脉搏心率测量仪文献综述

早在1860年Vierordt创建了第一台杠杆式脉搏描记仪，国内20世纪50年代初朱颜将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。此后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是70年代中期，国内天津、上海、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。脉象探头式样很多，有单部、三部、单点、多点、刚性接触式、软性接触式、气压式、硅杯式、液态汞、液态水、子母式等组成,脉象探头的主要原件有应变片、压电晶体、单晶硅、光敏元件、PVDF压电薄膜等，其中以单部单点应变片式为最广泛，不过近年来正在向三部多点式方向设计[2]。心血管疾病是当今发达国家死亡率占第一位的重要疾病，在我国也是死率最高的一类疾病，世界卫生组织已将其列为2l世纪危害人类健康的头号杀手[1]。随着人们生活水平的提高，工作方式以及膳食结构的变化，源于心脏与循环系统的不健康而导致的心血管疾病已逐渐成为威胁人类健康的主要疾病。心血管疾病是一种常见病、多发病，而且有极高的死亡率。据统计，1990年全球大约有1400万人死于心血管疾病，预计到2020年，死于心血管疾病的患者将达到2500万人。目前我国城市人口中每5个成年人中就有1个人不同程度的患有心血管面的疾病。中国每年有100万人死于脑卒中，并且有更多的人致残。特别是在近，中国、日本和新西兰研究人员发现高血压是东方人脑卒中的主要原因[3]。近来，心血管疾病的发病率逐年提高，患者的年龄却逐年降低，心血管疾病对人类身体健康产生的威胁也越来越大。人们希望通过早期采取一些积极的防治手段，使自己拥有健康。同时，中国已经进入了老龄化社会，越来越多的老年人受到慢性疾病的困扰，如高血压、冠心病、慢性支气管炎等。老年慢性疾病通常是终身性疾病，疼痛和昂贵的医疗费用不仅严重影响病人的生活质量．而且占用了大量医疗卫生资源，带来不堪重负的社会经济负担。要避免和减少高血压、心脏病这类心血管疾病给人类健康带来的严重危害，有效的早期预防、早期诊断和早期治疗方法和设备，以及快速的发病后的救治手段都是非常重要的，这些也正是目前广大医学界专家正在共同努力研究的重点，改进对心血管疾病的预防及治疗手段已经成为现代医学界个大难题。
脉搏信号采集模块：脉搏信号采集模块主要用于采集测试者的脉搏，转换为电信号供后部分模块处理。
信号处理模块：信号处理模块包括信号放大电路，低通滤波器以及电压比较器。其功能为将前面有脉搏信号转换为TTL信号。这是本系统中最关键的一部分，也是设计的重点。
控制模块：控制模块以C8051F330为核心，主要负责计数心跳并计算一分钟的心跳次数，按键控制，显示控制。
在先进科学技术的推动下，医疗仪器的相关技术日新月异，全球医疗仪器的发展朝微小化迈进。便携式、低功耗的心率计会越来越受到人们的青睐。长期以来，各种静态的、动态的、随身携带的、远程遥控的心率计已经相继问世。由于心率和心率变异是临床心血管疾病诊断所需要的重要生理参数，有关心率和心率计的研究一直以来成为医学、电子学、工程技术领域科研的工作者们的涉足焦点。在国外到06年底，已经开始研究可佩戴式心率计。植入人体式心率计。国内的心率计产品由于受相关科学水平及生产设备的限制，功能和集成度不及国外。
医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。为了提高脉搏测量的精确与速度，多种脉搏测量仪被运用到医学上来，从而开辟了一条全新的医学诊断方法。
目前脉搏测量仪在多个领域被广泛应用，除了应用于医学领域，如无创心血管功能检测、妊高症检测、中医脉象、脉率检测等等，商业应用也不断拓展，如运动、健身器材中的心率测试都用到了技术先进的脉搏测量仪。
脉搏测量仪的发展与应用
随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传感器的研究。起初用于体育测量的脉搏测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降：耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确[3]。过去在医院临床监护和日常中老年保健中出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量,但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低等缺点。
人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，是血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波成为脉搏波[4]。从脉搏波中提取人体的心理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景[5]。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号,脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号,因此必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。
国内外研究现状
