基于DSP的血壓計設(shè)計與實現(xiàn)

皮喜田 李雙雙 劉洪英（重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400030）

2（重慶大學(xué)生物流變科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400030）

引言

近年來，隨著生活水平的提高和生活壓力的增大，高血壓已成為人類的最大殺手。據(jù)世界衛(wèi)生組織預(yù)測，發(fā)達(dá)國家的高血壓患病率增加了23％，而發(fā)展中國家這類疾病增加了80％［1］。血壓是人們監(jiān)測心腦血管功能狀況的重要參數(shù)，血壓計給人們提供了直觀的血壓生理信息。目前，血壓計的測量技術(shù)發(fā)展成熟，市場上血壓檢測的新產(chǎn)品如雨后春筍。常用的血壓檢測設(shè)備都是基于單片機(jī)設(shè)計的，具有操作簡單、成本低廉等優(yōu)點，但是在處理速度、系統(tǒng)功耗、智能控制上還存在一定的缺陷。血壓檢測關(guān)注的是一段時期內(nèi)血壓的動態(tài)變化，需要連續(xù)動態(tài)地監(jiān)測患者的血壓信息，這對于檢測結(jié)果的存儲容量來說是一種考驗。對于那些長期受到心血管疾病困擾的患者來說，頻繁地奔波于醫(yī)院就診也是一種折磨。因此，研制一種能準(zhǔn)確檢測人體血壓、低功耗、大容量且能進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的血壓檢測設(shè)備來說，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會意義。嵌入式系統(tǒng)醫(yī)用電子中的廣泛運用，數(shù)字信號處理（digital signal prossing，DSP）其低功耗和高運算速度，而被日益廣泛地運用在便攜式醫(yī)療電子設(shè)備當(dāng)中。本研究設(shè)計了一種基于TI公司的TMS320VC5402的新型血壓采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用5402 DSP的片內(nèi)資源和外圍電路的擴(kuò)展功能，實現(xiàn)人體血壓的連續(xù)檢測、顯示和存儲等功能，還具有很強(qiáng)的電源管理和基線調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)硬件主要由電源部分、信號采集部分、外部RAM存儲模塊、USB接口電路［2］和顯示部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的主控芯片采用5402，其豐富的地址和數(shù)據(jù)總線可以方便的對外設(shè)（主機(jī)接口、直接存儲器訪問、多通道緩沖串行口等）進(jìn)行存儲和訪問。信號采集部分包括信號采集、濾波放大和A/D轉(zhuǎn)換等部分。傳感器采集的壓力信號和脈搏波信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送DSP處理，處理后的數(shù)據(jù)送液晶屏顯示并可通過USB送PC機(jī)，用戶可以通過計算機(jī)把采集到的數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)生進(jìn)行會診［3-4］。DSP處理核心模塊如圖2所示。

圖1 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The block diagram of hardware system

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 信號采集部分

人的心臟在射血過程中，主動脈的輸出能加速存在于血管中的整個血液的流動，而血液的慣性則阻礙這個過程，即加速作用只影響到主動脈起始段中的血液，并在此處使壓力升高，引起壓力與脈搏。因此，可以通過檢測人體某些淺表動脈處（橈動脈、頸動脈等）的脈搏波，用壓力傳感器的描記方法，檢測動脈血管直徑的變化，并配合袖套血壓計的收縮壓和舒張壓標(biāo)定，達(dá)到無創(chuàng)傷提取動脈管內(nèi)血壓信息的目的，并計算出心率［5］。其信號采集原理為：當(dāng)心臟射血時，血液流經(jīng)血管對管壁產(chǎn)生壓力和脈搏波，通過壓力傳感器和脈搏波血氧探頭，將壓力信號和脈搏波信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。兩路信號通過DSP控制的二選一開關(guān)選通后，經(jīng)放大濾波送A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送DSP處理，由此得到可以用計算機(jī)進(jìn)行運算的血壓信息，信號采集部分如圖3所示。壓力傳感器選用美國IC SENSOR公司的無創(chuàng)測血壓傳感器，此傳感器采用恒流源和溫度補償方法，具有穩(wěn)定度高、精確度好、成本低和溫漂小的優(yōu)點。脈搏波信號通過橈脈壓力傳感器采集后經(jīng)濾波放大，再通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供DSP處理，采集到的脈搏波信號經(jīng)USB傳送到上位機(jī)顯示，如圖4所示。

