基于示波法的電子血壓計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備家庭化逐漸成為趨勢(shì)，其中家用血壓計(jì)就是典型的家庭醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備。目前較為常用的血壓計(jì)是水銀血壓計(jì)，對(duì)普通用戶，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(yī)院測(cè)量血壓，十分不方便。測(cè)量準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便的血壓計(jì)有利于人們盡早發(fā)現(xiàn)和鑒別各類血壓病癥，及時(shí)就醫(yī)。電子血壓計(jì)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(bǔ)了水銀血壓計(jì)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(hào)采集器的電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)方法。

1 示波法原理

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。如圖1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，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，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(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(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。

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。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(bào)警電路、存儲(chǔ)模塊、鍵盤模塊及液晶顯示模塊等。

氣動(dòng)電路主要完成對(duì)外界施加壓力的控制及壓力信號(hào)數(shù)據(jù)的采集；放大濾波電路主要完成從混合血壓信號(hào)中濾出脈搏信號(hào)，并對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行放大；存儲(chǔ)模塊主要用于測(cè)量記錄的存儲(chǔ)；報(bào)警電路用于異常情況下的聲光報(bào)警提示；顯示模塊用于顯示血壓測(cè)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(dòng)電路

氣動(dòng)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(gè)四聯(lián)通的結(jié)構(gòu)。壓力傳感器輸出的兩路信號(hào)分別與主控制器兩路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。

2.2.1 壓力傳感器

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。

MPXVS050GP壓力傳感器內(nèi)部含有信號(hào)運(yùn)放和信號(hào)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(jìn)行片上補(bǔ)償，并且其溫度補(bǔ)償特性能克服半導(dǎo)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(duì)血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為0～4.7 V的電信號(hào)，對(duì)應(yīng)的血壓值為0～375 mmHg，與血壓計(jì)的設(shè)計(jì)要求非常匹配，因此特別適合示波法壓力測(cè)量。圖5為MPXV5050GP壓力傳感器輸入、輸出線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖6為氣路驅(qū)動(dòng)電路。HLPM30A氣泵和HLV01A電磁閥的工作驅(qū)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(hào)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(dòng)電流，采用可輸出500 mA電流的達(dá)林頓管ULN2803驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)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(qū)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(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。雖然所選的壓力傳感器具有放大功能，但是對(duì)脈搏振蕩信號(hào)的放大有限，因此主要是靜壓信號(hào)。將混合信號(hào)分為兩部分接入LM3S1138控制器，一路直接連接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)帶通濾波放大電路后進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，得到放大的脈搏信號(hào)數(shù)據(jù)。

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(jì)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(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。根據(jù)壓力傳感器MPXV5050GP的傳遞函數(shù)，這個(gè)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)為12～36 mV。由于濾波器在1 Hz信號(hào)處衰減10 dB，因此振蕩波信號(hào)變成3.8～11.4 mV。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，將放大器的放大倍數(shù)設(shè)定為150，使得信號(hào)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(jì)

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(cè)量工作模式為默認(rèn)模式。

血壓測(cè)量模式下，完成血壓的測(cè)量顯示，并對(duì)測(cè)得的血壓數(shù)據(jù)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(cuò)誤測(cè)量等)，立即進(jìn)行報(bào)警提示。報(bào)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(cè)量完畢后，提示是否保存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)最多可以對(duì)16組數(shù)據(jù)資料進(jìn)行存儲(chǔ)，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(duì)某一段時(shí)期血壓變化情況進(jìn)一步的觀察和分析。

3.2 血壓測(cè)量流程

血壓測(cè)量采集和處理過(guò)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(hào)序列為{statk_BP[i]，i=0，1，…，n-1)，脈搏信號(hào)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(cè)量模式下，氣泵自動(dòng)加壓進(jìn)行充氣，當(dāng)袖帶中壓力至大于或等于200 mmHg，無(wú)脈搏信號(hào)出現(xiàn)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(hào)值，在檢測(cè)到第1個(gè)峰值后，以周期為5 ms采集脈搏信號(hào)值和靜壓信號(hào)值，分別獲得靜壓信號(hào)序列static_BP[i]和脈搏信號(hào)序列pluse_BP[i]，并判斷采集的脈搏信號(hào)值是否為峰值。若是峰值，則記錄此時(shí)的脈搏信號(hào)值和靜壓信號(hào)值，以及從上一個(gè)峰值到當(dāng)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(dāng)袖帶壓力Pc≤60 mmHg時(shí)，脈搏信號(hào)峰值消失，當(dāng)連續(xù)4 s內(nèi)檢測(cè)不到脈搏信號(hào)峰值，系統(tǒng)退出本次血壓測(cè)量。

3.3 血壓和心率計(jì)算流程

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

濾波處理主要用于對(duì)峰值序列peak_BP[i]中相鄰跳變較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾除噪點(diǎn)處理優(yōu)化，增加原始數(shù)據(jù)的線性度。

心跳周期，指2個(gè)脈搏波峰值的時(shí)間間隔。為提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)放氣過(guò)程中的峰值時(shí)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(hào)的包絡(luò)的峰值位置對(duì)應(yīng)的靜壓值。通過(guò)對(duì)濾波處理的峰值序列相鄰數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以得到脈搏信號(hào)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(hào)峰值包絡(luò)確定，可得出：peak_BP[b]／max_peak=Ks和peak_BP[c]／max_peak=Kd。對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

選取3組測(cè)量者，采用重復(fù)和對(duì)比的方法，對(duì)同一個(gè)測(cè)量者在同一時(shí)期分別使用本電子血壓計(jì)和水銀血壓計(jì)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析，以觀察測(cè)量結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性，如表1所列。

由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，本電子血壓計(jì)測(cè)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。