科技的创新，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法，脉搏测量可 利用电子仪器测量出精度更就的数据。人体脉搏信号中包含丰富的生理信息，也逐渐引起了临床医生的很大兴趣，达到了方便、快捷、准确在测量脉搏的目的。随着电子测量技术的迅速发展，现代电子测量仪器以极快的速度向数字化、自动化的方向发展。制成的脉搏测量仪器性能 良好，结构简单，因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。
脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势发展：
自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析
目前很多脉搏测量仪都具有检测血氧等其他功能，但是对于这些信号的分析和诊断还需要一些有经验的医生观察，进行分析以后才能确认结果，浪费大量的人力，且认为引入的误差较大。因此，未来脉搏自动监测的内容将更加详细，自动分析诊断的功能也将更加强大
综合各方面因素，决定采取光电传感器来抓取心率信号。
血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。反向偏压的光敏二极管，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。指端血管的容积和透光度随心搏改变时，将使光电三极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。
背景和意义
脉搏携带有丰富的人体健康状况的信息，自公元三世纪我国最早的脉学专著《脉经》问世以来，脉学理论得到不断的发展和提高。在中医四诊（望、闻、问、切）中，脉诊占有非常重要的位置。脉诊是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，其历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念”、“辨证论证”的基本精神的体现与应用。脉诊作为“绿色无创”诊断的手段和方法，得到了中外人士的关注。但由于中医是靠手指获取脉搏信息，虽然脉诊具有简便、无创、无痛的特点易为患者接受，然而在长期的医疗实践中也暴露出一些缺陷。首先，切脉单凭医生手指感觉辨别脉象的特征，受到感觉、经验和表述的限制，并且难免存在许多主观臆断因素，影响了对脉象判断的规范化；其次，这种用手指切脉的技巧很难掌握；再则，感知的脉象无法记录和保存影响了对脉象机理的研究。脉诊的这种定性化和主观性，大大影响了其精度与可行性，成为中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素。为了将传统的中医药学发扬光大，促进脉诊的应用和发展，必须与现代科技相结合，实现更科学、客观的诊断[1]。
[3]朱国富，廖明涛，王博亮．袖珍式脉搏波测量仪[J]．电子技术应用，1998，第1期，1—3．
[4]刘云丽，徐可欣等．微功耗光电式脉搏测量仪[J]．电子测量技术，2005，第2期，2—5．
心率测试仪的第一部分基本功能：
心率信号由传感器模块进行采集；采集后的信号经过放大（滤除50HZ信号的干扰），进行整形后，得到幅值在0~5v的脉冲信号。
心率测试仪的第二部分基本功能：
可选用单片机进行心率测定，在数码管上显示出被测者心率，也可选用可编程器件仿真进行心率测定和显示。
该系统可分：
电源模块：给系统供电，当中包含单片机、各电路所需的正电，和给运放提供的负电压。
存在问题
传感器：脉搏传感器采集脉搏信息输出电压信号。
放大与整形电路：将输出电压信号经信号放大电路对其进行放大。然后，将放大后的脉搏信号通过电压基准变化电路和过零比较器转换为单片机易于处理的脉冲信号。
心率测定与显示：通过单片机编程对脉冲信号进行处理，实现对脉搏波动频率的测量和计算，最终在LED中直观地显示出来
近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。
其中光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。通过光电式脉搏传感器所研制的脉搏测量仪已经应用到临床医学等各个方面并收到了理想效果。
研究方向
要直接测量心率数，操作上是有一定困难的，且精度不高。实际上我们会采用测量脉搏数，在人体指尖,组织中的动脉成分含量较高,而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄,透过手指后检测到的光强相对较大,因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖，即手指末端的血液脉冲与心率数是一致的，因此我们可以通过测量手指末端的脉冲数来得到心率数，这种方法被证明是科学可行的。
目前，现代的医学电子仪器已不仅仅是单纯的医学电子测量仪器硬件系统，而是基于电子技术、计算机技术、数字信号处理技术的生理量检测和分析系统。以往专门测量心率值的仪器较少，能提供心率变异指标的仪器更是寥寥无几。人们为了知道自己的运动或劳动强度是否超负荷，尤其是老年人或运动员等，他们都得赶到医院而不能实时测量和预知。而心电仪的出现，使心电图机进入家庭变成了可能，但基于心电工作站的模式，使个别地区的患者因医院分析诊断系统的不健全，而变得不适用。因此，一种性能优良，带有自动监测、报警等功能，适合在家庭和社区条件下使用，同时适用于有隐性疾患的亚健康人群及各种作业环境下的劳动者，在其心率变异时，能及时发出警示的安全监护器，而又符合我国人均收入水平不高这一国情的心率监测系统的研制显得尤其重要。基于这一目的，我设计的课题就是便携式人体心率监测系统的设计。