天津大学李刚：家庭健康中的单片机技术

　　李刚老师，来自天津大学精密仪器学院生物工程医学系，他研究了很多生物医学方面的东西，与我们未来的健康生活息息相关。
　　
　　以下为李刚老师演讲《家庭健康中的单片机技术》实录：

　　特别高兴今天有机会跟大家介绍一下过去一两年在科研上的一些经验体会。相比前面的老师们的介绍，我这个就是小儿科，因为我本身（不是谦虚的话）就只是一个单片机的爱好者，只不过是用的单片机用的比较多而已。

　　家庭健康显然是个大趋势，我们现在的生活理念整个都在改变，健康是第一个，绿色，人希望我们生活的质量是高品质的，并不是活着就行，而是有质量有素质。那么医疗的理念也在发生变化，当然医疗现在成为三座大山之一，大家都感受很沉重，实际上不管是WTO（还是其他的相关部门）一直都在推崇预防医学，中国的传统观念其实最高境界实际上也是中医的最高观念是治未病，就是没有病的时候，称为未病。东方的哲学思想也是天人合一的思想，实际上在前面几位老师的介绍中都或多或少都有这方面的理念，什么物联网之类的，我只不过在我的小小的角落里侧面来介绍我的一些体会，那么时间关系我也只介绍一些简单的东西，而且是从历史上挖出来一点点东西，我乐此不疲的去钻，去想，去弄，所以可能有一些不合适的地方，大家也就一笑了之。

　　作为健康这个理念是无处不在，无时不在，还要无微不至，甚至让你在感受到健康的关爱的时候你还没有知觉，你并不知道你在受到这种关爱。甚至在受到某种提升健康的东西。介绍的第一个东西是就是神奇的过采样技术，过采样其实在几十年前很早就有这个技术了，过采样并不是什么新的东西，从前年开始我把它捡起来，因为我发现还是可以把它发扬光大的，那么我们在家庭健康中的一个监护，主要是说要对微弱的人群进行检测，监护还希望使得这种微处理器不要用的太庞大的，或者说像住院那样，你非要躺着床上才能得到监护，希望这种监护能随时随地移动，那么在监护中最重要的是对微弱的人体信号的检测，这种信号是很微弱，那肯定要用到微处理器，所处理的信号都模拟的信号，那么肯定需要模数转换来进行转换，模数转换要保持它的分辨率肯定要用到放大器，这就是我们一般设计一个监护信号（的步骤），用到放大器在生物电子中进行检测放大器要求比较精密，比较昂贵，复杂也比较困难，而且动态范围也受到一些限制，加入放大器本身就有噪声，抗干扰性能自然就差了，又耗电又占用体积，那我们能不能拿放大器来开刀呢？我今天实际上就是拿放大器来开刀，我们为什么要放大器？显然我这个问题就有点太小儿科了，让大家见笑了，但是我们都是要这么做的，那我们要怎么样不要放大器来完成这些事情呢？

