基于動脈張力法和STM32L的24h動態(tài)血壓計設(shè)計

郭友達，雷恒波，徐雅潔，邢曉曼，康明才，孫明山

基于動脈張力法和STM32L的24h動態(tài)血壓計設(shè)計

郭友達1，2，雷恒波2，徐雅潔2，邢曉曼2，康明才1，孫明山2

（1.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京210094；2.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所醫(yī)學(xué)影像室）

本文介紹了一種基于高靈敏度壓力傳感器和STM32L芯片的低功耗、高性能的24h連續(xù)動態(tài)血壓監(jiān)測系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的工作原理、流程及其軟硬件設(shè)計。系統(tǒng)通過壓力傳感器對腕部脈搏波進行實時監(jiān)測，利用動脈張力法預(yù)估血壓值，實現(xiàn)了24h連續(xù)動態(tài)血壓監(jiān)測的效果。該系統(tǒng)具有自動進入低功耗狀態(tài)、5 min自動喚醒、按鍵中斷喚醒、血壓異常報警等功能，克服了傳統(tǒng)血壓計無法進行24h連續(xù)動態(tài)血壓監(jiān)測、受偶然因素影響大、實時性差等缺點。

STM32L；24h連續(xù)動態(tài)血壓監(jiān)測；低功耗；壓力傳感器

引 言

血壓是反映人體心血管系統(tǒng)健康與否的重要生理參數(shù)，同時也是醫(yī)院臨床上疾病的預(yù)防和診斷的重要依據(jù)。24h動態(tài)血壓監(jiān)測對于高血壓的防治工作、醫(yī)生的臨床應(yīng)用方面有著深遠(yuǎn)的意義。首先，24h動態(tài)監(jiān)測由儀器自動完成，能有效避免“白大衣現(xiàn)象”。第二，24h動態(tài)監(jiān)測可以測量一個人日常生活狀態(tài)時的血壓，可以發(fā)現(xiàn)“隱蔽性高血壓”。第三，24h動態(tài)監(jiān)測可以了解血壓變化趨勢。所以24h動態(tài)血壓監(jiān)測不僅是血壓監(jiān)測次數(shù)增加，更重要的是可以準(zhǔn)確反映一個人的血壓風(fēng)險，提高高血壓的預(yù)測和診斷能力［1］。

現(xiàn)有的血壓監(jiān)測設(shè)備種類繁多，主要廠商有歐姆龍、九安、松下、CONTEC等，但基本都是基于示波法的袖帶式血壓監(jiān)測方法。這種方法雖然測量值相對準(zhǔn)確可靠，但其缺點也很明顯：①無法對血壓進行連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，無法得出血壓的變化趨勢；②充氣袖帶會給人帶來緊張不適感，從而影響血壓監(jiān)測結(jié)果；③得出的結(jié)果相對片面，只是一個瞬時的“好”或者“壞”，不確定性因素大［6］?；谶@些缺點，本文設(shè)計了一套可穿戴式連續(xù)動態(tài)血壓監(jiān)測系統(tǒng)。利用高性價比的STM32L作為系統(tǒng)的主控芯片，實現(xiàn)了對血壓信號的實時監(jiān)控、定時存儲、異常報警。

1　系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有：①實現(xiàn)實時的脈搏信號采集，并轉(zhuǎn)換成血壓心率信息，以及信息顯示與定時存儲。②通過默認(rèn)或用戶自主設(shè)定的血壓閾值，實現(xiàn)血壓健康狀況判定，當(dāng)血壓異常時報警提示。③實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、可穿戴式設(shè)計，降低系統(tǒng)功耗，使用紐扣電池供電可持續(xù)更長的時間。④通過顯示定時存儲的數(shù)據(jù)，用戶可以查看當(dāng)天和每月的血壓情況走勢，預(yù)估血壓健康狀況。

1.2系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文采用動脈血壓張力測量法［4］（TBP）進行血壓測量。這是一項新的非侵入式連續(xù)動脈血壓監(jiān)測技術(shù)，其原理是：當(dāng)一個具有內(nèi)在壓力的血管被外部物體部分壓扁時，其血管壁的外周應(yīng)力將發(fā)生變化，當(dāng)外力達到某一特定值時，內(nèi)外力相等，此時所測得的外力即為動脈血壓。為了實現(xiàn)以上的方法和功能的需求，本系統(tǒng)需要一個穩(wěn)定低功耗核心處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、顯示模塊、藍(lán)牙通信模塊、電源模塊和報警模塊。