圖2 DSP處理核心模塊Fig.2 DSP processing core module

圖3 血壓信號采集模塊原理Fig.3 The block diagram of blood pressure signal acquisition module

圖4 壓力脈搏波波形Fig.4 Pressure pulse waveform

1.2 電源部分

電源是硬件電路中最基礎(chǔ)也最重要的部分，其設(shè)計在一定程度上影響系統(tǒng)的性能，也決定一個產(chǎn)品的質(zhì)量。由于本系統(tǒng)基于手持式醫(yī)用電子檢測設(shè)備，電源部分的性能直接影響到系統(tǒng)工作的待機(jī)時間。系統(tǒng)電源通過一塊諾基亞電池BL-5F供電，由于電池的輸出電壓范圍為3.8～4.2V，所以需要LT1930組成的微型3.3V轉(zhuǎn)5V電源電路，將電池電壓升到5V給系統(tǒng)供電，LT1930輸入電壓范圍為2.6～16V。當(dāng)對電池充電時，液晶顯示正在充電的提示信息，通過實時采集電池的輸出電壓，可以方便用戶對電池的電量進(jìn)行實時了解，以棒圖形狀顯示電池的電量，給用戶一個宏觀的顯示。當(dāng)電池電量不足時，系統(tǒng)可以提醒用戶對電池進(jìn)行充電。

所用的電源需分別給模擬電路和數(shù)字電路供電。單就5402 DSP電源電路的設(shè)計來說，需要兩路供電電壓，即I/O電壓3.3V、內(nèi)核電壓1.8V。對DSP的內(nèi)核電壓和I/O電壓的上電順序也有嚴(yán)格的要求，不同的DSP上電順序是不同的［6］。與大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計一樣，本系統(tǒng)也采用+5V作為主供電系統(tǒng)，因此模擬電路的集成芯片供電用+5V。DSP的+3.3V和+1.8V從+5V經(jīng)過調(diào)壓電路得到，電源管理芯片采用TI公司的TPS73HD318集成芯片。該芯片不僅能提供DSP所需的兩路電壓，而且還能提供一個脈寬為200ms的低脈沖復(fù)位信號，供電系統(tǒng)上電復(fù)位。為了起到系統(tǒng)自動電源管理的作用，DSP通過XF引腳來控制TPS73HD318芯片的使能腳EN。通過對模擬部分輸入AD數(shù)據(jù)的閾值判斷，初步設(shè)定閾值為0x4d8H。如果ADC采樣的數(shù)據(jù)大于該閾值則表明用戶正在進(jìn)行測量；如果小于該閾值，系統(tǒng)工作5min后通過DSP的通用I/O引腳XF發(fā)高電平，關(guān)斷電源輸出，達(dá)到降低功耗的作用，提高電池的待機(jī)壽命。

1.3 血壓測量

采用示波法測量血壓。示波法（oscillometric method）也稱為測振法或振動法，與其他無創(chuàng)測量方法相比，具有操作簡單、實時性強(qiáng)和人為干擾因素少的優(yōu)點［7］。圖5所示的是對袖套充氣加壓到160mmHg、再進(jìn)行緩慢放氣時出現(xiàn)的脈搏，脈搏波的最大幅值對應(yīng)為平均壓，收縮壓和舒張壓由對應(yīng)脈搏波最大振幅的比例而定。此時測得的血壓值與理想值的偏差會較大，需要進(jìn)行校正，而且隨著測量的進(jìn)行，溫度會影響測量電路造成漂移，使采集到的波形信號相應(yīng)地發(fā)生漂移；雖然在元器件選擇和電路設(shè)計上都考慮到了溫度變化所造成的影響，但在實際測量中，溫度的變化還是會對測量造成不小的影響。

