數(shù)字化血壓監(jiān)護儀參考設計

血壓監(jiān)護儀簡介

　　血壓監(jiān)護儀是當血液被泵離心臟時用來測量動脈壓力的設備。其組成部分包括：電源、電機、存儲器、壓力傳感器和用戶接口(包括顯示屏、小鍵盤或觸摸板、發(fā)聲裝置以及可選的USB或ZigBee通訊接口)等。圖1所示為飛思卡爾的血壓監(jiān)護儀參考設計RDQE128BPM。

　　圖1 血壓監(jiān)護儀參考設計RDQE128BPM

　　如何進行血壓測量

　　當包裹著患者手臂周圍的袖套被慢慢放走時，袖套中壓力的小變化可以被察覺。這些壓力的波動由患者的心律周期產(chǎn)生，接著它通過一個1Hz的高通濾波后被放大和偏移，產(chǎn)生血壓曲線。如圖2所示。這個新信號就是心跳信號。

　　使用前面所述心跳檢測方法，可以通過簡單的示波計法來測量血管收縮壓(SBP)和血管舒張壓(DBP)，這種方法被大多數(shù)自動非介入式血壓監(jiān)護設備所采用。當袖套被充氣至收縮壓以上，然后緩慢放氣時，袖套中壓力變化的幅度被測量。當壓力低于血管的收縮壓時，這一幅度會突然增加。當袖套中壓力進一步下降時，該脈沖幅度達到最大值并快速減小。舒張壓是在這一快速變化的開始時被獲得的。因此SBP和DBP是通過定義脈沖幅度的快速上升區(qū)域(SBP)和下降區(qū)域(DBP)來獲得的。平均動脈血壓(MAP)就在最大幅度處。

　　測量SBP和DBP能幫助診斷通常的高血壓，但是僅僅靠臨床監(jiān)護不能區(qū)分兩種通常類型的高血壓。

　　原發(fā)性高血壓

　　原發(fā)性高血壓是沒有明確的原因或可被糾正的原因而引起的高血壓。對原發(fā)性高血壓的判斷是收縮壓持續(xù)高于140mmHg或舒張壓持續(xù)高于90mmHg。

　　白大褂高血壓

　　白大褂高血壓是指僅當處在不同于一般家庭環(huán)境的高度壓力的環(huán)境中而顯現(xiàn)的高血壓癥狀，如在診所或醫(yī)生辦公室引發(fā)的高血壓癥狀?；加邪状蠊痈哐獕旱娜嗽谠\所環(huán)境下測量的血壓讀數(shù)偏高，但是離開診所后血壓讀數(shù)就恢復正常了。白大褂高血壓可能被誤診為原發(fā)性高血壓，這導致了不必要的治療和額外保險費用的增加。為此，醫(yī)學專家們通常建議在家進行幾周的測量以確定診斷結果。因此，便攜式、易于使用的血壓計在家庭里變得普及。

　　模數(shù)轉換精度

　　如圖1所示，微控制器(MCU)和壓力傳感器是血壓計的核心技術。RDQE128BPM參考設計也說明了在這一應用中最重要的是MCU模塊上的ADC。飛思卡爾控制器片上的ADC模塊是逐次逼近型ADC，包含用于獲取輸入電壓的采樣鎖存電路、一個比較器、一個逐次逼近型寄存器子電路和一個內部參照電壓電容式DAC。

　　血壓監(jiān)護儀需要測量很小的信號，因此ADC分辨率通常是一個關鍵參數(shù)，如10位，12位或16位分辨率，這也是為應用設計選擇MCU的重要因素。同樣重要的還有ADC的精度。所有的ADC有其固有的不準確性，因為他們通過離散的步驟(量化)來數(shù)字化信號。因此，數(shù)字輸出不能完美地反映模擬輸入信號。例如，一個12位的轉換器將為一個最大5V的輸入電壓 提供1.22mV最低有效位(LSB)。因此，ADC僅能將數(shù)值數(shù)字化到1.22mV的倍數(shù)。在這個例子中，它表明最佳測量永遠不能比±0.5個最低有效位LSB(±610µV)更為精確。