其中核心處理器完成對系統(tǒng)的控制管理、數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)處理和算法實現(xiàn)功能。數(shù)據(jù)采集模塊完成對模擬脈搏波信號的采集、濾波和放大；數(shù)據(jù)存儲模塊完成血壓心率和日期信息的定時數(shù)據(jù)存儲功能；顯示模塊完成血壓心率信息和血壓走勢的顯示功能；藍(lán)牙通信模塊完成與PC端及其他智能終端的數(shù)據(jù)通信工作。此外電源模塊和報警模塊實現(xiàn)了對系統(tǒng)的電源供應(yīng)和異常血壓的預(yù)警提示。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體構(gòu)架

1.3系統(tǒng)的工作原理與流程

在系統(tǒng)復(fù)位或第一次開機后，首先系統(tǒng)進入第一次初始化設(shè)置，配置系統(tǒng)外設(shè)時鐘、功能模式和I/O配置等。等待系統(tǒng)初始化完畢后，用戶通過液晶屏與系統(tǒng)進行交互，根據(jù)系統(tǒng)提示利用按鍵完成系統(tǒng)實時時鐘和血壓預(yù)警值的設(shè)置。之后，系統(tǒng)進入第一次血壓采樣過程，等待血壓采樣結(jié)束后，系統(tǒng)會將采樣結(jié)果進行運算，得出用戶當(dāng)前時間的收縮壓和舒張壓并顯示在液晶屏上。同時如果血壓監(jiān)測結(jié)果超出了用戶設(shè)定的預(yù)警值范圍，則系統(tǒng)的預(yù)警模塊發(fā)出警報，提示用戶血壓異常。在血壓值顯示10 s之后，系統(tǒng)將進入低功耗停機狀態(tài)，等待下一次喚醒。系統(tǒng)每隔5 min將由設(shè)定的RTC鬧鐘自動喚醒一次，進入一次采樣循環(huán)，用戶也可以通過按鍵中斷退出停機狀態(tài)進入一次采樣循環(huán)。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)工作流程

2　硬件設(shè)計

2.1硬件設(shè)計要求

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)和脈搏信號特性，本系統(tǒng)的硬件設(shè)計著重處理以下幾方面的問題：

①為了實現(xiàn)可穿戴目的，系統(tǒng)必須實現(xiàn)產(chǎn)品低功耗、小型化的設(shè)計指標(biāo)。

②由于脈搏信號微弱、幅度小、頻率低，極易受到噪聲的影響，所以要求電路設(shè)計具有輸入高阻抗、高共模抑制比、低噪聲、帶通輸出的特點。

③在實現(xiàn)系統(tǒng)的功能和運算指標(biāo)的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量降低成本，使之有更高的性價比。

2.2核心處理器

本次設(shè)計選擇高性價比、超低功耗的STM32L152RBT6芯片作為系統(tǒng)的核心處理器。這是一款由意法半導(dǎo)體（ST）公司推出的32位基于ARM Cortex- M內(nèi)核的超低功耗精簡指令集微控制。該芯片采用LQFP-64封裝，具有51個I/O引腳接口、128 KB的Flash程序數(shù)據(jù)存儲空間和16 KB的RAM程序運行空間、20通道12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，一路USB2.0接口，7通道DMA控制器，4個通用定時器和一個Systick系統(tǒng)定時器以及大量的中斷資源等，足夠滿足本系統(tǒng)設(shè)計的功能需求。

此外STM32L系列芯片具有三種低功耗模式：

①睡眠模式。通過執(zhí)行WFE指令或者WFI指令可進入睡眠模式。進入睡眠模式之后，內(nèi)核時鐘停止，外設(shè)可繼續(xù)工作。通過任意外部中斷退出睡眠模式，最低功耗可達到6.1μA。

②停機模式。停機模式是在睡眠模式的基礎(chǔ)上結(jié)合了外設(shè)時鐘控制機制。在停機模式下，內(nèi)核和外設(shè)時鐘將被停止，保留SRAM供電，可通過任意外部中斷和RTC鬧鐘喚醒。在實時時鐘運行情況下，最低功耗為1.3μA，關(guān)閉實時時鐘后為0.5μA。