圖5 收縮壓和舒張壓對應(yīng)脈搏波最大振幅的比例Fig.5 The ratio of the maximum amplitude pulse wave corresponds to systolic and diastolic blood pressure

1.3.1 壓力校正

在血壓計算過程中，最主要的就是通過算法找到脈絡(luò)中幅值的最高點，即脈搏波峰峰值Pm。在計算收縮壓和舒張壓時，需要根據(jù)經(jīng)驗值來對各自的系數(shù)進(jìn)行定標(biāo)。在計算之后，將測得的結(jié)果與水銀柱血壓計測得結(jié)果進(jìn)行對比試驗，重復(fù)測量1 000次，記錄試驗結(jié)果，利用統(tǒng)計學(xué)軟件SPSS15對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，有

式中，Ps為收縮壓，Pm為平均壓，Pd為舒張壓，a、b為對應(yīng)收縮壓和舒張壓的經(jīng)驗系數(shù)。

重新修正式（1）和式（2）中的經(jīng)驗系數(shù)a、b得到的計算結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)誤差之內(nèi)。

1.3.2 溫度補償

在血壓測量時，脈搏波信號容易受到外界溫度的影響，如血壓計校正之后出現(xiàn)溫度變化，會影響血壓計測量的準(zhǔn)確性。因此，這一過程在減小外界干擾、提高血壓測量準(zhǔn)確度方面具有很重要的意義。溫度對血壓的影響主要體現(xiàn)在溫度對脈搏波傳播的影響，如果在測量前知道了受試者的體溫信息，就可以在原來的算法上補償溫度對血壓測量造成的誤差。這時，假設(shè)在短時間內(nèi)用戶的血壓平穩(wěn)，且沒有情緒上的波動，則測試時的不同溫度是造成血壓變化的顯著因子。在測量血壓之前，先測定受試者的溫度，然后立即測量記錄其血壓值；再人為改變外部溫度，測量并記錄對應(yīng)的血壓信息。在300次試驗后得到一組試驗數(shù)據(jù)，利用SPSS15軟件對溫度與血壓之間的關(guān)系進(jìn)行分析，得到溫度補償后的血壓計算公式即

式中，c和d為對應(yīng)式（1）和式（2）的溫度補償系數(shù)，T為環(huán)境溫度。

經(jīng)過校正和溫度補償，得到血壓計測量的最終結(jié)果，在液晶屏上會顯示所測得的收縮壓、舒張壓與心率值。

1.4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計是基于TI公司專門設(shè)計的DSP編程環(huán)境CCS3.3，軟件是在軟件平臺上用C++語言編寫的，可移植性強(qiáng)。系統(tǒng)軟件由初始化、A/D轉(zhuǎn)換、LCD顯示、USB通信及電源管理部分構(gòu)成。初始化是通過DSP的Bootloader，完成對DSP的外部中斷、A/D轉(zhuǎn)換設(shè)置、I/O口及LCD顯示的設(shè)置；電源管理通過定時來設(shè)置電源芯片的工作狀態(tài)，使其在一定時間的閑置后關(guān)閉系統(tǒng)的電源，可外部中斷EINT0來喚醒DSP控制系統(tǒng)重新復(fù)位工作。通過觸摸屏液晶上的相關(guān)操作，可完成數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示及USB通信。系統(tǒng)控制流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.6 The block of software system