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　　那我们就提出第一个：高分辨率的AD模数转换器来实现不要放大器的信号检测，道理说起来很简单，就像我们经常碰到的心电，心电通常在1 mV，我们通常用的AD比如说是2.5V输入，为了简单一点，我们假定是1V输入范围，用12位的AD去转换，通常几乎现在所有的生物采集里面都要加上放大器，把1 mV的信号放大1000倍到1V左右，然后保证模数转换有足够高的分辨率，如果是一个10位的AD的话，那也就是说对于1 mV的心电来说，我们可以分辨它到1μV，如果 我们换成20位的AD，那我们就不用放大了也能分辨1μV，就是这么简单，那么我把它简单归结为，我们通过利用模数转换器的分辨率去换取放大器的放大倍数，或者增益，如果没有放大器了，那么我想这个体积就好做了，也就实现了我们用数字信号处理去替代模拟信号处理的这种信号检测预处理的最高的理想。模数转换器通常来说20位精度或者多少位这个价格会比较昂贵，我们现在常用的比如说12位的AD，很多单片机中都已经嵌进去了，TI的，ADI的，兴华龙，silicon labs等等这些单片机都有12位的AD，这上面的AD通常都能做到几百千赫（兹）的采集率，但我们特别是在家庭用的这些信号采集里，很多像心电也就是几十赫兹的信号用200或者400HZ的采样率，我们通过过采样每提高4倍的采样率，可以得到1位的精度。在我们常用的单片机中，我可以不客气的说（请大家谅解），几乎绝大多数的人在处理这些低频信号的时侯满足奈奎斯特采样定率就行了，比如说过5-10倍（采样率）在工程上就行了，那对于一个400k的采样速度也依然只用它400400HZ，其他不用，但在我们现在这种情况下用过采样技术其实是最简单的方法，那我们就可以用400k的采样抽样到400HZ，这就扩了1000倍，1000倍1024就是得到了5位的AD的精度，如果是说只对压力温度进行采样的话，你就会扩几百K的倍数，一个10位或者15位的AD可以到达20位甚至更高，那这些就意味着什么，在这些信号采集里面放大器就是多余不要了，不要了带来的好处是什么，前面所列举的那些成本、动态范围、耗电、体积统统没有了。那好过采样这么好，不花成本，下抽样也很简单，如果过采样扩1000倍的话，实际上就是把1000个数都加起来这是最简单的下抽样，又是很好的低通。那么现在问题就是这个过采样，在过采样中有个很特殊的问题，就是平时我们认为最难去掉的白噪声，因为白噪声是任何电子器件都存在的，只要有电阻就存在，这是最挠头的。那么在过采样里面它是个宝贝，没有它是实现不了的，没有它还要额外去加，加上一个人为的所谓随机劳动，有些文章也研究到这一点去加，但在AD里头实际上是加不上的，因为我们通常所用的AD前面都有采样保持器、抗横的滤波，那我怎么让白噪声直接到模式转换上面呢？还有一个问题就是对于过采样来说如果我碰到的是一个很干净很稳定的直流信号，没有噪声的，假定我这个噪声只在0.4个LSB这个地方，那这个信号你采10000次加起来还是0，怎么采都不行，对不对，这过采样失效了，的确是失效了，我们加了一个成型信号，成型信号也很简单，比如说一个三角形就是一个成型信号。我们这么来想，如果被采集的信号在0.4个LSB的时候我加了一个LSB这个高度的信号叠加上去，然后采10次就有4次为1是不是，然后6次为0，加起来就是4除以10，0.4我得到了被测量的信号，那这个信号如果仅仅要求在1个LSB的高度那当然很难，精度这些都很难保证，实际上没有那么严格要求。我们的理论研究表明（你）加的越大越好，只要加上这个成型信号，加上你的被采样信号，加上其他干扰不超出你的AD范围（加的）越大越好，大有什么好处呢？大可以消除一些AD的非线性的微分误差，（为什么？）你采样点多了，在你的AD的每一个量化电频上都分布了它的每一个量化的差分误差都平均掉了。那么我们通过这些就可以产生一个用在心电检测上的放大器，如果相比其他的心电放大器来说，这就是很简单的，实际上这里面有些东西还是很多余的。那么就这么一个放大器我还可以实现心电和呼吸的同时采样，当然还可以检测导线脱落，这实际上就是利用了单片机的过采样技术。比如说用AD的841，或者C8051F这个系列的，只要有个十几位的AD，基本上这些常规的生物电，比如说肌电脑电心电都可以采集。再比如说脑电我要做个256个通道，如果按常规的做那这个仪器就大的不得了，如果这么做那就很简单，特别是对于监护，我们可以做一个很简单的所谓穿戴式的监护，甚至这些都可以集成到单片机内部，有些单片机像中银（音译）一种单片机做血压计的它里面就集成了3个运放还是4个运放（运算发大器），所以完成这些，那么可能对IC厂商来说，如果做一些不管是工业控制还是家庭健康的，把这些简单的几个小运放集成到里面，我们就可以做成很微小的三维点的采集，那么这些采集对于一个个人的健康信息的监护来说有很多很多的好处。这方面呢，我们可能用的是单片机，但可能很多考虑要在外面，不是说仅仅考虑单片机，这样反倒是对单片机的应用是一种促进，单片机最体现的（功能）一个是单片一个是计算，单片就是体积小都在一个上面，去实现一个所有的信息采集初步处理都在里面，那么计算过采样这些需要计算，单片机计算能力越高得到的效益越高，这里面有一个用基石去换取性能，至少下抽样要完成加法，扩多少倍你要完成多少次加法。但如果下抽样的滤波器设计的更好一点提高的精度会更多一些。那么过采样技术为数字信号处理真正替代模拟信号处理，也就是替代放大微波这些构建创造了一个很好的条件。在这方面写了点文章，这两年在过采样方面差不多也都是我们课题组的文章，用这个申请了一些专利。