③待機模式。待機模式可實現(xiàn)系統(tǒng)的最低功耗，進入待機模式之后整個1.8 V供電區(qū)將被斷電，SRAM和寄存器內(nèi)容丟失。僅保留備份寄存器和待機電路供電，可通過RTC鬧鐘或者STM32復(fù)位喚醒。喚醒之后程序重新運行，相當(dāng)于復(fù)位狀態(tài)。在實時時鐘運行情況下，最低功耗為1.0μA，關(guān)閉實時時鐘后為270 n A。其低功耗性能和傳統(tǒng)超低功耗MSP430芯片［3］參數(shù)對比如表1所列，可以看出，STM32L系列的低功耗方面的表現(xiàn)和MSP430是非常接近的，此外STM32L系列在時鐘頻率、處理位數(shù)、運算能力以及可編程性、性價比方面，比起MSP430都有更優(yōu)的表現(xiàn)。因此STM32L系列芯片非常好地契合了本系統(tǒng)的設(shè)計需求。

表1　STM32L系列和MSP430系列參數(shù)對照表

2.3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用的壓力傳感器是Honeywell的1865系列，該系列是專門為醫(yī)療和特定的OEM應(yīng)用而設(shè)計的高精度壓力傳感器。1865利用一層特制的硅隔膜傳遞壓力信號，具備激光修正補償功能，可以精確采集微小的生物信號，具有線性度好、測試精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快的特點。測量量程為0～30 psi，在正常量程內(nèi)線性度能達到0.1%FS。傳感器通過輕輕貼合腕部動脈獲取脈搏信號，輸出為模擬電壓信號。

此外，采用截止頻率為0.05 Hz的二階Sallen -Key高通濾波電路和截止頻率為40 Hz的二階貝塞爾有源低通電路串聯(lián)組成帶通濾波電路，作為系統(tǒng)的濾波模塊。人體正常的脈搏為60～100次/min，即1～1.67 Hz。從脈搏功率譜的能量分布來看，99%的能量集中在0.5～10 Hz之間。脈搏信號最低頻率只有0.5 Hz，為降低信號相移產(chǎn)生的失真，低頻截止頻率須設(shè)定為最低頻率的1/10，即0.05 Hz。脈搏最高頻率不超過40 Hz，故高頻截止頻率設(shè)定為40 Hz。此外系統(tǒng)選取體積小、功耗低、噪聲小及供電范圍廣的AD620AN運算放大器組成一級放大電路，系統(tǒng)放大增益為11，可通過調(diào)節(jié)可變電阻R1來調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益。電路及參數(shù)選取如圖3所示。

圖3　放大濾波電路

2.4存儲顯示模塊設(shè)計

系統(tǒng)選用AT24C16作為數(shù)據(jù)存儲區(qū)，AT24C16是2線型串行EEPROM，存儲容量達到16 Kb，電壓運行范圍為2.7～5.5 V，數(shù)據(jù)保存可達到100年。數(shù)據(jù)一次存儲容量占72位，利用AT24C16可以存儲227次血壓動態(tài)監(jiān)測結(jié)果和時間日期，即可以記錄一天的血壓趨勢和179天內(nèi)的血壓走勢。STM32L芯片的I2C總線的SCL和SDA端分別對應(yīng)接到AT24C16的SCL和SDA端。由SCL端——時鐘控制SDA端的數(shù)據(jù)讀寫，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和讀取的功能。

系統(tǒng)顯示模塊采用3.3 V的LCD1602液晶顯示器，該模塊已內(nèi)置8 192個中文字形（16×16點陣）和126個西文字型（16×8）字庫，便于顯示漢字與字符。模塊的8位并行數(shù)據(jù)端連接芯片的PA0～PA7，RS、WR、EN、CS這4個控制引腳連接芯片的PB3～PB6。

2.5電源和藍(lán)牙通信模塊設(shè)計

系統(tǒng)選用DX -BTO5 4.0藍(lán)牙通信模塊對PC和其他智能終端進行無線通信。藍(lán)牙模塊采用TI公司的CC2541芯片，配置256 Kb空間，遵循V4.0 BLE藍(lán)牙規(guī)范，支持AT指令，用戶可以根據(jù)需要更改串口波特率、設(shè)備名稱、配對密碼等參數(shù)、使用靈活。

整個系統(tǒng)通過紐扣電池進行供電，通過穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換電壓對芯片和模塊供電，輸入電壓為5 V，輸出為3.3 V。穩(wěn)壓電路如圖4所示。

圖4　穩(wěn)壓電路

3　軟件設(shè)計

3.1數(shù)據(jù)采集模流程

數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)了脈搏信號的采集和簡單濾波處理的功能，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，既是系統(tǒng)的核心，也是系統(tǒng)精度的關(guān)鍵因素之一。數(shù)據(jù)采集流程如圖5所示。

