一種便攜式PWV測(cè)量樣機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭昌華 楊超 張輝 胡旭

摘 要：文章設(shè)計(jì)了一種便攜式脈搏波測(cè)量樣機(jī)，通過兩個(gè)傳感器獲取兩種不同動(dòng)脈的脈搏波數(shù)據(jù)測(cè)量PWV。然后通過提取特征點(diǎn)，分別計(jì)算兩個(gè)脈搏波的脈沖波發(fā)射時(shí)間（PWTT），并通過兩個(gè)不同測(cè)點(diǎn)與PWTT之間的距離比值求得PWV。此外，還為數(shù)據(jù)無線傳輸提供了藍(lán)牙功能，將數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)器中，作為醫(yī)生診斷疾病的有效參考。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該樣機(jī)是一種簡便易行的家用PWV監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以幫助醫(yī)生準(zhǔn)確分析或診斷心血管疾病。

關(guān)鍵詞：便攜式脈搏波測(cè)量樣機(jī)；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH776 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）16-0018-02

Abstract： In this paper， a portable pulse wave measuring prototype is designed， and the pulse wave data of two different arteries are obtained by two sensors to measure the pulse wave velocity（PWV）. Then， by extracting the characteristic points， the pulse emission time of two pulse waves is calculated， and the PWV is obtained by the distance ratio between the two different measuring points and the pulse wave transit time （PWTT）. In addition， the Bluetooth function is provided for wireless data transmission， and the data is stored in memory as an effective reference for doctors to diagnose diseases. The experimental results show that the prototype is a simple and convenient household PWV monitoring device， which can help doctors to accurately analyze or diagnose cardiovascular diseases.

Keywords： portable pulse wave measuring prototype； hardware design； software design

引言

作為評(píng)估動(dòng)脈僵硬度的一個(gè)指標(biāo)脈搏波波速（PWV）的作用正日益引起重視。脈搏波波速（PWV）越快，表示動(dòng)脈的硬度較高，動(dòng)脈的擴(kuò)張性越差。許多前瞻性研究都證實(shí)，PWV是預(yù)測(cè)心腦血管疾病發(fā)生的最有價(jià)值的指標(biāo)之一，PWV也是評(píng)價(jià)動(dòng)脈硬化的重要指標(biāo)[1]。Yamashina等[2]測(cè)量了一些常規(guī)體檢人群的PWV和傳統(tǒng)心血管的重要因素，結(jié)果表明，PWV是心血管疾病，獨(dú)立于其他因素，如年齡和其他血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的重要因素。

此外，動(dòng)脈硬度增加導(dǎo)致PWV升高，不僅促進(jìn)了腦血管疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，而且還與癡呆、腦認(rèn)知障礙相關(guān)[3]。1749名未患癡呆和中風(fēng)的患者被追蹤14年P(guān)WV測(cè)量和腦認(rèn)知能力功能[4]。結(jié)果顯示，PWV與中風(fēng)、癡呆和認(rèn)知能力下降有關(guān)。此外，臂踝脈波速度是高血壓患者微蛋白尿的重要因素[5]。

在以往的研究中，一些學(xué)者在液體耦合傳感器上提取脈搏波，或者在液體耦合傳感器的基礎(chǔ)上對(duì)傳感器進(jìn)行改進(jìn)，耦合的方式直接影響到測(cè)量結(jié)果[6]。也有一些研究通過光電傳感器獲取脈搏波，這種傳感器基于光電體積的法則，通過監(jiān)測(cè)指尖的透光率，間接得到脈搏波[7]。

為了實(shí)現(xiàn)便攜式和易于使用的目標(biāo)，我們開發(fā)了一個(gè)樣機(jī)，它使用兩個(gè)脈沖傳感器來同步不同的動(dòng)脈脈沖信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的樣機(jī)可以方便地計(jì)算出兩路脈搏波，結(jié)果可以作為醫(yī)生診斷心血管疾病的有效參考。

1 硬件和軟件設(shè)計(jì)

首先，使用一個(gè)傳感器記錄心電圖。然后用另一個(gè)傳感器連續(xù)記錄近波和遠(yuǎn)波。最后，對(duì)近波和心電圖（T1），遠(yuǎn)波和心電圖（T2）進(jìn)行時(shí)差，從而得到T2-T1的傳導(dǎo)時(shí)間。另一種設(shè)計(jì)方案是在不同的部分記錄同一信號(hào)的實(shí)時(shí)波，即同步記錄近波和遠(yuǎn)波。顯然，后一種方法可以得到更精確的傳導(dǎo)時(shí)間，因?yàn)槲覀兛梢灾苯拥玫絺鲗?dǎo)時(shí)間，所以本文使用第二種方法。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)一個(gè)便攜設(shè)備，最主要考慮的因素是功耗和大小，所以我們嘗試采用低功耗芯片來滿足需求。

傳感器：考慮前面提到的三種脈沖傳感器，由于液體的慣性、液體流動(dòng)的內(nèi)摩擦阻力以及導(dǎo)管和膜片的靈活性問題，液體耦合傳感器的輸出可能產(chǎn)生畸變。此外，還有許多研究采用光電傳感器來提取脈沖波信號(hào)。但這種方法主要用于記錄指尖的信號(hào)，不適合記錄其他部位的脈沖波。在PWV的測(cè)量中，我們應(yīng)該同時(shí)記錄至少兩個(gè)不同部位的信號(hào)。因此，壓電傳感器是最好的選擇。在本研究中，我們使用了兩個(gè)壓電式脈沖傳感器，HK-2000B。

