1 心音,、脈搏傳感器的制作方法

　　1.1 心音傳感器選擇及制作

　　心音是人體最重要的聲信號之一。它是在心動周期中,，由于心肌收縮和舒張,、瓣膜啟閉,、血流沖擊心室壁和大動脈等因素引起的機械振動，該振動通過周圍組織傳到胸壁成為可聽到的聲音,。心音信號中含有關于心臟各個部分,，如：心房、心室,、大血管,、心血管及各個瓣膜功能狀態(tài)的大量病理信息，是臨床評估心臟功能狀態(tài)的最基本方法,。當心血管疾病尚未發(fā)展到足以產生臨床及病理改變(如ECG變化)以前,，心音中出現的雜音和畸變就是重要的診斷信息。

　　1.1.1 心音傳感器的選擇

　　心音采集系統(tǒng)首先要解決的是如何將心音信號轉化為電信號的問題,。由于心音信號的頻譜范圍在人耳所能聽到聲音的低頻段,，約在20～600 Hz，因此可選用低頻響應較好的話筒作為心音傳感器,。駐極體式電容話筒低頻特性能滿足要求而價格低,，該設計中選用直徑6 mm的駐極體話筒。

　　1.1.2 心音傳感頭的制作

　　制作心音傳感頭時,，選用了由江蘇魚躍醫(yī)療設備股份有限公司出品的單用聽診器全銅聽頭部分,，在聽頭耳把上套上約20 cm長的醫(yī)用橡皮管，對心音進行物理增強,，橡皮管的另一頭擠壓入微型駐極體話筒,，話筒的兩根導線用屏蔽電纜接到放大電路中。

　　1.2 脈搏傳感器的選擇及制作

　　脈搏波是以心臟搏動為動力源,，通過血管系的傳導而產生的容積變化和振動現象,。當心臟收縮時，有相當數量的血液進入原已充滿血液的主動脈內,，使得該處的彈性管壁被撐開,，此時心臟推動血液所作的功轉化為血管的彈性勢能;心臟停止收縮時，擴張了的那部分血管也跟著收縮,，驅使血液向前流動,，結果又使前面血管的管壁跟著擴張，以此類推,。這種過程和波動在彈性介質中的傳播有些類似，因此稱為脈搏波(Pulse Wave),。人體手指末端含有豐富的小動脈,，它們和其他部位的動脈一樣，含有豐富的信息,，用光電法拾取這些信息是無損傷方法,，而且簡單易行,。實驗表明，用紅外光電法通過指尖測量脈搏波是一種比較好的方法,。

　　1.3 脈搏波測量電路

　　紅外光電法脈搏采集的基本方法是：發(fā)光二極管發(fā)出的光照射到手指上,，被手指組織的血液吸收和衰減后由光敏二極管接收，由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化,，它對光的吸收和衰減也是周期性脈動的,，于是光敏二極管輸出信號的變化也就是周期性變化，反映了動脈血的變化,。

　　光電傳感器按光的接收方式可分為透射式和反射式兩種,。透射式的光源與光敏接收器件對稱布置于手指兩邊，從光源發(fā)出的光穿過皮膚進入深層組織,，除被皮膚,、色素、指甲,、血液等吸收及反射外,，還有一部分會透射出去到達光敏二極管。這種方法可較好地指示心律的時間關系,，并可用于脈搏測量,，但不適于精確度量容積;反射式的是測頭當中的發(fā)射光源和光敏器件位于同一側，接收的是漫反射回來的光,，該信號可精確地測得血管內容積變化,。該方案采用了透射型指套式光電傳感器。發(fā)光二極管采用紅色單色光,，傳感器做成遮光指套式,，減少了外界光的干擾，使用方便,，靈敏度高,，性能穩(wěn)定。在光源電路中,，關鍵是要保持發(fā)光二極管發(fā)射光強穩(wěn)定,，即要保證流過發(fā)光二極管的電流恒定，因此采用了一個恒流源電路,，從系統(tǒng)結構考慮它由單電源供電,，R1和D保證了偏置電壓的穩(wěn)定，電路如圖1所示,。

