醫(yī)療級(jí)別血壓計(jì)設(shè)計(jì)方案

方案概述

電子血壓計(jì)具有無(wú)創(chuàng)性/操作簡(jiǎn)單/使用方便等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。血壓計(jì)，可以快捷的獲得患者的血壓，脈搏等體征參數(shù)，方便患者。

血壓計(jì)方案的核心芯片是SILICON LABS的SOC芯片C8051F930。

方案設(shè)計(jì)集成了一個(gè)高速的51內(nèi)核，8路10 位A/D,3個(gè)8/16定時(shí)器，4K RAM ，64K FLASH。可以單節(jié)或雙節(jié)供電，有SLEEP,IDLE等工作模式，最低電流消耗1uA，。可以非常好的滿足醫(yī)療產(chǎn)品體積小，功耗低，RAM相對(duì)較大，運(yùn)算快的要求。

系統(tǒng)架構(gòu)框圖

測(cè)量原理：

血壓計(jì)方案血壓測(cè)量采用顯波法， 示波法又稱為壓力振蕩法。

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(cè)袖帶內(nèi)的氣體壓力并提取微弱的脈搏波。如下圖所示，當(dāng)袖帶壓力P遠(yuǎn)高于收縮壓時(shí)，脈搏波消失，隨著袖帶壓力下降，脈搏開(kāi)始出現(xiàn)。當(dāng)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(dá)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(cè)量就是根據(jù)脈搏波幅度與袖帶壓力之間的關(guān)系來(lái)估計(jì)血壓的。脈搏波最大值對(duì)應(yīng)的是平均壓Pm，收縮壓Ps和舒張壓Pd分別由對(duì)應(yīng)脈搏波最大幅值的比例來(lái)確定。

測(cè)量血壓時(shí)，隨著袖帶壓力的下降血管由阻斷變導(dǎo)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，得出包絡(luò)線，。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(diǎn)測(cè)量血壓，上升時(shí)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的靜壓力為收縮壓，下降時(shí)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的靜壓力為舒張壓。這種方法測(cè)量的個(gè)體適應(yīng)性較差，測(cè)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(dòng)信號(hào)的幅值與信號(hào)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(shù)來(lái)識(shí)別收縮壓與舒張壓，如圖3所示。其中，As為收縮壓對(duì)應(yīng)的脈搏波幅度，Am為平均壓所對(duì)應(yīng)的脈搏波的幅度，Ad為舒張壓對(duì)應(yīng)的脈搏波幅度，As/Am為收縮壓Ps的歸一化值，Ad/Am為舒張壓Pd的歸一化值，Pc為袖帶壓力，橫坐標(biāo)代表放氣過(guò)程中袖帶內(nèi)壓力的不斷減小。As/Am=C1，Ad/Am=C2，分別對(duì)應(yīng)收縮壓和舒張壓的位置。根據(jù)測(cè)得的脈搏波幅值和對(duì)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。

血壓/脈搏判斷方法：

收縮壓判據(jù)的確定：在充氣過(guò)程中脈搏波幅度包絡(luò)線的上升段，當(dāng)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(rèn)為此時(shí)對(duì)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(dāng)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(rèn)為此時(shí)對(duì)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(dòng)的次數(shù)。由于心臟與脈搏搏動(dòng)一致，所以在測(cè)量血壓的同時(shí)可以測(cè)得心率。測(cè)定心率的關(guān)鍵是判斷脈搏波的峰值，然后根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)有多少個(gè)脈搏波計(jì)算出心率。

硬件電路：

氣動(dòng)部分：

氣動(dòng)電路由袖帶、氣泵、壓力傳感器和放氣閥構(gòu)成。壓力傳感器輸出的兩路信號(hào)分別經(jīng)過(guò)濾波，放大后與主控制器兩路A/D相接，完成靜壓信號(hào)和脈搏信號(hào)的測(cè)量;氣泵和放氣閥由主控制器經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片直接控制，完成測(cè)量時(shí)候的充放氣。

壓力傳感部分：

人體生理信號(hào)的特點(diǎn)是低頻小信號(hào)，一般是μV～mV級(jí)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，本方案選擇US9111傳感器配合兩路精心設(shè)計(jì)的濾波放大電路獲得較高質(zhì)量的信號(hào)。

濾波放大部分：

從壓力傳感器出來(lái)的信號(hào)是脈搏信號(hào)和靜壓信號(hào)的混合信號(hào)，還夾雜著來(lái)自外界的高頻干擾和直流或低頻分量。靜壓信號(hào)屬低頻信號(hào)，頻率小于或等于0.04 Hz，脈搏信號(hào)頻率一般約為1 Hz。將混合信號(hào)分為兩部分，一路經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波電路后連接A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，得到靜壓信號(hào)數(shù)據(jù);另一路通過(guò)另一路濾波放大電路后進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，得到放大的脈搏信號(hào)數(shù)據(jù)。具體電路如圖

此電路不僅可以提取出所需的脈搏信號(hào)，還對(duì)微弱的脈搏信號(hào)進(jìn)行了放大。脈搏信號(hào)的強(qiáng)度因人而異，但一般范圍為1～3 mmHg。

性能優(yōu)勢(shì)

●方案采用低功耗設(shè)計(jì), 用2節(jié) AAA 電池供電,供電電壓/DC 3V

●電流消耗：

氣泵充氣狀態(tài)： 32mA

放氣放氣測(cè)量狀態(tài)： 21mA

休眠狀態(tài)： 20uA

●使用微電子氣泵控制系統(tǒng)全自動(dòng)加壓/泄壓，自動(dòng)完成血壓/脈博測(cè)量，及測(cè)量結(jié)果的顯示。