加法單元：脈沖傳感器輸出帶有負(fù)值的信號(hào)，為了適應(yīng)A/D芯片的模擬信號(hào)輸入（TLC1549），設(shè)計(jì)了兩個(gè)加法單元，用于將脈沖波向上移動(dòng)。

A/D轉(zhuǎn)換器： TLC1549是10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它采用CMOS工藝，具有內(nèi)在的采樣和保持，采用差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍等特點(diǎn)。

MCU：我們選擇ATmega16 AVR SCM。ATmega16是一種基于AVR增強(qiáng)RISC架構(gòu)的低功耗CMOS 8位微控制器。AVR核心結(jié)合了一個(gè)豐富的指令集和32個(gè)通用的工作寄存器。所有32個(gè)寄存器都直接連接到算術(shù)邏輯單元，允許在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一個(gè)指令訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。由此產(chǎn)生的體系結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的CISC微控制器（CISC微控制器）提高了10倍，從而提高了代碼的效率。

藍(lán)牙：我們采用HC06藍(lán)牙模塊來實(shí)現(xiàn)無線傳輸。HC06的尺寸只有28毫米x15毫米x2.35毫米，價(jià)格低廉。

鍵盤，外部存儲(chǔ)，LCD12864：鍵盤用于輸入測(cè)量零件的距離。外部存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。LCD12864用于顯示菜單和測(cè)量結(jié)果。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

MCU控制軟件包括MCU、傳感器、藍(lán)牙、鍵盤和LCD的初始化代碼；數(shù)據(jù)采集和處理程序；藍(lán)牙與PDA或其他設(shè)備之間的通信程序。

在本研究中，我們?cè)?0秒內(nèi)獲得5000個(gè)樣本，采樣率為500Hz。由于TLC1549是一個(gè)串行數(shù)據(jù)采集芯片，需要至少10個(gè)時(shí)鐘來采集樣本，所以時(shí)鐘頻率至少應(yīng)該是5 kHz。首先，我們提取了兩個(gè)通道信號(hào)中的一個(gè)特征點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，我們可以方便地得到其他信號(hào)的特征點(diǎn)。然后，通過一個(gè)簡單的算法，我們可以很容易地得到PWV值。最后，我們還可以通過藍(lán)牙技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)&結(jié)果

PWV的臨床參考值為14m/s。PWV越高，動(dòng)脈硬化的風(fēng)險(xiǎn)就越高。實(shí)驗(yàn)涉及10名受試者，5名男性和5名女性。

志愿者將兩個(gè)傳感器分別放置在臂動(dòng)脈和橈動(dòng)脈上，通過我們所開發(fā)的儀器可以獲得脈沖波發(fā)射時(shí)間（PWTT）。

我們對(duì)這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行了10秒的測(cè)量，并計(jì)算了每一對(duì)的PWTT，如T1、T2等。我們使用平均值作為最后的PWTT，通過10秒的記錄，然后我們可以利用PWTT將兩個(gè)傳感器之間的距離劃分出來，從而得到PWV。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

3 結(jié)束語

為了幫助早期發(fā)現(xiàn)心血管疾病并滿足家庭使用設(shè)備的要求，本研究提出了一種無創(chuàng)、便攜、易于使用的PWV監(jiān)測(cè)樣機(jī)。該樣機(jī)可以計(jì)算用戶的PWV，通過藍(lán)牙無線功能將脈沖信號(hào)發(fā)送到PDA或計(jì)算機(jī)，顯示脈搏波，提供長時(shí)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可以幫助醫(yī)生早期分析或診斷心血管疾病。

參考文獻(xiàn)：

[1]李國杰，黃秀先，梁樹俊，等.脈搏波傳導(dǎo)速度與心血管病及其危險(xiǎn)因素的相關(guān)性分析[J].中國循證心血管醫(yī)學(xué)雜志，2013，5（01）：15-16.

[2]Yamashina A， Tomiyama H， Arai T， et al. ：Brachial-ankle pulse wave velocity as a marker of atherosclerotic vascular damage and cardiovascular risk， Hypertens res.（2003），26（8）：615-622.

[3]生物谷.動(dòng)脈硬化可預(yù)測(cè)認(rèn)知能力下降[J].上海醫(yī)藥，2016，37（10）：22.

[4]Waldstein SR， Rice SC， Thayer JF， et al.：Pulse pressure and pulse wave velocity are related to cognitive decline in the Baltimore Longitudinal Study of Aging， Hypertension，（2005），51：90-104.

[5]趙清華，王青，莊曉明，等.心血管疾病危險(xiǎn)人群中微量白蛋白尿與踝臂脈搏波傳導(dǎo)速度的相關(guān)性研究[J].中華臨床醫(yī)師雜志（電子版），2012，6（03）：570-574.

[6]Ling YW， Peter C. ：Frequency distribution of human pulse spectra， IEEE Trans. BME（1985），32（3）：245-247.

[7]Texas Instruments： Monolithic photodiode and Single Supply Tran Impedance Amplifier OPT101 Datasheet， 2004，pp.1-15.