基于示波法的電子血壓計系統設計

引 言

醫療檢測設備家庭化逐漸成為趨勢，其中家用血壓計就是典型的家庭醫療檢測設備。目前較為常用的血壓計是水銀血壓計，對普通用戶(hù)，特別是中老年人來(lái)說(shuō)，使用比較困難。過(guò)去人們必須到醫院測量血壓，十分不方便。測量準確、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便的血壓計有利于人們盡早發(fā)現和鑒別各類(lèi)血壓病癥，及時(shí)就醫。電子血壓計具有成本低、小型化、功耗低、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，在使用上帶來(lái)了便攜和易操作的特點(diǎn)，彌補了水銀血壓計的不足。本文介紹采用LM3S1138作為控制核心、壓力傳感器MPXV505GP作為信號采集器的電子血壓計的設計方法。

1 示波法原理

示波法又稱(chēng)為壓力振蕩法，其工作過(guò)程是先將袖帶充氣以阻斷動(dòng)脈血流，然后在放氣過(guò)程中檢測袖帶內的氣體壓力并提取微弱的脈搏波。如圖1所示，當袖帶壓力P遠高于收縮壓時(shí)，脈搏波消失，隨著(zhù)袖帶壓力下降，脈搏開(kāi)始出現。當袖帶壓力從高于收縮壓降到收縮壓Ps以下時(shí)，脈搏波會(huì )突然增大，在平均壓Pm時(shí)幅值達到最大。然后脈搏波又隨袖帶壓力下降而衰減。示波法血壓測量就是根據脈搏波幅度與袖帶壓力之間的關(guān)系來(lái)估計血壓的。脈搏波最大值對應的是平均壓，收縮壓Ps和舒張壓Pd分別由對應脈搏波最大幅值的比例來(lái)確定。

測量血壓時(shí)，隨著(zhù)袖帶壓力的下降血管由阻斷變導通，這一過(guò)程會(huì )在袖帶中產(chǎn)生一系列的小脈沖。將小脈沖拾取出來(lái)，將其峰值連成曲線(xiàn)，得出包絡(luò )線(xiàn)，如圖2所示。

利用示波法判定收縮壓和舒張壓的具體方法很多，主要可以歸納為兩種：波形特征法和幅度系數法。波形特征法基本原理是利用脈搏波包絡(luò )線(xiàn)的拐點(diǎn)測量血壓，上升時(shí)拐點(diǎn)對應的靜壓力為收縮壓，下降時(shí)拐點(diǎn)對應的靜壓力為舒張壓。這種方法測量的個(gè)體適應性較差，測量精度不穩定，已逐漸被幅度系數法所替代。

幅度系數法又稱(chēng)“歸一法”。它是將脈搏波振動(dòng)信號的幅值與信號的最大幅值相比進(jìn)行歸一化處理，通過(guò)確定收縮壓和舒張壓的歸一化系數來(lái)識別收縮壓與舒張壓，如圖3所示。其中，As為收縮壓對應的脈搏波幅度，Am為平均壓所對應的脈搏波的幅度，Ad為舒張壓對應的脈搏波幅度，As／Am為收縮壓Pd的歸一化值，Ad／Am為舒張壓Ps的歸一化值，Pc為袖帶壓力，橫坐標代表放氣過(guò)程中袖帶內壓力的不斷減小。As／Am=C1，Ad／Am=C2，分別對應收縮壓和舒張壓的位置。根據測得的脈搏波幅值和對應的靜壓力，就可以得出收縮壓Ps、舒張壓Pd和平均壓Pm。一般收縮壓的幅度系數為0.46～0.64，舒張壓的幅度系數為0.43～0.73。

收縮壓判據的確定：在充氣過(guò)程中脈搏波幅度包絡(luò )線(xiàn)的上升段，當某一個(gè)脈搏波的幅度Ui與最大幅度Um之比Ui／Um=Ks時(shí)，就認為此時(shí)對應的氣袖壓力為收縮壓。即Ps=POUi=Ks·Um。

舒張壓判據的確定：在脈搏波幅度包絡(luò )線(xiàn)的下降段，當某一個(gè)脈搏波的幅度Ui與最大幅度Um之比Ui／Um=Kd時(shí)，就認為此時(shí)對應的氣袖壓力為舒張壓。即Pd=POUi=Kd·Um。

心率指心臟每分鐘搏動(dòng)的次數。由于心臟與脈搏搏動(dòng)一致，所以在測量血壓的同時(shí)可以測得心率。測定心率的關(guān)鍵是判斷脈搏波的峰值，然后根據一定時(shí)間內有多少個(gè)脈搏波計算出心率。

