一種具有遠(yuǎn)程傳輸能力的新型血壓Holter

引言

高血壓是嚴(yán)重威脅人類身體健康的慢性疾病之一。動(dòng)脈血壓作為人體最重要的生命指征之一, 對(duì)高血壓疾病的診斷、危重病人的監(jiān)護(hù)具有重要的價(jià)值。由于動(dòng)態(tài)血壓比偶測血壓具有較多優(yōu)勢因而得到了越來越廣泛的應(yīng)用, 目前國內(nèi)已研究開發(fā)出一些動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測Holter 系統(tǒng)[1 - 3 ] 。近年來, 隨著醫(yī)療體制改革的深入, 社區(qū)醫(yī)療、家庭護(hù)理模式正逐步興起, 迫切需要大量適用于家庭、社區(qū)診所使用的醫(yī)療設(shè)備, 而具有遠(yuǎn)程通信能力是這類設(shè)備的共同特征。針對(duì)現(xiàn)有血壓Holter 缺乏遠(yuǎn)程的傳輸能力, 存儲(chǔ)空間有限的問題, 最近我們結(jié)合掌上電腦小巧靈活、計(jì)算能力較強(qiáng)、支持遠(yuǎn)程通信的特點(diǎn),研制成功了一種具有遠(yuǎn)程傳輸能力的新型血壓Holter。本文介紹整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 總體設(shè)計(jì)

血壓測量方法目前主要有柯氏音法和振動(dòng)法(oscillometric method) 兩種。由于振動(dòng)法較柯氏音法具有抗干擾能力強(qiáng), 測量可靠, 便于實(shí)現(xiàn)血壓自動(dòng)檢測的優(yōu)點(diǎn), 本研究選擇采用了振動(dòng)法[3 ] 。為了增加儀器的遠(yuǎn)程傳輸和存儲(chǔ)能力, 本研究進(jìn)一步引入了掌上電腦。整個(gè)血壓Holter 由血壓檢測模塊和掌上電腦兩部分組成。其中, 檢測模塊是一內(nèi)置微處理器的智能模塊, 負(fù)責(zé)氣泵的充放氣控制和袖套內(nèi)壓力信號(hào)的檢測、放大與采集; 掌上電腦負(fù)責(zé)充放氣閾值與測量間隔等測量參數(shù)的設(shè)置, 血壓波形數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)以及記錄波形、數(shù)據(jù)的回放和遠(yuǎn)程傳輸。我們選用的是聯(lián)想天璣2000 掌上電腦, 它的主要配置為32 位RISC、主頻為75MHz 的Philips PR31700 處理器, 8M 隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM) , 16M 只讀存儲(chǔ)器(ROM) 和240 ×320 帶EL 背景光和壓感輸入的液晶屏幕。其它配置包括內(nèi)置麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器及33.6Kbps 軟Modem , RS232 擴(kuò)展口以及手寫輸入筆等。此外, 整機(jī)不含電池重量僅為230 克。上述配置能很好地滿足血壓參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測的要求。圖1 為整個(gè)血壓Holter 的功能框圖, 檢測模塊與掌上電腦之間通過RS232 接口實(shí)現(xiàn)通信, 而掌上電腦利用其內(nèi)置調(diào)制解調(diào)器, 通過電話線與中心站服務(wù)器建立遠(yuǎn)程通信。

圖1 血壓Holter 功能框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)硬件電路由壓力信號(hào)檢測、充放氣控制、微處理器和通信接口電路各部分組成。這里重點(diǎn)介紹血壓信號(hào)檢測電路、微處理器和電源電路。

