摘要:介绍脉象分析仪的基本原理与构造,具体涉及仪器中光电传感器、脉象信息分析两方面的研究进展,并指出脉象分析仪器在中医研究方面的应用。
1 脉象仪系统基本原理及组成
心脏收缩搏动将血液射入动脉血管使动脉血管的压强、容积和血流状态产生变化,形成脉搏信号。传感器中发光二极管发出的光照射到动脉上,被动脉组织的血液吸收和衰减后由光敏三极管接收。由于动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化,对光的吸收和衰减成周期性,于是光敏三极管输出信号的变化也是周期性的。输出信号的变化反映了动脉血的变化,完成了光信号到电信号的转变;之后信号经后置电路滤波、放大、A/D转换,最后进行计算机处理,得到脉象的定量化指标和分类。
脉象仪由脉搏传感器、信号预处理装置、A/D转换器、计算机组成。如图1所示。系统的关键部分是光电式脉搏传感器和信号处理装置。
2 脉搏传感器的电路设计与分析
脉搏传感器所采信息量将直接影响后面的信息分析,并最终决定系统检测性能的优劣。光电传感器由光源、光路系统和光电探测器3部分组成,这里采用指套式的透射型传感器,它可以很好地防止周围环境光源的干扰和因光源移动对信号波形的影响。光电传感器电路的任务有:产生发光二极管的激励信号;实现光电信号的转换;滤除和减弱光电检测中存在的内、外部干扰噪声,输出准确可靠的信号。
脉搏波是低频微弱的生理信号,电路的核心元件光电探测器选用了灵敏度较高、响应快、转换效率高的硅光电池。硅光电池具有较小内阻的恒流源特性,当负载电阻小时,其光电流随入射光照度成好的线性变化关系,线性关系的范围也较宽。因此,电路中将硅光电池用作电流源,同时选择小负载。本传感器电路包括光信号产生电路、光电信号转换电路和补偿显示电路。
2.1 光信号产生电路
此电路采用GaAs红外发光二极管作为信号光源。红外二极管是冷光源,而且带宽很窄,光波波长为860nm,有效的抑制了脉搏波漂移现象。在脉搏信号测量过程中,为了尽量减少光源供电波动对测量脉搏信号的影响,需要恒流电路来控制光源的稳定供电。所以采用如图2所示的恒流源电路。在电路中,R1两端的电压值恒等于稳压二极管D1的稳压值,因此流经R1的电流值恒定,三极管Q处于放大状态。流过发光二极管D3的电流值也恒定,控制发光二极管D3能输出稳定光强的光。调整R1即可得到流过发光二极管所需的电流,D2用来平移电位,防止三极管截止。负温度系数的测温二极管D4置于测试匣内,可检测出光电探器的环境温度,其端电压为后面放大电路提供温度补偿信号。
2.2 光电信号转换电路
这一部分的关键是改善信噪比和保持线路良好的线性度。因此采用低噪声放大器,尽量降低放大过程中的噪声。同时选用低噪声光敏器件及电阻、低电平供电(以减少电阻上的过剩噪声)。除此之外,要根据传感器输出源阻抗特性,确定低噪声工作点和进行噪声匹配,以获得最小的噪声系数。如图3所示,硅光电池的两极分别与运算放大器的正相输入端和反相输入端相连,运算放大器处于电流放大状态。由于电路的输入电阻近似为零,即使光电池的内阻变到很低,也不会产生很大的电流输出误差,仍然能保证光电池的转换线性。
2.3 温度补偿整形显示电路
补偿整形电路如图4所示,高通滤波前置放大电路、低通滤波电路将脉搏波变换为所需的电信号。UO2是脉搏波信号电压,由R2和C3构成的高通滤波器隔离了其中的直流成分和迭加的缓慢变化的干扰后,输入到放大器A3的反相输入端。另外,由于硅光电池受环境温度的影响,故接入信号UO1,它来自图2中测温二极管的端电压,由R1和C1构成的高通滤波器隔离了其中的直流成分也接放大器A3的反相输入端,对光电池进行温度补偿,有力地消除因检测电路的温度漂移引起的波形的基线漂移。A4构成的二阶低通滤波器,滤除信号频带外的高频信号。整形驱动显示电路实现了自检功能,所谓自检功能,就是整形驱动显示电路将输入脉搏波整形后驱动发光二极管闪亮与脉搏波同步。人体除了动脉外,还有静脉以及毛细血管等,当测量脉搏时,会有一些其他干扰,自检功能就是基于这个问题而设置的。
为了采集更全面、丰富的脉象信息,传感器采用多点式信息采集方式,甚至阵列式采集,以检测各部脉搏波形的不同变化,给脉搏图像分析以空间的概念,同时可以消除由单点测量而带来的偶然误差。为了得到脉象信息采集过程中软组织变形程度及软组织固有的弹性、硬度等力学参数对切脉压力的影响程度,采用了双探头复合式传感器。即由外围传感器和中心传感器组成双探头传感器,中心传感器测得单纯垂直方向的力,而外围传感器测得脉搏搏动力、皮肤切向张力等的综合力。对两路信号进行运算,能区分血管径向搏动力、轴向张力、血管等效硬度等力学指标。
3 脉象信息分析
信号处理装置具有信号放大、滤波等处理功能。系统的信号处理电路如图5所示。整个电路工作于3V电源电压下,由三部分构成:①传感器,接电源的上拉电阻R1,完成传感器供电和波动信号的放大输出。②放大级,由两级运放构成的放大器组成,同时放大器输入端的电容C1、C2和接地电阻R2、R5完成信号中直流分量的滤除。③整形级,通过两级放大的波动信号电压已达到伏特数量级,将该信号再通过一个同相滞回比较器(深度正反馈运放),运放的反相输入端通过分压电阻RT提供比较电压,直接将模拟的脉搏波动信号整形为高低电平方波信号输出。
输出的信号以高信噪比和足够的幅度(1~5V)进入作为8031单片机外围设备的AD574转换器,在MCS-51单片机的控制下,脉搏波信号以100次/s的采样率转换为数字量存储在8031单片机外部RAM62256中。在程序(EPROM2764)的管理下,对这些数据进行分析计算并在LED上显示出来,同时将所采集的数据通过串行口发送到以PC机为主的中央分析系统,作进一步分析,就可以得到脉搏信息中包含的各脉的量化特征,实现脉象信息自动、准确的分类。
4 脉象分析仪在中医上的应用
如有需要,可通过GPIB或RS-232串行口把脉搏分析仪与心电图机、心尖搏动图和心音图记录仪连成一个仪器系统,用计算机同时采集与心脏动力学有关的信号并进行比较,分析人体的心功能,血管弹性与张力心率、心律和血液粘稠度等血流动力学方面的情况,为临床诊断提供更全面的依据。
参考文献:
[1]蔡轶珩,沈兰荪,黄祥林.脉象分析仪的研究进展[J].电子测量与测试学报, 2002, 16(4).
[2]曾小青,李旭光,熊政刚,李晓春.一种具有高信噪比的脉搏波光电传感器的研制[J].中国现代医学杂志, 2003, 13(15).
[3]韩文波,曹维国,张精慧.光电式脉搏波监测系统[J].长春光学精密机械学院学报, 1999, 22(4).
作者简介:李 锋(1982—),男,研究生,研究方向为信息光电子元器件。
(收稿日期:2006-03)
