基于光電檢測脈搏波的多功能電子血壓計

本多功能電子血壓計，采用光電容積法進(jìn)行測量。其原理是：光束通過(guò)透射傳送到光電接收器信號的不同。人體血液紅細胞中的血紅蛋白（Hb）與氧分子作可逆性結合，結合后的 Hb 稱(chēng)含氧血紅蛋白（HbO2），兩者具有不同的吸收曲線(xiàn)：在紅光譜區 600nm~700nm 內血紅蛋白Hb吸收的光線(xiàn)較少，而HbO2吸收的光線(xiàn)較多；在紅外光譜區 800nm~1000nm 內血紅蛋白Hb吸收的光線(xiàn)較多，而HbO2吸收的光線(xiàn)較少。在光路上，除了動(dòng)脈血紅蛋白外，還有許多其它吸收體，將嚴重影響測量精度，因此紅光和紅外光LED因盡可能相互靠近，通過(guò)人體中的單一組織位置透射光線(xiàn)，并采用時(shí)間復用處理來(lái)透射光線(xiàn)。同時(shí)在檢測端，將透過(guò)手指的透射光強轉換為電壓信號，因此得到光電容積脈搏波信號。最后基于光電傳感器的檢測原理和Lambert-Beer定律，可以將透射光強與光電傳感器的輸出電壓相關(guān)聯(lián)，建立心血管系統參數收縮和舒張壓計算方法，設計無(wú)創(chuàng )連續血壓測量方法測試設備。其優(yōu)點(diǎn)為：使用簡(jiǎn)單方便、測量精度高、測量值便于記錄、體積輕巧便于攜帶等。

硬件設計

系統總體結構

本多功能電子血壓計的系統總體結構框圖如圖2所示，主要包括LPC1788主控模塊、電源及復位模塊、LCD觸摸屏模塊、信號調理模塊、光電脈搏波傳感器模塊和選配的Zigbee模塊等六大模塊。

主控LPC1788

主控采用NXP新推出的基于ARMCortex-M3的LPC1788微處理器，它具有高性能、高集成度、低功耗等的特點(diǎn)，廣泛用于低功耗和處理要求高集成度的嵌入式應用，非常適合本方案的設計要求。它包括高達512kB的Flash存儲器、高達96kB的數據存儲器、4kB的EEPROM存儲器、一個(gè)用于SDRAM和靜態(tài)存儲器存取的外部存儲器控制器、一個(gè)LCD面板控制器、一個(gè)8通道12位ADC等。外部只需加入很少芯片就可實(shí)現系統功能，充分滿(mǎn)足了本設計的需要,并可使整個(gè)系統體積減小、功耗降低，控制了成本，提高了穩定性。

光電傳感器

本系統采用了透射式雙波長(cháng)測量法，傳感器選用深圳美的連電子有限公司生產(chǎn)的 S0012A 型指套透射式可重復使用的血氧探頭。透射式光電脈搏傳感器包括光發(fā)射和光電接收兩部分：對于光發(fā)射電路，探頭內部選擇了940nm的紅外發(fā)光二極管和波長(cháng)為660nm的紅色發(fā)光二極管以頭尾相接的方式并聯(lián)作為脈搏檢測電路的光源；接收電路的核心元件是光敏二極管。為了獲得最佳的信噪改善比，要求前置放大器的設計采用低噪聲放大器設計原則，盡量降低輸入級的噪聲，因此選用低噪聲光敏器件，以獲得最小的噪聲系數。

信號調理（放大和濾波）

脈搏波是以心臟搏動(dòng)為動(dòng)力源，是一種微弱低頻的生理信號, 具有頻率低、信號弱和阻抗高等特點(diǎn)。因此應用于人體生理信息測量的模擬電路因能夠有效地提高輸入阻抗和共模抑制比，抑制溫度漂移以及隨機噪聲。本系統中，選用了低功耗高精度的儀用放大器 AD620，它被廣泛應用于生物醫學(xué)測量以及那些提供微弱信號而共模干擾較大的場(chǎng)合。

脈搏波的主要頻率分量一般在0.1Hz~15Hz之間，既要頻帶合適，以便得到信號檢出時(shí)的最大保真度，又要要濾除各種干擾，如50Hz工頻干擾、各種外界中高頻噪聲；為與數據采集電路適配，輸出端的輸出阻抗要低，模擬信號的極性、狀態(tài)信號的電平和幅度的動(dòng)態(tài)范圍等都必須符合配接的規定。本設計采用Maxim公司的MAX267，它是Maxim眾多開(kāi)關(guān)電容濾波器（SCF）芯片中較簡(jiǎn)潔的一種。內部包含兩個(gè)已經(jīng)固定成帶通型，并且使用相同的Q參數和頻率變換比例的二階SCF和一個(gè)運放。通過(guò)選擇適當的反饋電阻和Q參數，能夠組成不同波紋率的Butterworth或Chebyshev濾波器。這樣就大大減少了外圍電路，且使用靈活，性能遠遠優(yōu)于采用集成運放組成的濾波電路，非常適合于本設計。