2.1 血壓信號(hào)檢測電路

由于血壓信號(hào)幅度小, 壓力傳感器的選擇十分關(guān)鍵。我們選用美國SMI 公司生產(chǎn)的SMI5310 表面安裝微型壓力傳感器, 測壓范圍為0～5psi ( (0～35kPa) , 具有靈敏度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn), 能很好滿足血壓測量范圍的要求。由于測量時(shí)壓力傳感器獲得的信號(hào)是袖帶充放氣和動(dòng)脈搏動(dòng)產(chǎn)生的復(fù)合壓力信號(hào), 且脈搏波信號(hào)遠(yuǎn)小于充放氣產(chǎn)生的壓力信號(hào), 為了提取血壓信號(hào), 我們進(jìn)一步設(shè)計(jì)了血壓檢測電路(圖2) 。壓力傳感器輸出信號(hào)首先被送到前置放大器放大。AD620 是一種高性能儀表放大器, 它具有精度高、功耗低、共模抑制比高、增益控制簡單的特點(diǎn), 非常適合于生理信號(hào)放大以及在電池供電條件下使用。因此, 我們選擇作為前置放大器。根據(jù)壓力傳感器滿量程輸出電壓和后述APD轉(zhuǎn)換器輸入量程電壓, 最后確定前置放大器的放大倍數(shù)為25 倍。為了消除由于病人活動(dòng)可能給測量帶來的影響, 前置放大器輸出信號(hào)被送到低通濾波器, 消除高頻干擾。低通濾波器輸出一路被送到APD 轉(zhuǎn)換器通道1 , 另一路被繼續(xù)送到高通濾波器, 檢出的脈搏波信號(hào)最后經(jīng)放大后被送到APD轉(zhuǎn)換器通道2。這里我們充分利用了混合信號(hào)中脈搏波信號(hào)和袖帶充放氣壓力信號(hào)在頻率和幅度上的差異。由于脈搏波信號(hào)遠(yuǎn)小于袖帶充放氣壓力信號(hào), 因此低通濾波器輸出可直接作為監(jiān)測袖套內(nèi)“靜態(tài)”壓力的指征。而由于充放氣壓力信號(hào)的頻率比較低, 因此利用高通濾波器就可以從混合信號(hào)中方便地檢出脈搏波信號(hào)。上述各放大和濾波電路均采用通用運(yùn)算放大器LM324 , 這樣只用一片IC就可實(shí)現(xiàn)血壓信號(hào)的檢測。最后, 確定低通和高通濾波器的截止頻率分別為20Hz 和0.5Hz。

圖2 血壓信號(hào)檢測電路框圖

2.2 微處理器

微處理器是整個(gè)血壓檢測模塊的中心, 它實(shí)現(xiàn)充放氣控制、血壓信號(hào)實(shí)時(shí)采集處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及與掌上電腦之間的數(shù)據(jù)傳輸。為了滿足上述要求, 同時(shí)考慮到血壓Holter 長時(shí)間工作和隨身攜帶的特點(diǎn), 最后我們選用了美國TI 公司新近推出的MSP430F149 微處理器[4 ] 。該微處理器具有低電壓工作、多種省電工作模式、內(nèi)置多路12 位高速APD 轉(zhuǎn)換器、Flash 存儲(chǔ)器、雙路定時(shí)計(jì)數(shù)器、UART通信接口和支持現(xiàn)場編程等突出特點(diǎn)。這些使得它非常適合應(yīng)用于信號(hào)采集系統(tǒng)、電池供電便攜式裝置、超長時(shí)間連續(xù)工作的設(shè)備等領(lǐng)域。本儀器中我們利用Timer A 和Timer B 定時(shí)中斷, 結(jié)合APD 轉(zhuǎn)換器通道1 和通道2 記錄袖帶內(nèi)和脈搏波壓力信號(hào), 利用PORTA. 1 和PORTA. 2 兩個(gè)IPO 口去控制氣泵的充氣和氣閥的放氣, 利用UART 串行接口實(shí)現(xiàn)與掌上電腦的數(shù)據(jù)通信。

2.3 電源設(shè)計(jì)

血壓Holter 屬于電池供電、超長時(shí)間連續(xù)工作的便攜式儀器, 電源設(shè)計(jì)十分重要。本研究采用2節(jié)5 號(hào)電池, 結(jié)合升壓與穩(wěn)壓器件, 確保了系統(tǒng)的長時(shí)穩(wěn)定供電。首先利用高效率低噪音電荷泵DC- DC 變換器TPS60100 將寬輸入范圍1.8～3.6V 變換到3.8V。然后, 利用低壓差線性穩(wěn)壓芯片TPS76033 產(chǎn)生3.3V 穩(wěn)壓, 其輸出送到ADM660 產(chǎn)生- 3.3V 穩(wěn)壓, 作為運(yùn)算放大器的負(fù)電源。