在數(shù)據(jù)采集流程中，系統(tǒng)首先進行初始化設(shè)置：先后進入ADC_GPIO_ Configuration（）和ADC_Configuration（）函數(shù)，使能引腳時鐘和ADC時鐘并初始化引腳為模擬輸入模式，初始化配置ADC為單通道連續(xù)軟件觸發(fā)采樣模式；進入Key_Init（）函數(shù)，配置按鍵對應(yīng)的引腳連接到內(nèi)部中斷線，配置中斷模式和中斷優(yōu)先級；之后進行RTC實時時鐘初始化、RTC鬧鐘配置，系統(tǒng)初始化完畢之后，系統(tǒng)可以進行采樣循環(huán)。首先通過條件判斷是否是第一次采集或按鍵中斷或5分鐘鬧鐘喚醒，如果是，則系統(tǒng)進入A/D采樣流程。采樣過程中，由于脈搏信號比較微弱，信號容易受到外部和器件的電氣干擾而產(chǎn)生毛刺。為消除毛刺、改善信號質(zhì)量，系統(tǒng)在采樣過程中進入MidFilter（）函數(shù)采用中值平均濾波的方法，對信號進行處理。中值平均濾波原理如下：每次采樣10個點，對這10個點進行一次冒泡排序，等待排序完成之后取數(shù)組中間的兩個中位值點，并計算其平均值，而計算出的平均值即系統(tǒng)所需信號的一個采樣點。

通過這樣處理，相當(dāng)于對系統(tǒng)進行了一次時域濾波，能有效消除脈沖噪聲干擾，增強系統(tǒng)的抗干擾能力。因此系統(tǒng)采樣頻率定為500 Hz，而實際采集到的信號頻率為50 Hz。一次采樣過程持續(xù)12 s，即采集隊列填滿600點視為一次采樣結(jié)束。數(shù)據(jù)采完之后保存采樣數(shù)據(jù)，一次采樣流程結(jié)束。

圖5　數(shù)據(jù)采集流程圖

3.224h動態(tài)血壓監(jiān)測流程

對血壓數(shù)據(jù)進行24h的采集和存儲，可以讓用戶看到一天以及一段時間內(nèi)的血壓變化趨勢，得出一些特定時間內(nèi)的血壓變化的危險點，并在監(jiān)測到血壓異常的情況下進行報警。由于系統(tǒng)將采集的血壓數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)的存儲模塊中，因而用戶將可以對一段時間內(nèi)的血壓變化趨勢進行監(jiān)測。圖6是系統(tǒng)進行24h動態(tài)血壓監(jiān)測的流程圖。

圖6　24h動態(tài)監(jiān)測流程圖

首先系統(tǒng)進入正常的低功耗血壓采集循環(huán)，系統(tǒng)每5 min或者用戶通過按鍵中斷喚醒停機模式的系統(tǒng)，之后開始對脈搏信號進行一次采樣監(jiān)測。系統(tǒng)通過讀取實時時鐘RTC獲得當(dāng)前采樣的日期和時間。用戶可以通過顯示模塊讀取監(jiān)測的結(jié)果，如果檢測的結(jié)果超出預(yù)設(shè)的預(yù)警值范圍，則預(yù)警模塊將發(fā)出警報通知用戶，用戶可以通過按鍵取消報警。另一方面，系統(tǒng)將保存此次檢測的日期時間和血壓值。系統(tǒng)將對半小時內(nèi)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行匯總平均，作為這半個小時內(nèi)的平均血壓并連同時間一起存入存儲模塊。當(dāng)超過24h時，系統(tǒng)將對每半小時監(jiān)測的血壓數(shù)據(jù)進行匯總平均，作為一天的平均血壓并連同時間一起存入存儲模塊，從而實現(xiàn)對血壓24h動態(tài)監(jiān)測的目的。

3.3低功耗控制與實現(xiàn)

在系統(tǒng)的實際運行當(dāng)中，系統(tǒng)功耗主要體現(xiàn)在硬件電路、模塊耗散的電能和芯片邏輯運算、等待耗散的電能方面。在硬件方面，本設(shè)計通過精簡電子元器件，選用超低功耗STM32L芯片來達到降低功耗的效果。在軟件方面，通過精簡代碼、算法和利用STM32L的降低功耗模式的編程達到低功耗的效果。

