基于示波法的電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)

李瑞霞 周晉陽

【摘要】血壓是反映血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的最主要的監(jiān)護(hù)指標(biāo)之一，準(zhǔn)確地測量血壓對(duì)于我們的健康有著重要的意義，本文采用BP300S壓力傳感器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的壓力傳感，將袖帶內(nèi)的氣體壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，給出了基于示波法原理實(shí)現(xiàn)的電子血壓計(jì)的軟硬件設(shè)計(jì)過程。

【關(guān)鍵詞】電子血壓計(jì);壓力傳感器;單片機(jī)

Abstract：The blood pressure is one of the main monitoring indicator that reflect the hemodynamic status，accurate measuring human bodys blood pressure has important significance to our health. The paper adopt BP300S pressure sensor to realize accurate pressure sensor and convert the gas pressure in the cuff ?into electrical signals。After that，it gives the design of the haraware and software of electronic blood pressure meter based on oscillometric principle.

Keywords：Electronic bloodpressure meter;Pressure sensor;Single chip microcomputer

引言

隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，人們生活水平的不斷提高，健康已經(jīng)成為人們越來越關(guān)注的話題。許多便攜化，家庭化的醫(yī)學(xué)電子儀器逐漸深入到人們的日常生活當(dāng)中，電子血壓計(jì)產(chǎn)品目前已在國際市場上占據(jù)龐大而穩(wěn)定的市場。血壓計(jì)可以讓人們隨時(shí)測量自己的血壓狀況，也可以了解到自己的身體健康狀況，對(duì)防病治病、及早發(fā)現(xiàn)疾病，都具有重要意義。

目前已有多種方法測定血壓波形和血壓值，水銀血壓計(jì)是最常用的方法。一般醫(yī)院使用的水銀血壓計(jì)，是基于柯氏音法，專業(yè)醫(yī)生可以用聽診器進(jìn)行人工聽診，來判斷收縮壓和舒張壓的值。但是柯氏音法測量血壓易受外界干擾，與醫(yī)生的熟練程度和專業(yè)技術(shù)有關(guān)，容易受環(huán)境和測量人員主觀因素的影響，存在一定的誤差。

示波法測量血壓的過程與柯氏音法類似，通過給袖帶充氣來阻斷上臂動(dòng)脈血流，然后緩慢減壓，在放氣過程中檢測袖帶內(nèi)的氣體壓力，提取重疊于血管壁搏動(dòng)的微弱的脈搏波?？績x器識(shí)別脈搏波振幅與氣袖壓力之間的相應(yīng)關(guān)系，并加以差別，從而得出血壓值。與脈搏波最大值對(duì)應(yīng)的是平均壓，收縮壓和舒張壓分別為第一個(gè)大于等于0.5倍的k值所對(duì)應(yīng)的血壓值及第一個(gè)小于等于0.8倍的k值所對(duì)應(yīng)的血壓值。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由壓力傳感器BP300，四路運(yùn)算放大器LM324，兩級(jí)放大電路，濾波電路，單片機(jī)ATmega16和LED顯示器組成。核心部分是專用壓力傳感器BP300，信號(hào)處理芯片ATmega16。前者實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的壓力傳感，將袖帶內(nèi)的氣體壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，后者控制整個(gè)電路的工作，使用AVR單片機(jī)ATmega16實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集，處理，將收縮壓和舒張壓在LED屏上顯示出來。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 前置放大電路

生物電信號(hào)源本身是高內(nèi)阻的微弱電信號(hào)源，所提取的被測信號(hào)非常微弱。而傳感器和電路中的器件又會(huì)產(chǎn)生噪聲。此外，從傳感器獲得的信號(hào)常為差模小信號(hào)，并含有較大共模部分，其數(shù)值有時(shí)遠(yuǎn)大于差模信號(hào)。因此，儀用放大器除具有足夠大的放大倍數(shù)外，還應(yīng)具有高輸入電阻和高共模抑制比。同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)前置放大電路，是生物放大器前置級(jí)經(jīng)常采用的設(shè)計(jì)方案，本文選用由三運(yùn)放構(gòu)成的儀用放大器，如圖2所示。

