具有藍(lán)牙通信功能的上臂一體式血壓測量系統(tǒng)

王維，王靜，孫洪央，徐祖洋，柴新禹＊

上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，上海市，200240

0 引言

隨著我國人口老齡化問題的日益嚴(yán)峻以及慢性疾病病人的持續(xù)增長，傳統(tǒng)的醫(yī)療手段[1]面臨著巨大的壓力。移動醫(yī)療[2]是生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)、移動計(jì)算技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)三者相結(jié)合的產(chǎn)物。移動醫(yī)療的發(fā)展是緩解這一壓力的有效途徑。

移動醫(yī)療系統(tǒng)的重要組成部分是無線軀體傳感器網(wǎng)絡(luò)[3](Wireless Body Sensor Networks, WBSN或BSN)，它是以無線傳輸方式連接的各種可穿戴式生物傳感器或者植入人體內(nèi)的生物傳感器所組成的無線網(wǎng)絡(luò)，不僅是一種全新的醫(yī)療保健、疾病監(jiān)控和預(yù)防的解決方案，還是物聯(lián)網(wǎng)[4]的重要感知及組成部分[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，BSN能夠長期連續(xù)地對人體的生理信息[5-6](心率、血壓、血氧、呼吸、體溫等)和運(yùn)動信息[2](速度、步態(tài)、軌跡以及體能消耗等)進(jìn)行無線動態(tài)連續(xù)監(jiān)測，通過對測量數(shù)據(jù)的提取、分析和處理，實(shí)現(xiàn)對人體健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測、早期預(yù)警和長期跟蹤，達(dá)到預(yù)防為主、無癥自診和日常監(jiān)護(hù)的目的。

血壓是人體重要生命體征之一，高血壓是誘發(fā)眾多高危心腦血管疾病最主要的因素。研究發(fā)現(xiàn)，血壓變化率與早期靶器官損害以及心腦血管疾病的死亡率之間有著顯著的相關(guān)性[7-8]。因此，及時(shí)準(zhǔn)確地了解血壓的變化，不僅對病情掌控、疾病診斷有著重要的臨床價(jià)值，而且對維護(hù)人體健康、預(yù)防心腦血管疾病等具有十分重要的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們健康意識的逐漸增強(qiáng)，血壓監(jiān)測從醫(yī)院、病房進(jìn)入到社區(qū)和普通家庭。市場上出現(xiàn)了大量便攜式電子血壓計(jì)，主要有臂式血壓計(jì)和腕式血壓計(jì)兩種類型。臂式血壓計(jì)大都體積較大，袖帶和血壓計(jì)之間靠一條氣管連接，使用不方便。腕式血壓計(jì)雖然使用方便，操作簡單，但是一般不適合于患有血液循環(huán)障礙的病人以及老人[9]，而且測量精度上一般要低于臂式血壓計(jì)。這兩類血壓計(jì)一般還可以存儲若干條歷史記錄，但是由于不具備無線通信功能，只能通過手工抄錄等方式獲取歷史記錄，容易產(chǎn)生錯(cuò)誤。而使用無線通信技術(shù)，可以很方便地獲取被測者的血壓信息，并能將測量信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)胶笈_數(shù)據(jù)庫，便于綜合分析管理和醫(yī)療專家遠(yuǎn)程診斷。因此，開發(fā)無線通信功能的血壓測量系統(tǒng)具有重要的意義。

目前常用的無線通信技術(shù)[10-11]主要包括射頻（RF）、藍(lán)牙（Bluetooth）、IEEE802.15.4 ZigBee、超寬帶技術(shù)（Ultra Wide Band, UWB）和紅外通信等短距離無線通信技術(shù)，以及3G和GPRS等遠(yuǎn)程通信技術(shù)。在BSN中廣泛使用的無線通信技術(shù)[12]為藍(lán)牙和ZigBee[13]。藍(lán)牙具有體積小、功耗低、安全性、抗干擾性和應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，非常適合BSN中單參數(shù)短距離通信。因此，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種具有藍(lán)牙通信功能的上臂一體式血壓測量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由微處理器、血壓信號采集電路、氣泵氣閥控制電路、電源電路、按鍵電路、液晶（LCD）顯示和藍(lán)牙通信等部分構(gòu)成。功能框圖如圖1所示。藍(lán)牙通信模塊的接收端可以是任何帶有藍(lán)牙功能的設(shè)備，如嵌入式多生理參數(shù)記錄系統(tǒng)、智能手機(jī)等，通過3G（或GPRS）接入移動互聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸和遠(yuǎn)程管理。