2 心音,、脈搏調理電路的設計

　　心音和脈搏傳感器輸出的信號微弱并往往夾雜著噪聲干擾，所以必須要進行濾波和放大處理,，由于是交流放大器,，所以在信號調理電路中選取了電源電壓范圍寬,，靜態(tài)功耗小，可單電源使用,，價格低廉的集成運放LM324,。

　　2.1 心音調理電路的設計

　　2.1.1 心音前置放大電路

　　為同相放大電路，在輸入端加了無源高通濾波,，濾除極低頻干擾,。通過調節(jié)R7的大小就可以獲得所需的放大倍數，放大倍數為1+R7/R6,。

　　2.1.2 噪聲的濾除

　　前置放大器輸出的信號并不是純粹的心音信號,，其中夾雜著工頻干擾和其它低頻分量。這些干擾,，比如：心音傳聲器和皮膚的摩擦音,、呼吸噪音、人體的干擾信號和記錄儀器所產生的干擾等,，不僅會導致心音信號被淹沒,，也不利于后續(xù)電路的處理。因此首先用一個8階壓控電壓源高通濾波器來濾除這些干擾,，高通濾波電路的截止頻率為15 Hz,，如圖3所示。

　　從高通濾波電路中出來的心音信號,，還混有較高頻率的傳聲器與人體皮膚摩擦所產生的干擾等,，所以有必要在高通濾波器后進行低通濾波。為達到較好的濾波效果而又不使電路過于復雜,，設計了一個二階壓控電壓源(VCVS)低通濾波器,。該低通濾波器的截止頻率選為600 Hz時比較合適，電路如圖4所示,。

圖4   低通濾波電路

　　2.1.3 可調放大電路

　　經過高通,、低通濾波電路，最終把600 Hz頻段范圍的心音信號提取了出來,。但由于不同人的心音信號幅度不同,，在前置放大器的基礎之上又加了一個可調的放大器。這樣通過手動調節(jié),，使輸出信號幅度使用相當方便,。對正常人來說，該部分放大倍數選為10～20倍即可,，如圖5所示,。

　　2.2 脈搏調理電路的設計

　　脈搏調理電路也由3部分組成。前級為由一個隔直低通反向放大器,，以去除直流和極低頻干擾,，并抑制高頻干擾，并對50 Hz工頻有初步的衰減,，同時對有用的脈搏信號進行了放大,。設置此級的放大倍數為10倍，截至頻率范圍為0.05～20 Hz,，如圖6所示

圖6   脈搏調理電路

　　放大倍數A=R5/R3,，選取R3=100 kΩ，R5=1 MΩ,。同時為消除偏置電壓,，在正輸入和地間接入R4=100 kΩ。低通截止頻率設為20 Hz,，R5=1MΩ,，選取C4為6 800 pF，截止頻率約為23 Hz,。

　　濾波部分采用三階巴特沃斯低通濾波器,，如圖7所示，設置截至頻率f=20 Hz,，根據歸一化方法查表選擇R7=R8=R9=100 kΩ,，C6=0.47μF，C7=0.033μF,，C8=0.033μF,。該低通濾波電路保留了有用的脈搏低頻信號，對50 Hz工頻等噪聲進行了較大的衰減,。

　　2.2.1 后級放大電路

　　采用可變增益反向放大電路,，反向放大器由于電阻最大取值不能超過10 MΩ，如果要提高反向放大器的輸入阻抗,，則電路的增益就要受到限制,。該系統(tǒng)采用的反向放大器可以避免這種限制，既有較高的輸入阻抗又可取得足夠的增益,。如果選取R13遠大于R14,，R15，則放大器的增益可用下式近似計算：

　　R11=100 kΩ,，R13=1 MΩ,，R15用10 kΩ的電位器，R14=1 kΩ,。R13,，C9構成低通濾波，截止頻率為20 Hz,，根據式(1)增益可調范圍為11～110倍,，電路如圖8所示,。

3 實驗結果

　　該電路通過對人體心音和脈搏信號進行采集和調理后，用示波器觀察到的兩路信號如圖9和圖10所示,。

4 結語

　　現該電路已采集了大量可靠病例和正常心音脈搏數據,。使用表明，該電路穩(wěn)定可靠,，結果理想,。這也為后續(xù)進行數字化轉換和PC機顯示、分析奠定了基礎,。