圖3 濾波電路

2.2 濾波電路

在生命活動(dòng)中，生物體的各種信息都是同時(shí)存在并彼此相關(guān)的，是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，因此從生物體中有效的提取被測信號(hào)，是醫(yī)學(xué)測量的重要問題。從傳感器輸出的信號(hào)實(shí)際是脈搏波與靜壓力信號(hào)的疊加，還有其他來自外界信號(hào)的高頻干擾或直流低頻分量，實(shí)際測壓時(shí)，如果被測者身體移動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，而這種干擾與脈搏波的頻率很相近，且幅值較大，另外50Hz工頻干擾無處不在，所以應(yīng)該采用抗干擾措施。雖然傳感器有放大功能，但對(duì)脈搏波的放大能力有限，主要還是靜壓力信號(hào)，靜壓力信號(hào)屬于低頻信號(hào)，頻率小于等于0.04Hz，脈搏波信號(hào)大約在0.1至30Hz左右，因此將混合信號(hào)分為兩路，一路直接輸入單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，另一路經(jīng)濾波放大后使其幅度盡量接近單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的允許上限，提高采集數(shù)據(jù)的精度。采用了二階無限增益多路反饋低通濾波，如圖3所示。

2.3 二級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)

理論上對(duì)于微弱的脈搏波可以通過一次放大達(dá)到要求，但是由于各種因素的影響，實(shí)驗(yàn)過程中前置放大電路儀表放大器的增益倍數(shù)越大，誤差越大，所以放大倍數(shù)有限，實(shí)驗(yàn)中前置放大僅對(duì)信號(hào)放大了十倍，濾波后再通過二次放大對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。采用反向放大電路，如圖4所示。

圖4 二級(jí)放大電路

圖5 程序流程圖

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主要運(yùn)用AVR單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)化功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，并利用算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

從生理上講，人的血壓一般在180mmHg以下，啟動(dòng)單片機(jī)，在袖帶開始充氣后對(duì)氣體壓力進(jìn)行檢測，當(dāng)壓力快接近200mmHg時(shí)，停止充氣，用放氣閥勻速放氣，此時(shí)分別通過AVR單片機(jī)的PA1口和PA2口接收袖帶內(nèi)靜壓力信號(hào)和脈搏壓，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，將靜壓力信號(hào)的值存入血壓數(shù)組，找出采集的每組脈搏波的峰值，存入脈搏波數(shù)組。信號(hào)采集完后，利用主函數(shù)處理數(shù)據(jù)，找出脈搏波數(shù)組的最大值，與之對(duì)應(yīng)時(shí)刻的血壓數(shù)組的值即為平均壓，記為k，找出第一個(gè)大于等于0.5倍的k值所對(duì)應(yīng)的血壓值為收縮壓，第一個(gè)小于等于0.8倍的k值所對(duì)應(yīng)的血壓值為舒張壓。圖5所示為軟件設(shè)計(jì)流程圖。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選取10組測量者，對(duì)同一個(gè)測量者在相同時(shí)間，相同地點(diǎn)分別采用本電子血壓計(jì)和水銀血壓計(jì)進(jìn)行測量，將測量結(jié)果進(jìn)行比較以后，本血壓計(jì)的測量結(jié)果均略有偏大，但可以控制在10mmHg的誤差范圍內(nèi)。本電子血壓計(jì)還有許多需要完善的地方，比如傳統(tǒng)袖帶式的固定方式可以改為指套式來測量，可以改進(jìn)算法加快程序執(zhí)行速度，增強(qiáng)血壓計(jì)測量的準(zhǔn)確性。

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基金項(xiàng)目：2013年長治醫(yī)學(xué)院校級(jí)課題“現(xiàn)代教育技術(shù)與專業(yè)教學(xué)的有效整合”。

作者簡介：李瑞霞（1979—），女，山西沁水人，碩士研究生，講師，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程方面的研究。

通訊作者：周晉陽（1958—），男，山西長治人，大學(xué)本科，教授，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程方面的研究。