2 系統硬件設計

2.1 系統總體結構

如圖4所示，系統硬件主要包括：LM3S1138控制器、氣泵、濾波放大電路、報警電路、存儲模塊、鍵盤(pán)模塊及液晶顯示模塊等。

氣動(dòng)電路主要完成對外界施加壓力的控制及壓力信號數據的采集；放大濾波電路主要完成從混合血壓信號中濾出脈搏信號，并對脈搏信號進(jìn)行放大；存儲模塊主要用于測量記錄的存儲；報警電路用于異常情況下的聲光報警提示；顯示模塊用于顯示血壓測量數據及血壓歷史記錄；鍵盤(pán)模塊用于系統設置參數的輸入。

2.2 氣動(dòng)電路

氣動(dòng)電路由袖帶、氣泵、壓力傳感器和放氣閥構成，它們構成一個(gè)四聯(lián)通的結構。壓力傳感器輸出的兩路信號分別與主控制器兩路A／D相接，完成靜壓信號和脈搏信號的測量；氣泵和放氣閥由主控制器經(jīng)驅動(dòng)芯片直接控制，完成測量時(shí)候的充放氣。

2.2.1 壓力傳感器

人體生理信號的特點(diǎn)是低頻小信號，一般是μV～mV級的，頻率范圍是0～300 Hz，信噪比低，因此選擇一個(gè)性能良好的傳感器就非常重要。

MPXVS050GP壓力傳感器內部含有信號運放和信號調節功能，具有良好的線(xiàn)性度，輸出電壓與所加壓力成正比關(guān)系，可以進(jìn)行片上補償，并且其溫度補償特性能克服半導體壓力敏感器件存在的溫度漂移問(wèn)題。它可以直接將動(dòng)脈血液對血管壁的壓力轉換為0～4.7 V的電信號，對應的血壓值為0～375 mmHg，與血壓計的設計要求非常匹配，因此特別適合示波法壓力測量。圖5為MPXV5050GP壓力傳感器輸入、輸出線(xiàn)性對應關(guān)系。

2.2.2 驅動(dòng)電路設計

圖6為氣路驅動(dòng)電路。HLPM30A氣泵和HLV01A電磁閥的工作驅動(dòng)電流分別為450 mA和75 mA，控制氣泵和電磁閥工作的信號由LM3S1138控制器發(fā)出，而LM3S1138控制器的數字I／O輸出電流不能滿(mǎn)足要求。因此，為給氣泵和電磁閥提供合適的驅動(dòng)電流，采用可輸出500 mA電流的達林頓管ULN2803驅動(dòng)電路來(lái)驅動(dòng)氣泵和電磁閥工作，分別利用ULN2803的第1路、第2路來(lái)驅動(dòng)電磁閥和氣泵。

2.2.3 濾波放大電路

從壓力傳感器出來(lái)的信號是脈搏信號和靜壓信號的混合信號，還夾雜著(zhù)來(lái)自外界的高頻干擾和直流或低頻分量。靜壓信號屬低頻信號，頻率小于或等于0.04 Hz，脈搏信號頻率一般約為1 Hz。雖然所選的壓力傳感器具有放大功能，但是對脈搏振蕩信號的放大有限，因此主要是靜壓信號。將混合信號分為兩部分接入LM3S1138控制器，一路直接連接A／D轉換器進(jìn)行模／數轉換，得到靜壓信號數據；另一路通過(guò)帶通濾波放大電路后進(jìn)行模／數轉換，得到放大的脈搏信號數據。

如圖7所示，濾波器由2個(gè)決定截止頻率的RC網(wǎng)絡(luò )組成。這兩個(gè)截止頻率由以下公式計算。

考慮到低血壓患者的血壓、心率比正常人低，又要保證濾除干擾分量，故這里設定脈搏波頻率為0.5～5 Hz，因此取R1=1 kΩ，C1=33μF，R3=1 MΩ，C2=0.33μF。

此電路不僅可以提取出所需的脈搏信號，還對微弱的脈搏信號進(jìn)行了放大。脈搏信號的強度因人而異，但一般范圍為1～3 mmHg。根據壓力傳感器MPXV5050GP的傳遞函數，這個(gè)壓力信號轉換的電壓信號為12～36 mV。由于濾波器在1 Hz信號處衰減10 dB，因此振蕩波信號變成3.8～11.4 mV。經(jīng)過(guò)試驗測試，將放大器的放大倍數設定為150，使得信號變化范圍定位在LM3S1138的A／D轉換靈敏度較高的區域，可以提高數據采集的精度。

