基于示波法的電子血壓計系統(tǒng)設(shè)計

引 言

醫(yī)療檢測設(shè)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(yī)療檢測設(shè)備。目前較為常用的血壓計是水銀血壓計，對普通用戶，特別是中老年人來說，使用比較困難。過去人們必須到醫(yī)院測量血壓，十分不方便。測量準確、操作簡單、攜帶方便的血壓計有利于人們盡早發(fā)現(xiàn)和鑒別各類血壓病癥，及時就醫(yī)。電子血壓計具有成本低、小型化、功耗低、自動化程度高的優(yōu)點，在使用上帶來了便攜和易操作的特點，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(shè)計方法。

1 示波法原理

示波法又稱為壓力振蕩法，其工作過程是先將袖帶充氣以阻斷動脈血流，然后在放氣過程中檢測袖帶內(nèi)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，脈搏波消失，隨著袖帶壓力下降，脈搏開始出現(xiàn)。當袖帶壓力從高于收縮壓降到收縮壓Ps以下時，脈搏波會突然增大，在平均壓Pm時幅值達到最大。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(jù)脈搏波幅度與袖帶壓力之間的關(guān)系來估計血壓的。脈搏波最大值對應(yīng)的是平均壓，收縮壓Ps和舒張壓Pd分別由對應(yīng)脈搏波最大幅值的比例來確定。

測量血壓時，隨著袖帶壓力的下降血管由阻斷變導(dǎo)通，這一過程會在袖帶中產(chǎn)生一系列的小脈沖。將小脈沖拾取出來，將其峰值連成曲線，得出包絡(luò)線，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(shù)法。波形特征法基本原理是利用脈搏波包絡(luò)線的拐點測量血壓，上升時拐點對應(yīng)的靜壓力為收縮壓，下降時拐點對應(yīng)的靜壓力為舒張壓。這種方法測量的個體適應(yīng)性較差，測量精度不穩(wěn)定，已逐漸被幅度系數(shù)法所替代。

幅度系數(shù)法又稱“歸一法”。它是將脈搏波振動信號的幅值與信號的最大幅值相比進行歸一化處理，通過確定收縮壓和舒張壓的歸一化系數(shù)來識別收縮壓與舒張壓，如圖3所示。其中，As為收縮壓對應(yīng)的脈搏波幅度，Am為平均壓所對應(yīng)的脈搏波的幅度，Ad為舒張壓對應(yīng)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，橫坐標代表放氣過程中袖帶內(nèi)壓力的不斷減小。As／Am=C1，Ad／Am=C2，分別對應(yīng)收縮壓和舒張壓的位置。根據(jù)測得的脈搏波幅值和對應(yīng)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(shù)為0.46～0.64，舒張壓的幅度系數(shù)為0.43～0.73。

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

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

心率指心臟每分鐘搏動的次數(shù)。由于心臟與脈搏搏動一致，所以在測量血壓的同時可以測得心率。測定心率的關(guān)鍵是判斷脈搏波的峰值，然后根據(jù)一定時間內(nèi)有多少個脈搏波計算出心率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖4所示，系統(tǒng)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、鍵盤模塊及液晶顯示模塊等。

氣動電路主要完成對外界施加壓力的控制及壓力信號數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)及血壓歷史記錄；鍵盤模塊用于系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)的輸入。

2.2 氣動電路

氣動電路由袖帶、氣泵、壓力傳感器和放氣閥構(gòu)成，它們構(gòu)成一個四聯(lián)通的結(jié)構(gòu)。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(qū)動芯片直接控制，完成測量時候的充放氣。

2.2.1 壓力傳感器

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

MPXVS050GP壓力傳感器內(nèi)部含有信號運放和信號調(diào)節(jié)功能，具有良好的線性度，輸出電壓與所加壓力成正比關(guān)系，可以進行片上補償，并且其溫度補償特性能克服半導(dǎo)體壓力敏感器件存在的溫度漂移問題。它可以直接將動脈血液對血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為0～4.7 V的電信號，對應(yīng)的血壓值為0～375 mmHg，與血壓計的設(shè)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、輸出線性對應(yīng)關(guān)系。