圖1 系統(tǒng)功能框圖Fig.1 The system functional block diagram

1.1 MSP430微處理器

選用美國德州儀器（TI）公司的MSP430F149芯片作為該系統(tǒng)的核心處理器。它是一款基于閃存或ROM的16位超低功耗微處理器（低電壓工作和5種低功耗工作模式），豐富的片內(nèi)資源（8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），2個(gè)異步串行通信（USART），2個(gè)定時(shí)器以及比較器和6路I/O口等），超高的運(yùn)算速度，方便高效的開發(fā)環(huán)境和性價(jià)比高等特點(diǎn)，非常適合于便攜式低功耗醫(yī)療電子產(chǎn)品的開發(fā)。在本設(shè)計(jì)中，MSP430F149處理器主要完成袖帶充放氣控制、血壓信號實(shí)時(shí)采集處理和數(shù)據(jù)無線傳輸控制等功能。

1.2 血壓信號采集電路

血壓信號采集電路主要包括壓力傳感器、前置放大電路、濾波電路以及后級放大電路等，主要完成血壓信號的采集、放大以及濾波。然后將濾波處理后的袖帶靜壓力信號和脈搏波信號分別送入MSP430F149微處理器的ADC單元。在微處理器中進(jìn)行計(jì)算處理獲得血壓值，然后送到LCD顯示，并存儲數(shù)據(jù)；同時(shí)通過藍(lán)牙，把數(shù)據(jù)傳送到嵌入式多生理參數(shù)記錄系統(tǒng)或者智能手機(jī)，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后進(jìn)行存儲；同時(shí)將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)（3G、GPRS等）傳送到遠(yuǎn)程醫(yī)療數(shù)據(jù)中心。血壓信號采集電路原理如圖2所示。

圖2 血壓信號采集電路原理圖Fig.2 The schematic diagram of blood pressure signal acquisition circuits

人體脈搏波信號是一種微弱低頻（mV量級，0～40 Hz），低信噪比[14]的生理信號，因此需要設(shè)計(jì)前置放大電路對壓力傳感器的輸出信號進(jìn)行差分放大[15-16]。前置放大器選用TI的低功耗零漂移儀表放大器INA118。該芯片具有高精度、低功耗和低電源電壓等性能，還具有最低的靜態(tài)電流與輸入偏置電流、出色的功率噪聲比和極低的失調(diào)電壓，僅需外接單個(gè)高精度電阻就能實(shí)現(xiàn)1到1 000倍的放大倍數(shù)。本設(shè)計(jì)前置放大電路增益為10倍。在血壓測量過程中，袖帶內(nèi)壓力信號變化緩慢，屬于低頻信號，接近于直流信號，利用截止頻率為0.6 Hz的低通濾波器，濾除高頻信號，得到純凈的靜壓力信號。通常正常人的脈搏波信號在0～40 Hz頻率范圍內(nèi)，且大約有99%的能量分布在0～10 Hz之間[17]。因此，設(shè)計(jì)截止頻率為0.6 Hz～20 Hz的帶通濾波器獲得脈搏波信號?？紤]到脈搏波信號的幅度較小以及微處理器ADC轉(zhuǎn)化的需要，設(shè)計(jì)后級放大增益為50倍。濾波電路選用TI的四運(yùn)算放大器LM324，它具有低功耗電流和低輸入失調(diào)電壓等優(yōu)點(diǎn)，并使用雙電源 ±3.3 V供電。

壓力傳感器選用聯(lián)興特傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的擴(kuò)散硅壓力傳感器US9111-006。US9111-006系列傳感器廣泛用于電子血壓計(jì)中，它內(nèi)置惠斯通電橋，能夠在恒流或恒壓源的激勵(lì)下，將輸入壓力大小的變化轉(zhuǎn)化為與之成正比的電信號輸出。它的量程為0～300 mmHg（0～40 KPa）。