3 系統軟件設計

3.1 系統工作主流程

系統工作主流程如圖8所示，其中測量工作模式為默認模式。

血壓測量模式下，完成血壓的測量顯示，并對測得的血壓數據進(jìn)行分析，若有異常(血壓偏高、血壓偏低、心率較慢、心率較快、錯誤測量等)，立即進(jìn)行報警提示。報警條件：

①收縮壓>145 mmHg或收縮壓95 mmHg；

②舒張壓>90 mmHg或舒張壓45 mmHg；

③心率>105或心率45。

測量完畢后，提示是否保存數據。系統最多可以對16組數據資料進(jìn)行存儲，每組可存331條記錄。

查看記錄操作模式下，可以調出16組血壓數據列表或生成日、周、月血壓情況的折線(xiàn)圖，便于對某一段時(shí)期血壓變化情況進(jìn)一步的觀(guān)察和分析。

3.2 血壓測量流程

血壓測量采集和處理過(guò)程中，有以下幾組重要的序列和數據。設原始靜壓信號序列為{statk_BP[i]，i=0，1，…，n-1)，脈搏信號序列{pluse_BP[i]，i=0，1，…，n-1}。經(jīng)過(guò)歸一化后，峰值序列{peak_BP[i]，i=0，1，…，n-1}，峰值包絡(luò )中最大值為max_peak。峰值時(shí)間間隔序列為{time_peak[i]，i=0，1，…，n-1)。

如圖9所示，測量模式下，氣泵自動(dòng)加壓進(jìn)行充氣，當袖帶中壓力至大于或等于200 mmHg，無(wú)脈搏信號出現時(shí)，停止充氣，袖帶中氣體緩慢釋放。每隔5 ms采集1次脈搏信號值，在檢測到第1個(gè)峰值后，以周期為5 ms采集脈搏信號值和靜壓信號值，分別獲得靜壓信號序列static_BP[i]和脈搏信號序列pluse_BP[i]，并判斷采集的脈搏信號值是否為峰值。若是峰值，則記錄此時(shí)的脈搏信號值和靜壓信號值，以及從上一個(gè)峰值到當前時(shí)刻的時(shí)間差，分別生成序峰值序列peak_BP[i]和峰值時(shí)間間隔序列time_peak[i]。一般，當袖帶壓力Pc≤60 mmHg時(shí)，脈搏信號峰值消失，當連續4 s內檢測不到脈搏信號峰值，系統退出本次血壓測量。

3.3 血壓和心率計算流程

示波法血壓測量沒(méi)有完善的理論推導，使得特征點(diǎn)的確定只能依賴(lài)采集樣本的統計歸納，因而示波法測量血壓是基于統計的方法，有一定的離散性。如圖10所示，數據處理過(guò)程主要包括濾波處理、心跳周期的計算、平均壓力位置的確定、收縮壓和舒張壓的計算4個(gè)重要部分。

濾波處理主要用于對峰值序列peak_BP[i]中相鄰跳變較大的數據進(jìn)行濾除噪點(diǎn)處理優(yōu)化，增加原始數據的線(xiàn)性度。

心跳周期，指2個(gè)脈搏波峰值的時(shí)間間隔。為提高結果的準確性，對放氣過(guò)程中的峰值時(shí)間間隔序列time_peak[i]取算數平均值，得到平均周期Ta，則心率為R=1／Ta。

平均壓力值，指脈搏信號的包絡(luò )的峰值位置對應的靜壓值。通過(guò)對濾波處理的峰值序列相鄰數據進(jìn)行比較，可以得到脈搏信號包絡(luò )的峰值max_peak=peak_BP[a]，則血壓的平均壓力值Pm=static__BP[a]。

根據幅值系數法原則，Ps／Pm=Ks和Pd／Pm=Kd。由于收縮壓和舒張壓在靜壓曲線(xiàn)中位置由脈搏信號峰值包絡(luò )確定，可得出：peak_BP[b]／max_peak=Ks和peak_BP[c]／max_peak=Kd。對應的b和c的值，就是收縮壓和舒張壓在靜壓序列中的位置，即收縮壓Ps=static_BP[b]和舒張壓Pd=static_BP[c]。其中，醫學(xué)臨床普遍采用的幅度系數數值，即Ks=0.48，Kd=0.58。

4 實(shí)驗結果及分析

選取3組測量者，采用重復和對比的方法，對同一個(gè)測量者在同一時(shí)期分別使用本電子血壓計和水銀血壓計進(jìn)行連續測量，將測量結果進(jìn)行對比、分析，以觀(guān)察測量結果的一致性和準確性，如表1所列。

由表1實(shí)驗數據可以看出，本電子血壓計測量結果基本與水銀血壓及保持一致，血壓誤差范圍6 mmHg，心率誤差范圍3次／min，因此可以在臨床診斷和家庭醫療保健中應用。