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)血壓Holter 軟件包括微處理器和掌上電腦兩部分。為了提高開發(fā)效率, 微處理器程序采用嵌入式C 語言編程, 它實(shí)現(xiàn)充放氣控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和傳送。掌上電腦程序在Win CE310 中文操作系統(tǒng)上采用Microsoft Embedded Visual Tools 開發(fā), 它實(shí)現(xiàn)測量參數(shù)設(shè)置、波形實(shí)時(shí)分析、波形瀏覽、參數(shù)統(tǒng)計(jì)與遠(yuǎn)程傳輸。血壓測量時(shí)微處理器和掌上電腦的程序流程框圖分別如圖3A 和圖3B 所示。下面我們介紹血壓測量數(shù)據(jù)采集、分析和電源管理和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

3.1 數(shù)據(jù)采集

掌上電腦進(jìn)入測量程序后, 設(shè)置充放氣閾值和測量間隔時(shí)鐘, 定時(shí)通過串口向微處理器發(fā)出測量指令, 喚醒微處理器使其從低功耗等待狀態(tài)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。微處理器首先通過IPO 口啟動(dòng)氣泵、關(guān)閉氣閥給袖帶充氣, 期間通過定時(shí)器Timer A 中斷啟動(dòng)APD 轉(zhuǎn)換器通道1 監(jiān)測袖帶內(nèi)壓力變化; 待袖套內(nèi)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)充氣閾值后, 微處理器關(guān)閉氣泵, 袖帶由于氣路中設(shè)計(jì)的“針孔”而緩慢放氣,期間微處理器又通過定時(shí)器Timer A 和Timer B 中斷分別啟動(dòng)APD 轉(zhuǎn)換器通道1 和通道2 記錄袖帶內(nèi)壓力信號(hào)和脈搏波信號(hào), 并將脈搏波數(shù)據(jù)存入微處理器的Flash memory 中; 待袖套內(nèi)壓力降到放氣預(yù)設(shè)值后, 微處理器打開氣閥, 快速釋放袖帶內(nèi)的氣體, 將Flash Memory 記錄的脈搏波數(shù)據(jù)傳送給掌上電腦, 最后將工作時(shí)鐘切換到低頻晶振, 重新進(jìn)入低功耗等待模式。

3.2 數(shù)據(jù)分析

掌上電腦接收到微處理器送來當(dāng)次測量信號(hào)后, 對(duì)波形進(jìn)行分析, 計(jì)算出收縮壓、舒張壓和平均壓, 并將測量時(shí)刻、測得參數(shù)和波形一起存儲(chǔ)。根據(jù)比例法動(dòng)脈血壓測定原理, 脈動(dòng)壓力波包絡(luò)的最大值幅度Am 與拐點(diǎn)幅度As、Ad 之間有比例關(guān)系[5 ] :

AsPAm = C1 (1)
AdPAm = C2 (2)

其中: C1 、C2 為常數(shù)。因此, 只要知道濾波后壓力脈動(dòng)波脈幅Ai 及相應(yīng)的靜壓Pi , 由上式即可計(jì)算收縮壓和舒張壓。在實(shí)現(xiàn)過程中, 為使Am測量準(zhǔn)確, 避免偽脈沖, 取脈動(dòng)壓力波符合條件的連續(xù)三個(gè)最大脈沖的均值作為Am。并在檢測過程中作條件判斷[6 ] , 排除測量過程中的異常情況。結(jié)果表明該算法具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