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　　第二个就是介绍怎么不抽血分析血样成本，今天把这个仪器带来了。我们目前实现的血液的主要成分的无创检测，而且精度超出了我们家用的有创的血糖仪之类的。血液成分无创检测到目前为止只有国外的一个公司实现了血红蛋白的检测，我们现在目前来说比较有把握的来说十来种血液成分都能检测出来，血糖、血脂、血红蛋白、中性密脂细胞、胆固醇这些东西。那么这跟单片机是什么关系呢？我们用的是一种光谱的方法通过光谱来测量血液成分。光谱在化学成分分析上是很常用的一个技术。它应用的基础就是郎珀-比尔定律。郎珀-比尔定律也就是说当一种物质你供给它一束光，得到一个输出光，输入与输出的比值或者衰减就与你被检测的物质的含量，它本身在波段这个频率的吸收系数成正比，是一个物质吸收的基本的定义。对于我们血液里面，第一步就是说怎么得到血液的光谱，不是说得到皮肤的光谱，得到肌肉的光谱，（皮肤上的护肤霜的）光谱不能影响我，怎么办？我们就提出了动态光谱。动态光谱在精度上采样率上和数据量上都有要求，那我们怎么做呢？我们是这么做的，如果我打一个单色光，透过手指我可以测到脉搏波，医院做的心率的检测就是这个道理。那么脉搏波的最大值就是光强的最大值和最小值有什么物理含义呢？实际上动脉毛细血管收缩到最薄的时候血液最少的时候，这时候射出来的是光强的最大值。当脉搏波最强是时候也就是血液最后的时候这时候得到的是光电脉搏波的最小值。最大值和最小值中间的能量差值被谁吸收掉了呢？被我们所关心的动脉血液增加厚度这一部分所吸收掉了。如果我把每一个波长的这个血液所吸收的值都撤出来，那么它所组成的光谱只跟我们所测的血样有关，跟皮肤的厚度颜色，脂肪的厚度都没有关系。那么这就是我要得到的血液的光谱，得到血液的光谱当然下一步就是分析。但是要得到最大值，我们先简单看看这个精度要求多少，假定血液中有100种成分（实际上远不止这么多）假定这些成分含量都是相当，假定我对每一种成分测量值精度要到1%的分辨（率），那么我这个光的测量最差也要到万分之一的精度，这是对精度的要求。另外一方面，如果我要来测1000个波长的光电脉搏波，我每次都要测到最大值最小值，假定我只需要在每个脉搏波上面采样1000次，脉搏波的速度大概是每秒一次的样子，这样我的采样速度最低要每秒一兆，这还不考虑即使脉搏波是个正弦波，采样1000次它的相位误差带来的辅值误差是多少。要保证这个辅值误差小于万分之一，精确计算可以再精确。而且这时候任何一个干扰在最高值最低值的采样上面都有可能出现，出现了100%的干扰或误差就带进去了，所以对数据采集的单片机的要求就提高了。我们怎么去保证这个呢，第一步从原理上我可以不抽血得到血液的光谱，这在测量方法上是一个突破，同时它从原理上对我们数据采集和分析系统提出了要求，刚才说了精度和速度，那么更进一步的说，刚才如果是采用速度这么高还不能保证精度，那我们第二种方法是什么？现在我们回过头来看这个原理，从前面采样来说是同一组血液成分所构成的同一个厚度用不同的波长快速的测量得到的光电脉搏波的峰峰值所组成的光谱我们把它叫做动态光谱，那么每个波长的光电脉搏波它都是相似型，相似型我可以在傅立叶变换里面任何一个函数如果它乘以10或者除以10也就是增加多少倍，它相应的分量也增加或者减少多少倍，所以前面的这个我们就可以通过傅立叶变换的方式可以大幅度的提高数据采集的精度还可以提高性噪比，还可以降低对采样速度的要求，所以我们从每秒几兆以上的采样速度最后降到只需要每秒二十几赫兹的速度，但是这对计算要提出更高的要求，要完成傅立叶变换，目前我们对血红蛋白，血糖，中性粒子细胞，这几个最早测出来的成分都是做到2%到5%的平均误差，我们平时用的血糖仪误差大概在20%到30%。

