無(wú)前置放大器之血壓計應用方案

一、血壓測量法介紹:

血壓量測方式可分兩大類(lèi)：一為侵入式，另一為非侵入式測量方式。侵入式的血壓量測，皆需由醫療人員操作，使用上有許多限制。其一般常見(jiàn)的血壓計則為非侵入式的水銀式血壓計與電子式血壓計兩種。

而水銀式血壓計所使用的方式為聽(tīng)診法(Korotkoff Method)與電子式血壓計所使用之振U法(Oscillometric Method)有所不同。傳統的水銀式血壓計，使用時(shí)將壓脈袋充氣至壓力大于人體的收縮壓時(shí)，動(dòng)脈血管會(huì )因擠壓而達閉塞情形使血管內無(wú)血液流動(dòng)。接著(zhù)測量人員以固定速率氣，藉由聽(tīng)診器聽(tīng)到第一個(gè)低沈的n擊聲(Korotkoff Sounds)時(shí)，讀取水銀壓力計上的讀值，此即為收縮壓;若當壓脈袋壓力小于血管壓力時(shí)則就無(wú)聲音，此時(shí)讀值即為舒張壓。而目前家庭中最常用的則為電子式血壓計，其除自動(dòng)化測量外，也不需測量人員協(xié)助聽(tīng)診。測試方法主要透過(guò)壓脈袋內的壓力感測器碚觳庋沽Ρ浠，藉此來(lái)判斷血壓值。其電子式血壓計組成件除感測器外，尚需有加壓幫浦、壓閥與微控制器的組合才能達到自動(dòng)化測量。量測方式于一開(kāi)始對壓脈袋加壓，當壓脈袋內壓力大于人體的收縮壓后，再控制壓閥減壓。利用壓脈帶在加壓和減壓過(guò)程中，將心K跳動(dòng)時(shí)在血管壁的震動(dòng)反應到壓脈帶中感應的壓脈波變化，進(jìn)從測量壓脈帶中壓力和振幅計算出收縮壓、舒張壓與平均壓值[1,2]。

二、康科技HY11P系列簡(jiǎn)介:

電子式血壓計的設計需要前置復雜的硬體設計來(lái)完成訊號取樣，并搭配微控制器進(jìn)行訊號取樣，一般需要通過(guò)以下步驟，如圖 1。生理信號通過(guò)感測器轉換成電信號，經(jīng)前置放大器進(jìn)行信號放大和處理，再經(jīng)A/D轉換器進(jìn)行裱，將類(lèi)比信號轉變?yōu)閿滴恍盘?。微控制器再進(jìn)行自動(dòng)化控制及后端數位信號處理演算法來(lái)進(jìn)行信號分析處理，計算出有意義的資料。而本文將說(shuō)明，如何在省略前置放大器情況下，使用康科技[3] HY11P14單片機(SOC)來(lái)完成電子式血壓計應用方案。

HY11P系列晶片具備高性能、高整合性規格，如圖 2，能大幅簡(jiǎn)化方案之周邊電路：

CPU 為加強型精簡(jiǎn)指令集，包含硬體乘法指令及查表指令。其晶片8KWord OTP (One Time Programmable) Type程式記憶體，512Byte資料記憶體，足夠供演算法需求。2.2V to 3.6V工作電壓圍，適合手持電池式產(chǎn)品使用。-40℃~85℃工作溫度圍更符合工業(yè)規格需求。內建高精度可校正RC振U器，可節省外接振U器的零件需求。晶片具有彈性多種工作時(shí)脈切換選擇主頻率網(wǎng)路，讓使用者達到最佳省電規劃。CPU支援待機模式及睡眠模式的指令驅動(dòng)功能，以進(jìn)行更有效的功率管理，在非量測中模式下更達省電效益。即使連續測量模式下，晶片功耗僅2.25mW，進(jìn)入深層睡眠模式也只有2uW的耗電，更適合本方案的節能需求。具備多重防當機功能，對于電源系統有啟動(dòng)重置晶片功能，維持微處理器正常工作。并有硬體堆疊滿(mǎn)重置與看門(mén)狗重置功能，降低因外部干擾所產(chǎn)生晶片當機現象。內建高解析度全差動(dòng)輸入ΣΔADC類(lèi)比數位轉換器：

晶片主要核心為內建高解析度類(lèi)比數位轉換器，該核心整合應用系統以達SOC晶片化的目的。在輸入的類(lèi)比訊號不放大的設定下，ADC的性能可以高達ENOB有20bits的超高解析能力。ADC內建可程式化增益放大器功能，間接省去傳統外接前置儀表放大器的功能。ADC內建放大倍率最高達128倍率，等效可解析的RMS Noise可達小訊號100nV的分析能力。ADC在取樣頻率為250KHZ設定下，能夠完整取樣訊號資料，不僅ADC的超取樣架構提高了訊號的解析能力，可程式化的數位超取樣選擇，也使得ADC解碼輸出率可設定成從8HZ到1KHZ的訊號輸出速度，足以符合250HZ以?xún)鹊娜宇l寬。而在程式設定輸出率約244HZ狀態(tài)下，ADC輸入訊號最小解析能力還可以達0.56uVms，足以分析出微小壓力感測器的訊號輸出圍。一般血壓計壓力感測器靈敏度約 50uV/mmHg，相對于A(yíng)DC解析度而言，等效每mmHg約有10倍的解析能力。終端的二階疏狀濾波器搭配超取樣架構也扮演了低通濾波的功能。