2 系統(tǒng)性能驗證

為了驗證測量的準(zhǔn)確程度，選取了一些樣本，將其測量結(jié)果和人工聽診的柯氏音法進(jìn)行對比［8］。選擇38例24～63歲的正常人作為實驗樣本，其中男性20人、女性18名。首先受試者在安靜狀態(tài)下休息10min，然后用水銀血壓計以柯氏音法測得血壓值為Pk1，休息10min后用所設(shè)計的電子血壓計測得血壓值為Pd，休息10min后再用水銀血壓計重新測量一遍，得血壓值記為Pk2，最后休息10min后再次測量一遍，得血壓值為Pk3，則水銀血壓計的測量值為3次測量的平均值Pk，以其作為水銀血壓計的測量值。最后，將測量值用SPSS15.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果

DSP血壓采集系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確度為86.9％。對本血壓計測量的收縮壓和舒張壓與水銀血壓計測得的相應(yīng)值進(jìn)行比較，其趨勢見圖7?？梢钥闯?，本血壓計的測量結(jié)果與水銀血壓計測得的結(jié)果誤差較小、準(zhǔn)確度較高，基本滿足血壓測量所需的精度要求。

圖7 實驗測得值和對照值的分布趨勢Fig.7 The distribution trends of measured values and control values

4 討論和結(jié)論

目前，市場上的電子血壓計大都采用柯氏音法或示波法測得。示波法采用間接的肱動脈血壓信息的測量方式，在脈搏波波形的提取中易受溫度或其他外界環(huán)境因素干擾。式（1）和式（2）中的血壓系數(shù)采用的是經(jīng)驗值，測量值、校準(zhǔn)樣本的容量以及樣本所涵蓋的地域和人群等與測量結(jié)果有很大關(guān)系，容易引起偏差。對人體血壓和溫度的統(tǒng)計學(xué)分析得出：溫度與血壓值具有良好的統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），因此溫度對血壓的影響是顯著的。針對以上問題，在血壓算法中加入了校準(zhǔn)和溫度補償?shù)人惴?，提高了血壓測量的準(zhǔn)確性和相關(guān)性，但在樣本的選取上由于條件的限制，還不能很好地獲得大樣本信息，進(jìn)而影響測得科學(xué)的測量結(jié)果。今后還將選取更多的樣本數(shù)據(jù)，采用更加科學(xué)的數(shù)據(jù)擬合方法，以便得到準(zhǔn)確性更高的血壓測量值，為臨床提供直觀、準(zhǔn)確的血壓測量信息。

所設(shè)計的DSP血壓計在血壓算法中進(jìn)行了校準(zhǔn)，增加了溫度補償算法，補償了因溫度造成的偏差，測量準(zhǔn)確率達(dá)到86.9％，基本滿足臨床測量的要求。經(jīng)工程和臨床驗證，研制的DSP血壓計與水銀血壓計相比具有很好的相關(guān)性，對同一測試者，兩種測量方法的結(jié)果基本在同一趨勢上變化。增加了電源管理的功能，降低了儀器整體的功耗。在相同的條件下，本系統(tǒng)的待機(jī)時間比沒用電源管理技術(shù)的血壓計延長了1/3，用諾基亞BL-5B能連續(xù)正常工作20h。此外，儀器使用方便，特別是USB發(fā)送功能模塊，不僅能實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲，而且能很好地結(jié)合遠(yuǎn)程醫(yī)療的概念，減少患者在求醫(yī)路程上的時間花費。儀器體積?。?5cm×8cm×3cm），方便攜帶。

利用TMS320C5402 DSP作為核心控制器件，充分利用其片內(nèi)、外設(shè)資源，實現(xiàn)了對血壓信號的采集、顯示、分析與發(fā)送。系統(tǒng)實用性強(qiáng)，人機(jī)接口簡單可靠，體積小、功耗低、便于攜帶，特別是電源管理技術(shù)的運用，延長了系統(tǒng)的待機(jī)時間。嵌入式的系統(tǒng)設(shè)計使得本系統(tǒng)攜帶方便，可用于野外醫(yī)療和戶外急救場所，也可用于家庭和社區(qū)等，是一種經(jīng)濟(jì)實用的健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

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