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　　第三个说的是中医舌诊，简单的说我们做中医舌诊当然以我们中国人为主，喜欢做这种课题。比如说舌体庞大或者舌维形状或者纹理分析等等做了很多，但现在有哪一个真正能在临床上用呢?没有。第二喜欢做舌色，特别是数码相机摄像头发展起来之后，好像用数码照起来很准，颜色是什么色就是什么色甚至可以有国家标准来做。但是我说很遗憾这个是错误的。从舌色上来说犯的错误是什么呢？我们古人看到鸟在空中飞翔，用翅膀摇，人能够等效翅膀的是什么？当然就是手了，然后贴上些树叶或者羽毛之类的从上面往下跳结果都摔死了，现在我们飞起来了，也有翅膀但翅膀是不摇的。可是我们一问中医，中医就说那个患者他的舌色是焦黄色或者淡红色或者什么东西，实际上对于一种颜色来说如果你用三原色来分解或者反过来讲如果你用这三种原色来调和出这种颜色，你是唯一的是确定的，但是如果我用1000个波长的颜色来调，它是什么分布呢？怎么个比例关系呢？无穷无尽。正因为这种无穷无尽才代表了各种各样的千变万化，各种病情的对身体对机理的影响。我们仅仅停留在中医他说的这种颜色上面，实际上我们把很多很多东西全给丢掉了，所以我们现在用光谱来做这个东西。这就是中医的系统辩证，我们必须牢牢记住这一点，我不是用西医或者我们现在的一些观念叫做形而上学，片面的孤立的静止的去看待问题，去对待信息这就是错误的，现在拿光谱去照，实际上是采了五个部位，现在对舌尖这一个部位，我们到医院去，不是什么患者都找得到，比如我们去肝炎科找到肝炎患者，到心脏科找到冠心病（患者），高血粘症的，当然还有健康。我们进去一做，得到的结果很让人惊讶，我们得到的结果是，最差的精度我们也在百分之八十八点几，还有人做到100%的也就是说我建的模型在我这个泛指，说他是他就是说不是就不是，当然我不是说我这个方法马上就能怎么样啦，但是就这么些样本里面，比如说少则二十几个多则一百多个患者拿其中一部分来建模预测另外一部分，我能做到这么高的精度，远远超过所有的其他方法所做的，那就很神奇了，因为时间关系我不向下展开了。那么我现在要说的是我这个光谱，我要做光谱成像，这就设计到一个概念，我不能把图像的信息和谱的信息分开，那数据采集就牵扯到一个图像1024*1024这就是1兆，再加上每一个像素点就是一个光谱，假定1000个波长这就是1G，如果这光谱精度再高点那就是2G了。就在这么大的数据只是一个样本，要去采集处理建模等等，这就是对我们的单片机嵌入式系统的要求，那么理想状态是什么呢，后面跟光谱有关前面跟电有关，我做过一个鼠标，你摸着鼠标就已经在测量你的光电脉搏了，你摸着键盘就已经在测你的心电了，这是我们一个长江学者提出来的理念叫做“激励工程（音译）”，实际上就是说你坐在椅子上就已经在测你的受力情况，需要给你怎么调整或者给你加点红外，或者怎么按摩，怎么防止鼠标手之类，如果说我早上起来到计算机前面站一站可能摄像头就已经把我照进去了，（会提醒）该提高什么该注意什么了。

　　因为一个很重要的问题是说最糟糕是有病了去医院去看，稍好一点说我平时注意锻炼，更加好的是在你没有任何迹象之前这种发展趋势没有到达临界值之前，已经在提示你或者无形地在给你治疗了，这就是理想，这就是未来单片机所能用到的，可能也是物联网之类的，可能很多很多。限于时间关系，我胡说八道了一番，谢谢大家！