內建低電壓14段檢測功能，即時(shí)提示電池使用量。同時(shí)也可以利用ADC前置網(wǎng)路通道，進(jìn)行實(shí)際電壓測量顯示功能。內建多達80點(diǎn)數的LCD液晶驅動(dòng)顯示，滿(mǎn)足該方案下的各血壓值顯示、時(shí)模式及其他額外功用點(diǎn)數顯示功能。內建液晶驅動(dòng)電壓的升壓設計，即使在電源電壓為低電壓下，液晶驅動(dòng)器顯示明亮度一樣可被使用者所接受。多樣化的數位功能支援，達到完整的數位控制方案：

豐富的多功能數位L邊，可以有更多的應用想像空間，包含有8-bit Timer A、16-bit Timer B、8-bit Timer C模組及內建支援數位訊號比較模組、擷取模組、脈n寬度調變PWM(Pulse-width modulation)模組及頻率調變PFD(Pulse-frequency divider)功能等。其內建的串列通訊SPI模組與RS232模組，更適合于PC通訊的一個(gè)橋擰

叁、測量線(xiàn)路說(shuō)明:

電子式血壓計中，感測器扮演一個(gè)很重要的角色。當心K跳動(dòng)時(shí)血管壁的震動(dòng)需要通過(guò)感測器來(lái)轉換成電信號，而血壓計使用的壓力傳感器多為半導體u程電阻式的壓力傳感器，其傳感器電阻溫飄S數將近為1000PPM/℃等級，因此在系統設計時(shí)，多使用了運算放大器產(chǎn)生一個(gè)定電流源系統，來(lái)提高傳感器的穩定度及降低漂移量。圖 3為使用外接放大器來(lái)完成壓力傳感器定電流路。

使用康科技高解析度全差動(dòng)輸入ΣΔADC類(lèi)比數位轉換器進(jìn)行訊號取樣時(shí)，只要再外接參考電阻(Rf)，配合ΣΔADC輸入訊號與參考訊號比例計算法，就可以輕完成定電流控制路效果，如圖 4，而不需再設計一般連接運算放大器的方式。而式 1說(shuō)明ΣΔADC數位輸出碼等效公式，可得知由輸入待測電壓差(ΔVIN=SI+ - SI-)與ΣΔADC參考電壓差(ΔVREF=VR+ - VR-)之比例關(guān)S。而式 2分別計算圖 4中的ΔVIN、ΔVREF，因此計算出的結果相同于外接放大器所求得定電流路效果，只與ΔR(壓力傳感器差動(dòng)變化量)及Rf(參考電阻)有關(guān)。因此 Rf只選用一般電組，其溫飄系數約只有50PPM/℃左右，其測量結果也只受Rf與當下ΔVR變化影響，因此大幅降低壓力傳感器所貢獻的溫度漂移量。

四、測試結論:

整個(gè)系統的測量線(xiàn)路，只需要傳感器配合參考電阻就完成定電流效果，壓力傳感器的差動(dòng)訊號直接輸入ΣΔADC網(wǎng)路中，只需要單通道網(wǎng)路連接，透過(guò)ΣΔADC內置可程式放大器(PGA、ADGN)即可進(jìn)行訊號放大與取樣。當系統將壓脈袋加壓時(shí)，即開(kāi)始進(jìn)行訊號取樣，在判斷不到壓脈波變化之后，則啟動(dòng)氣閥降壓。在此時(shí)，HY11P高解析度ΣΔADC則能輕易測量差動(dòng)變化量，即使在升壓過(guò)程中，仍可以嗜凡飭墾沽χ島凸艙裾穹。

一般電子血壓計會(huì )經(jīng)過(guò)前置放大器進(jìn)行訊號處理與濾波，將訊號分辨成血壓訊號(DC Signal)及振U法所測得共振振幅訊號(AC Signal)，透過(guò)DC+AC雙路測量通道分別進(jìn)行訊號取樣，并經(jīng)過(guò)數位濾波演算法計算出血壓值。而HY11P系列內建高解析度ΣΔADC，便于將傳感器輸出直接連接ΣΔADC類(lèi)比網(wǎng)路，無(wú)須外接前置放大器，也不用切換測量網(wǎng)路，只要透過(guò)單通道測量方法，即可測得塬始的DC+AC訊號。圖 5則簡(jiǎn)單說(shuō)明了HY11P ΣΔADC直接轉換出從傳感器輸出差動(dòng)訊號的塬始取樣資料。圖 6說(shuō)明，透過(guò)了軟體設計數位濾波演算法，建立高通濾波功能及積分演算方式，就能將圖 5的塬始資料輕易計算出共振振幅訊號。有了共振信號后，搭配周邊壓脈袋容量、材質(zhì)等判斷校正后，則可以計算出平均壓，進(jìn)而計算出收縮壓與舒張壓等壓力值資料。

五、參考電路:

圖 7 電子血壓計應用電路說(shuō)明血壓計應用方案，除既有電源系統、幫浦控制、周邊控制與顯示外，訊號測量區塊(如圖 7 電子血壓計應用電路 Sensor Measurement)，已經(jīng)大幅減少所需零件。訊號處理的設計不再復雜繁瑣，簡(jiǎn)化的測量線(xiàn)路不僅降低許多外來(lái)干擾因素，也減輕PCB丫值納杓瓶劑?。单通蒂?lài)牟飭糠椒ǎ高精度的訊號取樣都保留了塬始信號的嗜范齲大幅度降低雙通道濾波測量與網(wǎng)路切換造成的訊號失真并間接簡(jiǎn)化系統設計面積與成本。

[1] J. G. Webster, Medical Instrumentation – Application and Design, 3rd edition, John Wiley Sons, Inc., pp.317-328, 1998.

[2] 蔡建新、張唯真，“生物醫學(xué)電子學(xué)”，北京大學(xué)出版社，1997。