1.3 氣泵氣閥控制電路

在微處理器MSP430F149的控制下，充氣泵和電磁閥分別完成對袖帶的充放氣。該系統(tǒng)選用博眾電子廠生產(chǎn)的BZP06A充氣泵和BZV06A常開式電磁閥，它們具有噪聲小、充放氣速度快等特點(diǎn)。利用三極管2N3904實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電路，提供氣泵氣閥的驅(qū)動電流。通過微處理器的PWM口控制驅(qū)動電路，基于三極管的通斷來控制充氣泵和電磁閥的工作，電路原理如圖3所示。

圖3 氣泵氣閥控制電路原理Fig.3 The schematic diagram of pump valve control circuits

充氣泵BZP06A的工作電壓為4.0 V～7.0 V，充氣壓力從0～300 mmHg(0～40KPa)所需時(shí)間≤10 S，充氣過程中電流≤500 mA，噪聲≤65 dB。電磁閥BZV06A工作電壓3.3 V～6.0 V，定格電流60 mA，電壓在ON時(shí)出口密封，OFF時(shí)放氣。

1.4 按鍵以及顯示模塊

該部分包括2×2的鍵盤按鍵和一塊16×2字符的液晶顯示屏。鍵盤按鍵包括開始（Start）、結(jié)束（Stop）、查看（View）、無線發(fā)送（Send）。其中“Stop”按鍵可以隨時(shí)結(jié)束一次測量過程，使系統(tǒng)回到上電后的初始狀態(tài)，起到保護(hù)作用。液晶顯示屏選用深圳洪泰顯示科技有限公司的LCD1602模塊，主要用于顯示舒張壓、收縮壓以及脈搏值。

1.5 藍(lán)牙通信模塊

本設(shè)計(jì)中選用CSR（Cambridge Silicon Radio）公司的藍(lán)牙芯片BC417，它基于BlueCore4-External內(nèi)核，完全兼容V2.0，并包含增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸單元，速率可達(dá)到2 Mbps～3 Mbps，內(nèi)核工作電壓為1.8 V，I/O端口的工作電壓為1.8 V～3.6 V。該芯片包含USB和UART等豐富的外設(shè)資源，同時(shí)可擴(kuò)展8Mbit的閃存。該模塊使用SPANSION公司S29AL008D系列CMOS 3.0V的8Mbit引導(dǎo)扇區(qū)閃存，其工作電壓為2.7 V～3.6 V。為了方便進(jìn)行調(diào)試與設(shè)計(jì)，集成了TI公司的低壓差收發(fā)器MAX3232，能夠?qū)崿F(xiàn)RS-232通信，通過串口使用AT指令集與微處理器進(jìn)行通信，如圖4所示。另外，該藍(lán)牙模塊采用曲折線型天線設(shè)計(jì)[18]，體積小，適合在便攜式產(chǎn)品中使用。

圖4 藍(lán)牙模塊及通信流程圖Fig.4 Bluetooth module and communication flowchart

1.6 電源電路

電源選用7.4 V鋰電池供電。由于充氣泵和電磁閥需要5 V電壓，藍(lán)牙模塊與血壓信號采集模塊需要±3.3 V電壓，因此，在設(shè)計(jì)中選用低壓差線性穩(wěn)壓器AMS1117-3.3和AMS1117-5.0分別穩(wěn)定輸出3.3V和5V電壓，AMS1117﹣3.3輸出的3.3 V經(jīng)過TI公司的電源管理芯片TPS60400反向充電泵穩(wěn)壓器，可以獲得﹣3.3 V電壓。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)基于IAR Embeded WorkBench開發(fā)環(huán)境，采用C語言編程。它主要實(shí)現(xiàn)微處理器系統(tǒng)初始化、按鍵掃描控制、氣泵氣閥充放氣控制、血壓數(shù)據(jù)的計(jì)算處理、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)無線發(fā)送等功能。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 The programming flowchart

