基于uPSD3234的反射式紅外心率檢測儀的設(shè)計方案

　　本文提出了一種基于uPSD3234的反射式紅外心率檢測儀的設(shè)計方案。方案以單片機uPSD3234作為系統(tǒng)的核心部件，采用匹配濾波等數(shù)字信號處理方法得到心率數(shù)據(jù)，將微電子技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)緊密地結(jié)合在一起，達(dá)到了方案設(shè)計的要求，實現(xiàn)了對人體心率的測量。

　　脈搏波源于心臟搏動并由心臟向外周動脈傳播。它所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強度、速率和節(jié)律等綜合信息，很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血液特征。心率是一項重要的生理指標(biāo)。它是指單位時間內(nèi)心臟搏動的次數(shù)，是臨床常規(guī)診斷的生理指標(biāo)。

　　為了測量心率信號，有許多技術(shù)可以應(yīng)用，例如：血液測量，心聲測量，ECG測量等等。本文探討利用血液的高度不透明性及組織與血液透光性的極大差異，通過光電脈搏傳感器獲取脈搏信號，經(jīng)過模-數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）后，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字化分析處理，以實現(xiàn)對人體心率的測量。

　　1 心率檢測儀系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

　　心率檢測儀的主要組成如圖1所示。由光電傳感器采集脈搏信號，經(jīng)過前置放大、濾波、單片機uPSD3234A自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣得到脈搏信號的數(shù)據(jù)并存入存儲器中；單片機對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號處理并計算出心率值，結(jié)果送顯示模塊和存儲器中。

　　圖1數(shù)字化心率檢測儀原理框圖

　　1.1心率信號采集預(yù)處理電路

　　脈搏信號采集預(yù)處理電路主要是將脈搏波轉(zhuǎn)換成電信號，并進(jìn)行初步高頻濾波預(yù)處理。其關(guān)鍵部分就是光電式脈搏傳感器。光電式脈搏傳感器按光的接收方式可分為透射式和反射式兩種。

　　反射式不僅可以精確測得血管內(nèi)容積變化，而且在實際應(yīng)用中反射式只需將傳感器接觸身體任何部位，當(dāng)照射部位的血流量隨心臟跳動而改變時，紅外線接收探頭便接收到隨心臟周期性地收縮和舒張的動脈搏動光脈沖信號，從而采集到心臟搏動信號。

　　本設(shè)計采用了反射式紅外傳感器。圖2所示，光電式脈搏傳感器采用紅外對管KP-2012F3C和KP-2012P3C，反射式排列。KP-2012F3C具有良好的表皮照明度，電流一般設(shè)在20mA，亮度由軟件通過PWM電流來進(jìn)行控制，這樣能夠使紅外LED工作在飽和區(qū)域，發(fā)出穩(wěn)定光強的光。

　　圖2脈搏信號采集預(yù)處理電路

　　KP- 2012P3C晶體管采用交流耦合結(jié)構(gòu)來增強對微弱信號放大。經(jīng)晶體管檢測出來的信號采樣時分兩路。一路是直流信號線路。它是晶體管輸出經(jīng)射隨輸入單片機的A/D轉(zhuǎn)換通道口0，可用來檢測晶體管是否處于有效工作狀態(tài)；另一路是交流信號線路。它是先經(jīng)一射極跟隨器輸入到兩級濾波成形電路然后再輸入單片機的A /D轉(zhuǎn)換通道1.該濾波電路為兩級帶通濾波電路，由于脈搏波的頻譜蘊含豐富病理信息，特別是在5~40Hz這個區(qū)間的頻譜攜帶了大量與冠心病病變有關(guān)的信息，故考慮到今后功能的擴展，預(yù)處理電路的上下限頻率設(shè)計為48Hz和0.86Hz.