軟件設計

程序流程

軟件部分程序流程如圖3所示。系統啟動(dòng)后，由U-boot引導啟動(dòng)嵌入式Linux，初始化相關(guān)硬件和程序并進(jìn)入主菜單：（1）個(gè)人信息，可輸入自己的年齡、身高、體重、性別等信息，方便系統對每個(gè)人的測量數據分別進(jìn)行管理和針對性的進(jìn)行健康情況分析；（2）血壓檢測，血壓計進(jìn)入檢測頁(yè)面并開(kāi)始檢測過(guò)程；（3）數據查詢(xún)，可在 LCD上查看以往測量結果，包括高壓、低壓、平均，并由機器進(jìn)行簡(jiǎn)單的健康情況分析；（4）系統設置，可對系統時(shí)間、網(wǎng)絡(luò )參數等進(jìn)行設置，并可對系統固件進(jìn)行升級；

圖3 程序流程圖

電子血壓計檢測模式流程

測量人體血壓的過(guò)程分為血壓校準和血壓實(shí)際測量?jì)蓚€(gè)階段。血壓校準階段的主要任務(wù)是提取光電容積脈搏波的四個(gè)血壓特征參量(td心動(dòng)周期、 Vd容積脈搏波信號的最低幅度值、 Vs容積脈搏波信號的最高幅度值和K脈搏波波形特征量)，完成校準參數M2動(dòng)脈常數和V0人體在零血壓值狀態(tài)下所對應的容積脈搏波信號幅度值的計算，為血壓實(shí)際測量階段奠定基礎；在血壓實(shí)際測量階段，基于血壓校準階段中的校準參數（即M2和V0）完成人體動(dòng)脈血壓的計算。

數據庫系統的設計

本設計的數據管理采用SQLite嵌入式數據庫，它是一種中小型嵌入式數據庫。雖然體積大小只有幾千字節，但仍然實(shí)現了一個(gè)完全適應嚴峻環(huán)境的數據庫，可以較為方便地運用于嵌入式系統中，具有數據庫處理事務(wù)的原子性、一致性、隔離性及持久性這4個(gè)基本特征，提供了對 SQL92 的大多數支持，包括索引、事務(wù)、視圖、多表、觸發(fā)和一系列的用戶(hù)接口及驅動(dòng)。經(jīng)過(guò)對需求的分析和優(yōu)化，可設計出數據庫系統的E-R圖如圖5所示，全面準確的反應了用戶(hù)的功能需求，實(shí)體類(lèi)型的個(gè)數和所含屬性個(gè)數少，實(shí)體類(lèi)型間無(wú)冗余。

圖4 血壓計算流程圖

圖5 數據庫系統的E-R圖

系統的界面設計

本設計的應用程序窗口界面采用QT編寫(xiě)實(shí)現，它是一個(gè)跨平臺的C++圖形用戶(hù)界面應用程序框架，被廣泛地應用于各種嵌入式產(chǎn)品中。如圖6所示為采用輕量級跨平臺集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Qt Creator所設計的界面，輕按觸摸屏發(fā)出各項命令，再通過(guò)和數據庫的連接由圖形界面顯示結果。開(kāi)機啟動(dòng)后首先進(jìn)入如圖6左圖所示的

主菜單，輕觸左上方“血壓檢測”，系統進(jìn)入如右圖所示的檢測菜單，上半部分為個(gè)人信息，下半部分為檢測結果。

結語(yǔ)

電子血壓計是利用血壓間接測量原理與現代電子技術(shù)進(jìn)行血壓測量的醫療設備，已經(jīng)成為家庭自測血壓的主要工具。本文從血壓的檢測方法著(zhù)手，區別于基于人工柯氏音法的水銀血壓計，給出了完整的基于光電容積脈搏波原理的多功能電子血壓計設計方案，具有三大創(chuàng )新點(diǎn)：1、采用基于光電容積脈搏波的無(wú)創(chuàng )連續血壓測量方法，檢測速度快、檢測精度高；2、智能化大屏幕顯示和觸摸屏控制，簡(jiǎn)單易用，特別方便老年患者使用；3、采用嵌入式數據庫SQLite進(jìn)行數據管理，方便數據整理和分析。

圖6 系統菜單界面

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