本系統(tǒng)采用的是開啟實時時鐘的停機模式實現(xiàn)低功耗功能［5］。首先，在程序初始化的過程中通過函數(shù)RTC_Config（）對RTC進行初始化配置，定義外部32.786 k Hz低速晶振作為RTC時鐘，并初始化RTC時鐘時間，使能RTC時鐘。通過函數(shù)RTC_AlarmConfig（）對RTC鬧鐘進行配置，將喚醒時間定為5 min。之后進入主程序循環(huán)，在每次數(shù)據(jù)采集完成之后將各個I/O口重新配置成模擬輸入模式，同時通過PWR_EnterSTOPMode（PWR_Regulator_Low Power，PWR_STOPEntry_WFI）函數(shù)讓系統(tǒng)進入停機模式。在進入停機模式之后，系統(tǒng)通過RTC鬧鐘每5 min自動喚醒或者按鍵外部中斷喚醒，喚醒之后系統(tǒng)對用到的I/O口以及RTC鬧鐘重配置，才能進入下一次數(shù)據(jù)采集過程。如此系統(tǒng)只在采樣工作的時間運行，空閑時間進入停機模式，實現(xiàn)了軟件方面的低功耗設(shè)計。

4　測試結(jié)果與分析

在未開啟低功耗模式時，利用5 V直流電源供電，采集數(shù)據(jù)過程中對電池電流進行測試，電流為108 mA。在開啟低功耗模式后，利用同樣的電源供電，在數(shù)據(jù)采集過程中電流為56 mA，進入停機模式后功耗為3 mA。系統(tǒng)功耗得到明顯降低，采集到的脈搏波形如圖7所示。對24歲健康成年男性進行6h的血壓動態(tài)監(jiān)測，結(jié)果如圖8所示。

圖7　一次數(shù)據(jù)采樣600點的脈搏波形

圖8　動態(tài)血壓趨勢

同時本系統(tǒng)對6名志愿者進行血壓測試，收縮壓（SBP）、舒張壓（DBP）、結(jié)果和Microlife BP3GX1-5X標(biāo)準(zhǔn)充氣袖帶式血壓計測試結(jié)果對比如表2所列。

表2　6組實驗測試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)血壓計測試結(jié)果對比

測試結(jié)果表明，系統(tǒng)通過對腕部脈搏波的實時監(jiān)測獲取血壓信息，并實現(xiàn)了24h連續(xù)動態(tài)血壓監(jiān)測的效果。本文利用超低功耗STM32L芯片的低功耗停機模式，滿足了系統(tǒng)的低功耗需求；并且系統(tǒng)具有RTC鬧鐘自動喚醒和按鍵中斷喚醒兩種喚醒功能，使用戶能更加靈活地運用。

［1］王繼光.24h動態(tài)血壓監(jiān)測：適用人群及臨床意義［J］.中國高血壓雜志，2014（7）.

［2］ST Microelectronics Corporation.STM32L151x6/8/B，STM 32 L152x6/8/B Datasheet，2013.

［3］TI.MSP430x13x，MSP430x14x，MSP430x14x1 MIXED SIGNAL MICROCONTROLLER Datasheet，2013.

［4］林治川，董慶龍，歐陽葆怡.動脈血壓張力測量法的臨床應(yīng)用［J］.廣州醫(yī)藥，2001（32）.

［5］馬忠梅，徐琰，葉青.ARM Cortex微控制器教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［6］Pickering Thomas G，Shimbo Daichi，Haas Donald.Ambulatory Blood-Pressure Monitoring［J］.New England Journal of Medicine，2006，354（6）.

郭友達（碩士研究生），主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。

24h Ambulatory Blood Pressure Monitoring System Based on Arterial Tension Method and STM32L

Guo Youda1，2，Lei Hengbo2，Xu Yajie2，Xing Xiaoman2，Kang Mingcai1，Sun Mingshan2
（1.School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2.Medical Image Department，Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology Chinese Academy of Sciences）

A high-performance 24h continuous ambulatory blood pressure monitoring system is introduced which based on a high sensitivity pressure sensor and STM32L.The work principle，the flow and the design of hardware and software are described.The pressure sensor is used to monitor the wrist pulse wave，and estimates the blood pressure using the arterial tension method，so the 24h continuous ambulatory blood pressure monitoring is achieved.At the same time，the system has the functions of automatically entering the low-power consumption state，5min auto wake-up，push button interrupt wake-up，and abnormal blood pressure alarming.It overcomes the shortcomings of the conventional blood pressure monitors，such as unable to monitor blood pressure 24h continuously，easily influenced by accidental factor，and poor real-time performance.

STM32L；24h continuous ambulatory blood pressure monitoring；low-power consumption；pressure sensor

TP29

A

??楊迪娜

2016-04-08）