圖6 系統(tǒng)工作流程圖Fig.6 The work flow chart of system

系統(tǒng)上電后，一方面，藍(lán)牙通信模塊上電激活并自動尋找主機(jī)；另一方面，開始初始化微處理器時(shí)鐘、定時(shí)器、I/O口、ADC以及串口等，并進(jìn)入鍵盤掃描程序?qū)Π存I進(jìn)行檢測。如果按下“Start”鍵，則啟動血壓測量程序進(jìn)行血壓測量，測量結(jié)果利用LCD顯示存儲以及無線發(fā)送；如果按下“View”鍵，則對歷史記錄進(jìn)行查看；如果按下“Send”鍵，則將歷史存儲值進(jìn)行無線發(fā)送。具體的工作過程如圖6所示。同時(shí)，在工作過程中，如果按下“Stop”鍵，系統(tǒng)回到初始化狀態(tài)，等待新的操作命令。

3 系統(tǒng)測試與分析

本設(shè)計(jì)開發(fā)的上臂一體式血壓測量系統(tǒng)將硬件電路集成到袖帶上，構(gòu)成可穿戴的一體式結(jié)構(gòu)。硬件模塊包括血壓信號采集電路、微處理器模塊、藍(lán)牙模塊和顯示模塊等。測量結(jié)果顯示在液晶屏上，并通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。開發(fā)的系統(tǒng)原理樣機(jī)如圖7所示。

圖7 開發(fā)的系統(tǒng)原理樣機(jī)實(shí)物圖Fig.7 The prototype system for blood pressure measuring

為了評估系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，以商用松下EW3106臂式電子血壓計(jì)為參照進(jìn)行血壓數(shù)據(jù)采集。EW3106具體參數(shù)如下：血壓測量范圍為0 kPa～37.3 kPa(0 mmHg～280 mmHg)；脈搏測量范圍為30 b/min～160 b/min；壓力精度為 ±3 mmHg（±0.4 kpa）以內(nèi)；脈搏數(shù)為讀數(shù)數(shù)值在﹣5 ～ +5以內(nèi)；可顯示血壓值及脈率。參與本次測試的6名志愿者來自上海交通大學(xué)社團(tuán)，年齡在23歲到25歲，體重在45 kg到65 kg之間。所有被試者實(shí)驗(yàn)前一周內(nèi)未使用任何藥品，4 h內(nèi)未參與劇烈運(yùn)動，無任何心血管系統(tǒng)及相關(guān)疾病病史。實(shí)驗(yàn)方式：商用電子血壓計(jì)直接進(jìn)行血壓數(shù)據(jù)的采集；本測量系統(tǒng)將采集到的血壓數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送，PC機(jī)通過串口連接藍(lán)牙接收模塊接收數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)步驟：被試者靜息2 min，先利用商用電子血壓計(jì)測量；然后間隔2 min，再利用本設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行測量，如此一次測量過程結(jié)束。被試者在每種測量方式下測量3次，各獲得3組數(shù)據(jù)，然后求取其平均值，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將6名不同被試者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果按序編號，如表1所示。

表1 測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The testing experimental results

由表1可以看出，本系統(tǒng)采集的收縮壓、舒張壓及脈搏值數(shù)據(jù)均處于正常范圍以內(nèi)，這與所招募健康被試的身體狀況相符。同時(shí)從表1中可以發(fā)現(xiàn)，兩種測量方式測試結(jié)果存在一定的差別，如被試6的舒張壓測量值（差值為3 mmHg），被試2的脈搏測量值（差值為3次/min）等，這可能是由于不同測量方式的切換過程中造成個(gè)別被試的心理變化和情緒波動等因素所造成的。經(jīng)與商用血壓計(jì)測量結(jié)果比較和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析可知，本文設(shè)計(jì)開發(fā)的具有藍(lán)牙通信功能的血壓測量系統(tǒng)各測量參數(shù)與商用的電子血壓計(jì)測得的各參數(shù)之間并無顯著性差異（收縮壓參數(shù)t = ﹣1.348，P = 0.235；舒張壓參數(shù)t = 2.712，P =0.062；脈搏值參數(shù)t = ﹣1.185，P = 0.289）。因此，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)血壓各參數(shù)的準(zhǔn)確測量以及數(shù)據(jù)的無線傳輸，能夠滿足日常健康監(jiān)護(hù)與無線通信的需要。