3.3 電源管理

除了在硬件方面盡可能選用低電壓、低功耗器件外, 我們充分利用了MSP430 微處理器提供的低功耗特性, 在軟件上對(duì)微處理器各模塊的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)智能化管理, 進(jìn)一步降低儀器的功耗。MS430F149具有6 種工作模式(1 種活動(dòng)模式(AM) 和5 種低功耗模式(LPM0～LMP4) , 通過對(duì)SR (狀態(tài)寄存器) 中的SCG1、SCG0、OSCOFF、CPUOFF、GIE 位的控制進(jìn)入低功耗模式之一或返回活動(dòng)狀態(tài)。這些位分別控制系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器、CPU 及中斷。其中,為了配合低功耗設(shè)計(jì), MSP430 專門設(shè)計(jì)了LFXT1低頻晶振、XT2 高頻晶振和DCO 數(shù)控振蕩3 個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器, 分別形成ACLK、MCLK和SMCLK 3 個(gè)不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)。在實(shí)際使用時(shí)通過禁止CPU , 關(guān)閉、暫?；蚯袚Q工作模塊的時(shí)鐘來有效實(shí)現(xiàn)MSP430 低功耗特性, 而MSP430 獨(dú)特的中斷喚醒設(shè)計(jì)又使得其能在有外部事件觸發(fā)時(shí)將CPU 從各種低功耗模式中喚醒, 選擇正常工作時(shí)鐘控制微處理器進(jìn)入正?；顒?dòng)模式。在血壓Holter 記錄過程中, 由于絕大部分時(shí)間微處理器處于空閑等待狀態(tài), 因此, 我們充分利用了MSP430 微處理器的上述特性, 在此期間讓CPU 和外部功能模塊處于休眠低功耗狀態(tài), 而開始測量時(shí)利用串行通訊中斷喚醒CPU , 它再選擇正常工作時(shí)鐘, 啟動(dòng)各功能模塊開展工作。

3.4 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸

目前常用的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議主要有TCPPIP 和UDP 兩種。考慮到血壓Holter 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆菍?shí)時(shí)性和TCPPIP 協(xié)議的高可靠特性, 我們選擇采用了TCPPIP 傳輸協(xié)議。進(jìn)一步我們采用客戶機(jī)P服務(wù)器通信模式, 將血壓Holter 作為客戶機(jī), 醫(yī)院遠(yuǎn)程醫(yī)療中心計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器。當(dāng)某血壓Holter 完成記錄需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí), 運(yùn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)程序功能模塊,向遠(yuǎn)端服務(wù)器提出建立連接申請(qǐng)。服務(wù)器應(yīng)用程序通常處于“監(jiān)聽”狀態(tài), 一旦接到客戶機(jī)的申請(qǐng),即對(duì)其進(jìn)行身份驗(yàn)證, 認(rèn)證成功后, 接收數(shù)據(jù), 存入數(shù)據(jù)庫。整個(gè)通信程序由WinSock 實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論與討論

掌上電腦是近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展隨之出現(xiàn)的一種新型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 十分適合開發(fā)各種便攜式醫(yī)療數(shù)據(jù)收集、信息檢索咨詢?cè)O(shè)備。本研究利用掌上電腦, 結(jié)合生理參數(shù)檢測技術(shù)、微電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)研制成功的血壓Holter 較好地解決了現(xiàn)有設(shè)備缺乏遠(yuǎn)程傳輸能力, 應(yīng)用范圍受限的問題, 可廣泛地用于社區(qū)診所、家庭病房、醫(yī)院等多種場合血壓信息的收集, 應(yīng)用前景十分廣闊。該設(shè)備已先后在重慶市北碚國家可持續(xù)發(fā)展實(shí)驗(yàn)區(qū)老年人康復(fù)中心、重慶市大坪醫(yī)院等單位試用, 取得了滿意的效果。設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo): 1) 測量原理: 振動(dòng)法; (2) 測量參數(shù): 收縮壓、舒張壓、平均壓; (3) 袖帶充氣時(shí)間: 10～30s 可選; (4) 測量間隔: 1～60mins 任意設(shè)置; (5) 測量范圍:2.67～36.0kPa (20～270mmHg) ; (6) 傳輸波特率:9600 , 19200bps 可選。

便攜化、網(wǎng)絡(luò)化是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)智能測量設(shè)備的重要發(fā)展方向, 本研究結(jié)合血壓監(jiān)測在這方面作出了一些有益的探索, 下一步將在完善現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上, 實(shí)現(xiàn)與社區(qū)監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)院HIS 系統(tǒng)的集成,使其真正為醫(yī)療、臨床服務(wù)。

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