體的脈搏通過壓電陶瓷片轉(zhuǎn)換為可處理的電信號(hào)，經(jīng)高阻輸入級(jí)隔離和電壓放大器放大后將信號(hào)送入帶通濾波器消除噪聲及高次諧波，經(jīng)集成運(yùn)放放大和信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)處理，通過微型計(jì)算機(jī)計(jì)算后，進(jìn)行記錄顯示。壓電傳感器的基本原理是利用壓電材料的壓電效應(yīng)。

心音信號(hào)測(cè)量模塊：

方案一：通過空氣傳導(dǎo)式心音傳感器測(cè)量心音信號(hào)

空氣傳導(dǎo)式心音傳感器是利用心臟搏動(dòng)時(shí)通過胸壁傳遞出的心音波再經(jīng)空氣傳遞到傳感器的敏感振動(dòng)膜上，這個(gè)振動(dòng)膜與換能器相連，當(dāng)空氣振動(dòng)時(shí)膜片就發(fā)生振動(dòng)，從而帶動(dòng)換能元件并使其產(chǎn)生與心音強(qiáng)度成比例的輸出信號(hào)。再通過信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)處理，通過微型計(jì)算機(jī)計(jì)算后，進(jìn)行記錄顯示。空氣傳導(dǎo)的心音傳感器可采用電磁感應(yīng)式、壓電式和電容式等原理制成。

方案二：通過接觸傳導(dǎo)式心音傳感器測(cè)量心音信號(hào)

接觸傳導(dǎo)的心音傳感器是將胸壁傳出來的心音波動(dòng)信號(hào)直接通過敏感元件傳遞到換能元件上，產(chǎn)生與心音強(qiáng)度成比例的輸出信號(hào)。再通過信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)處理，通過微型計(jì)算機(jī)計(jì)算后，進(jìn)行記錄顯示。

2.2.2 方案比較選擇

血壓測(cè)量模塊：

傳感器置于體外的有創(chuàng)測(cè)量、傳感器置于體內(nèi)的有創(chuàng)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方案都屬于侵入性測(cè)量，測(cè)量的過程與傳感器置于體外的無創(chuàng)血壓測(cè)量的方案相比較為復(fù)雜，測(cè)量結(jié)果與傳感器置于體外的無創(chuàng)血壓測(cè)量的方案相比較為精確，但是攜帶不便，操作復(fù)雜。傳感器置于體外的無創(chuàng)血壓測(cè)量的方案，攜帶便捷、操作簡(jiǎn)單快捷、測(cè)量結(jié)果也很精確。因此選擇傳感器置于體外的無創(chuàng)血壓測(cè)量的方案。

心率測(cè)量模塊：

直接選擇壓電傳感器置于體外進(jìn)行無創(chuàng)心率測(cè)量的方案。

心音信號(hào)測(cè)量模塊：

接觸傳導(dǎo)的心電傳感器不采用空氣作為傳遞心音信號(hào)的媒介，因此抵抗外界聲波干擾的能力比空氣傳導(dǎo)的心音傳感器要好的多，由于接觸傳導(dǎo)的心音傳感器是通過敏感元件直接接受心音的波動(dòng)信號(hào)，因此傳遞和轉(zhuǎn)換心音信號(hào)能量的效率也比空氣傳導(dǎo)的心音傳感器高得多，為傳感器小型化提供了可能。因此選擇通過接觸傳導(dǎo)式心音傳感器測(cè)量心音信號(hào)的方案。

三、設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 人體生理信息監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)及原理

血壓測(cè)量原理：

血液對(duì)動(dòng)脈壁的壓力傳遞至放置在皮膚表面的壓力傳感器，傳感器通過電纜與放大器相接，再連接信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)處理，通過微型計(jì)算機(jī)計(jì)算后，即可得到血壓。

心率測(cè)量原理：

壓電傳感器的基本原理是利用壓電材料的壓電效應(yīng)，一定的壓力作用會(huì)使壓電材料石英晶體的兩個(gè)極板間產(chǎn)生一定的電壓。沿石英晶體電軸方向施加作用力Fx時(shí)，在與電軸垂直的表面上將產(chǎn)生電荷：qx=d11*Fx，式中，d11=2.31×10-12C/N，為石英晶體電軸方向受力壓電系數(shù)。壓電傳感器相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器：C=εA/h， 式中，A為極板面積（m2），h為壓電體厚度（m），ε為壓電材料介電常數(shù)（F/m）。