2.2.2 驅(qū)動電路設(shè)計

圖6為氣路驅(qū)動電路。HLPM30A氣泵和HLV01A電磁閥的工作驅(qū)動電流分別為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(shù)字I／O輸出電流不能滿足要求。因此，為給氣泵和電磁閥提供合適的驅(qū)動電流，采用可輸出500 mA電流的達林頓管ULN2803驅(qū)動電路來驅(qū)動氣泵和電磁閥工作，分別利用ULN2803的第1路、第2路來驅(qū)動電磁閥和氣泵。

2.2.3 濾波放大電路

從壓力傳感器出來的信號是脈搏信號和靜壓信號的混合信號，還夾雜著來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(zhuǎn)換器進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，得到靜壓信號數(shù)據(jù)；另一路通過帶通濾波放大電路后進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，得到放大的脈搏信號數(shù)據(jù)。

如圖7所示，濾波器由2個決定截止頻率的RC網(wǎng)絡(luò)組成。這兩個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(shè)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(jù)壓力傳感器MPXV5050GP的傳遞函數(shù)，這個壓力信號轉(zhuǎn)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)過試驗測試，將放大器的放大倍數(shù)設(shè)定為150，使得信號變化范圍定位在LM3S1138的A／D轉(zhuǎn)換靈敏度較高的區(qū)域，可以提高數(shù)據(jù)采集的精度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)工作主流程

系統(tǒng)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(shù)據(jù)進行分析，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(shù)據(jù)。系統(tǒng)最多可以對16組數(shù)據(jù)資料進行存儲，每組可存331條記錄。

查看記錄操作模式下，可以調(diào)出16組血壓數(shù)據(jù)列表或生成日、周、月血壓情況的折線圖，便于對某一段時期血壓變化情況進一步的觀察和分析。

3.2 血壓測量流程

血壓測量采集和處理過程中，有以下幾組重要的序列和數(shù)據(jù)。設(shè)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，氣泵自動加壓進行充氣，當袖帶中壓力至大于或等于200 mmHg，無脈搏信號出現(xiàn)時，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，則記錄此時的脈搏信號值和靜壓信號值，以及從上一個峰值到當前時刻的時間差，分別生成序峰值序列peak_BP[i]和峰值時間間隔序列time_peak[i]。一般，當袖帶壓力Pc≤60 mmHg時，脈搏信號峰值消失，當連續(xù)4 s內(nèi)檢測不到脈搏信號峰值，系統(tǒng)退出本次血壓測量。

3.3 血壓和心率計算流程

示波法血壓測量沒有完善的理論推導(dǎo)，使得特征點的確定只能依賴采集樣本的統(tǒng)計歸納，因而示波法測量血壓是基于統(tǒng)計的方法，有一定的離散性。如圖10所示，數(shù)據(jù)處理過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(shù)據(jù)進行濾除噪點處理優(yōu)化，增加原始數(shù)據(jù)的線性度。

心跳周期，指2個脈搏波峰值的時間間隔。為提高結(jié)果的準確性，對放氣過程中的峰值時間間隔序列time_peak[i]取算數(shù)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(yīng)的靜壓值。通過對濾波處理的峰值序列相鄰數(shù)據(jù)進行比較，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(jù)幅值系數(shù)法原則，Ps／Pm=Ks和Pd／Pm=Kd。由于收縮壓和舒張壓在靜壓曲線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(yīng)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(yī)學(xué)臨床普遍采用的幅度系數(shù)數(shù)值，即Ks=0.48，Kd=0.58。

4 實驗結(jié)果及分析

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

由表1實驗數(shù)據(jù)可以看出，本電子血壓計測量結(jié)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(yī)療保健中應(yīng)用。