3 總結(jié)與展望

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種具有藍(lán)牙無線通信功能的上臂一體式血壓測量系統(tǒng)樣機(jī)，經(jīng)健康被試者測試表明，本系統(tǒng)能夠完成血壓的準(zhǔn)確測量和數(shù)據(jù)的無線通信。因此，在實(shí)際應(yīng)用中既可以進(jìn)行日常健康監(jiān)護(hù)，又可以通過藍(lán)牙模塊將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式多生理參數(shù)記錄系統(tǒng)或者智能手機(jī)等進(jìn)行分析處理與存儲，同時(shí)進(jìn)一步可以將數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)（3G、GPRS等）傳送到遠(yuǎn)程醫(yī)療數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷與數(shù)據(jù)管理。

未來的工作是對樣機(jī)進(jìn)行集成化、小型化處理，同時(shí)制作成可穿戴的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)便攜式測量。由于該設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有藍(lán)牙通信功能，因此系統(tǒng)可以由嵌入式多生理參數(shù)記錄系統(tǒng)或智能手機(jī)等通過藍(lán)牙控制，實(shí)現(xiàn)血壓的動態(tài)連續(xù)測量，同時(shí)還可與其他生理參數(shù)測量系統(tǒng)組成軀體傳感網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)。

[1]宮繼兵, 王睿, 崔莉.體域網(wǎng) BSN 的研究進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展, 2010, 5: 737-753.

[2]R.S.H.Istepanian, E.Jovanov, Y.T.Zhang.Guest editorial introduction to the special section on m-health: Beyond seamless mobility and global wireless health-care connectivity[J].IEEE Transactions on.Information Technology in Biomedicine, 2004,8(4): 405-414.

[3]蔣磊, 陳偉建.應(yīng)用于BSN中的人體生理參數(shù)的密碼學(xué)特性分析[J].先進(jìn)技術(shù)研究通報(bào), 2009, 3(4): 32-34.

[4]N.Gershenfeld, R.Krikorian, D.Cohen.The Internet of Things[J].Scientific American,2004, 291(4): 76-81.

[5]B.Lo, S.Thiemjarus, R.King, et al.Body sensor network–a wireless sensor platform for pervasive healthcare monitoring[A].Adjunct Proceedings of the 3rd International Conference on Pervasive Computing[C], 2005, 77-80.

[6]滕曉菲, 張?jiān)?移動醫(yī)療: 穿戴式醫(yī)療儀器的發(fā)展趨勢[J].中國醫(yī)療器械雜志.2006, 30(5): 330-340.

[7]M.Kikuya, A.Hozawa, T.Ohokubo, et al.Prognostic significance of blood pressure and heart rate variabilities: the Ohasama study[J].Hypertension, 2000, 36(5): 901-906.

[8]L.M.Ruilope.Normotension, blood pressure variability and early target organ damage[J].Hypertension Research, 2011, 34(10):1075-1075.

[9]呂玲春, 韋鐵民.血壓測量的進(jìn)展[J].心腦血管病防治, 2006,6(5): 325-327.

[10]唐湘楓, 尹貽虎, 賀志龍.身體傳感器網(wǎng)絡(luò) BSN 關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].電子質(zhì)量, 2011, (1): 6-8.

[11]劉毅.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中幾種無線通信技術(shù)的比較分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品, 2010, (7): 30-30.

[12]C.Otto, A.Milenkovic, C.Sanders, et al.System architecture of a wireless body area sensor network for ubiquitous health monitoring[J].Journal of Mobile Multimedia, 2006, 1(4): 307-326.

[13]E.Jovanov.Wireless technology and system integration in body area networks for m-health applications[A].Engineering in Medicine and Biology Society.Proceedings of the 27th Annual International Conference of the IEEE[C].2006，7158-7160.

[14]楊福生, 高上凱.生物醫(yī)學(xué)信號處理[M].北京: 高等教育出版社,1989

[15]鄧親愷.現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)原理[M].北京：科學(xué)出版社, 2004.

[16]王保華.生物醫(yī)學(xué)測量與儀器[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社, 2009

[17]羅志昌, 張松, 楊益民.脈搏波的工程分析與臨床應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社, 2006

[18]J.Lee, C.Jeon, B.Lee.Design of ceramic chip antenna for bluetooth applications using meander lines[A].Antennas and Propagation Society International Symposium of the IEEE[C].2002, (4): 68-71.