采用石英晶體為壓電材料，其相對(duì)介電常數(shù)為εr，而標(biāo)準(zhǔn)介電常數(shù)為ε0，則石英晶體的介電常數(shù)為ε=εr·ε0。設(shè)壓電體兩極板間（沿電軸方向）承受一個(gè)大氣壓的壓力，則與電軸垂直的表面產(chǎn)生電荷qx=d11*Fx=2.31×10-12×9.8×A，兩極板間產(chǎn)生電壓Ux=qx/C。壓電陶瓷片產(chǎn)生的電壓很小，因此在電壓信號(hào)送至后級(jí)電路處理前必須經(jīng)高阻輸入級(jí)以盡量減少電荷泄放，確保獲取電壓信號(hào)的準(zhǔn)確性。由于運(yùn)算放大器通常具有極高的輸入阻抗，采用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)高阻輸入級(jí)據(jù)后級(jí)電路處理要求，要放大采集的電壓信號(hào)。為濾除電壓信號(hào)中的噪聲信號(hào)，便于后級(jí)數(shù)字電路處理獲得的信號(hào)，后端電路采用20～200Hz的帶通濾波器進(jìn)一步處理信號(hào)，經(jīng)觸發(fā)器整形后再送入微型計(jì)算機(jī)中，即可得到心率。

心音信號(hào)測(cè)量原理：

胸壁傳出來的心音波動(dòng)信號(hào)直接通過敏感元件傳遞到換能元件上，產(chǎn)生與心音強(qiáng)度成比例的輸出信號(hào)。再通過信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)處理，通過微型計(jì)算機(jī)計(jì)算，即可得到心音。

3.2 傳感器的選擇

振動(dòng)傳感器是用于將機(jī)械量接收下來，并轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，在本設(shè)計(jì)心音信號(hào)測(cè)量模塊中主要用于將采集到的心音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

壓電傳感器是一種基于壓電效應(yīng)，用于測(cè)量力和能變換為電的非電物理量的裝置，在本設(shè)計(jì)心率測(cè)量模塊中主要利用壓電效應(yīng)將采集到的心率信號(hào)通過壓電材料轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

壓力傳感器是能感受壓力信號(hào)，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號(hào)的裝置，在本設(shè)計(jì)血壓測(cè)量模塊中主要用來將接收到的血液對(duì)血管的側(cè)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

3.3誤差分析及解決

3.3.1 人體生理信息監(jiān)測(cè)儀定性分析

本人體生理信息監(jiān)測(cè)儀是便攜式的人體生理信息監(jiān)測(cè)儀，特點(diǎn)是易攜帶、操作簡(jiǎn)單便捷、測(cè)量快捷，三個(gè)測(cè)量模塊均采用的是間接測(cè)量。間接測(cè)量會(huì)出現(xiàn)一些不可避免的誤差，會(huì)受到外部環(huán)境、人體的姿態(tài)、測(cè)量裝置準(zhǔn)確性的影響。

3.3.2 誤差產(chǎn)生原因

在血壓測(cè)量模塊，手臂放入貯氣袖帶中，測(cè)量過程中出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡與引入系統(tǒng)的振動(dòng)形式有關(guān)：如握拳、手臂彎曲和移動(dòng)及身體的移動(dòng)、換氣過度、觸摸手臂（相當(dāng)于壓力效應(yīng)）都會(huì)改變讀數(shù)，導(dǎo)致測(cè)量誤差。

在心率測(cè)量模塊，壓電陶瓷片的靈敏度、外部環(huán)境的噪聲、測(cè)量裝置的準(zhǔn)確性、人體的測(cè)量姿態(tài)都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。

在心音信號(hào)測(cè)量模塊，敏感元件的靈敏度、外部聲波的干擾、測(cè)量裝置的準(zhǔn)確性、人體的測(cè)量姿態(tài)都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。

3.3.3誤差解決辦法分析

制作人體生理信息監(jiān)測(cè)儀時(shí)選擇靈敏度高的敏感元件，選擇準(zhǔn)確性高的測(cè)量裝置。在測(cè)量過程中，使用者應(yīng)選擇正確的測(cè)量姿勢(shì)，保持肢體自然放置，心態(tài)平和，杜絕不規(guī)范的小動(dòng)作，選擇在安靜的場(chǎng)所進(jìn)行測(cè)量。

四、結(jié)論

本人體生理信息監(jiān)測(cè)儀運(yùn)用傳感器、電路、計(jì)算機(jī)等相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)，可有效監(jiān)測(cè)人體血壓、心率、心音信號(hào)的變化，當(dāng)監(jiān)測(cè)到使用者的生理信息出現(xiàn)了異常變化，可向使用者發(fā)出警示，屬于便攜式人體生理信息監(jiān)測(cè)儀，具有操作簡(jiǎn)單便捷，測(cè)量準(zhǔn)確迅速的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用（第四版）.西安電子科技大學(xué)出版社，2014

[2] Wolf W， 孫玉芳等譯. 嵌入式計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2002

[3]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)（第五版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008

[4]百度文庫，心音/脈搏模塊設(shè)計(jì)

[5]原創(chuàng)力文檔，血壓測(cè)量原理

[6] OF week電子工程網(wǎng)，心率測(cè)量原理

[7]戴梅萼，史嘉權(quán)，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2008

[8]童詩白，華成英，葉朝輝.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）.北京：高等教育出版社，2015