　　不幸的是，一些其他嵌入式ADC特性引入了誤差并降低了其精度，這些特性包括偏移、溫度漂移和非線性等。一些ADC如Flexis產(chǎn)品使用的16位ADC具有通過校準減小偏移和增益誤差的能力。ADC通道上的片上溫度傳感器可使溫度補償?shù)靡跃唧w化。

　　ADC的有效比特位(ENOB)是分辨率和精度的真實指標。這個數(shù)值表明了在一個特定系統(tǒng)中有多少比特提供了準確信息。它可以通過下面的公式計算：

　　ENOB=(SNR-1.76dB)/6.02dB

　　這里， SNR(信噪比)是有意義信息(信號)和背景噪音(噪音或誤差)之間的比率。信噪比值不僅受到ADC設計和芯片集成的影響，也受到印刷電路板(PCB)設計、布線和所選附加離散元器件的影響。一個大的信噪比值意味著更多的信號是數(shù)據(jù)并且誤差很小，這能改進當測量微伏級變化的信號時測量結果的精度。

　　提高精度

　　在ADC的輸入端增加少量受控的“抖動”噪聲信號(如0.5 LSB 高斯白噪聲)，能夠影響信號在最接近最小分辨率的一位上下變動，通過這種方法可避免再去四舍五入。轉換的最低有效位的狀態(tài)隨機在0~1之間抖動，而不是固定在一個數(shù)值上。通過引入微小噪聲，可擴展ADC能夠轉換信號的有效范圍，而不是簡單去除在這個低水平上的所有信號。同樣，這在整個范圍內都引入了量化誤差。抖動僅僅增加了分辨率，改善了線性度，但是并沒有提高精度。然而，通過在信號里增加1~2位最低有效位的噪聲并且采用過采樣的技術可以提高精度。

　　過采樣是通過一個比Nyquist 采樣頻率顯著提高的采樣率來采集信號的過程。實際上，過采樣被用來獲取高分辨的ADC轉換器。例如，使用運行于256倍目標采樣率的12位轉換器就可進行16位轉換。對每一個附加分辨率位，信號必須過采樣4倍。因為現(xiàn)實世界的ADC不能進行不間斷的轉換，輸入值應當在轉換器進行轉換期間保持一定。

　　采樣和保持電路通過這種方法來完成這樣一個任務：用一個電容貯存輸入端的模擬電壓，并用一個電子開關來使電容從輸入端斷開。使用設置好最適合輸入信號的采樣和保持時間的ADC，對改進轉換結果的精度很有幫助。

　　將噪聲耦合和過采樣結合在一起能進一步改善精度。如圖3所示。這一技術通常被認為是過采樣和抽取濾波。頂部的曲線圖表示了ADC轉換器隨時間產(chǎn)生的結果，并且顯示了如果不采用附加噪聲，單獨使用過采樣會是怎樣的結果。通過增加1~2個LSB噪聲，如在底部垂直線表示的那樣，同時進行的采樣不會有同樣的結果。這個方法增加了信噪比并且提高了有效比特位。 通過在輸入信號處增加1~2個LSB噪聲和過采樣，結果被平均以后可以提供一個更精確的值。從ADC測量中獲得的平均數(shù)據(jù)，它使輸入信號中的毛刺變平，從而具有減小信號波動和噪聲的優(yōu)點。

　　還有四個可以管理的誤差來源：偏移、增益、漏電流和較小范圍的溫度。一些嵌入式MCU片上的ADC模塊，如新的Flexis產(chǎn)品上的16位ADC，具有硬件校準特性，能在代碼執(zhí)行期間反復進行校準。不具有硬件校準的嵌入式ADC模塊仍然能進行校準，但這必須在工廠中完成，或者有為產(chǎn)品設計的方案。