基于示波法和高斯擬合的電子血壓計研究與實現(xiàn)

韓云+俞阿龍+宋奔騰

摘 要： 近年來高血壓在中老年人群中發(fā)病率不斷上升，心血管病人呈現(xiàn)出低齡化大眾化的趨勢。在這樣的背景下，以往的醫(yī)院診所式的測量方式已經(jīng)遠遠不能滿足人們的測試需求，隨著電子血壓計的出現(xiàn)，這一現(xiàn)象才得到緩解，大大提高了效率。該文以此為著眼點，介紹以示波法和高斯擬合的血壓判定方法設計的便攜式電子血壓計。借助RealViewMDK開發(fā)套件，以STM32F103C8T6處理器為核心，詳細分析了硬件選型及軟件設計流程。該文綜合了市場上絕大多數(shù)血壓計的優(yōu)點，設計出了功耗低、測試時間短、精度高的電子血壓計，測試結果與水銀血壓計測試結果基本吻合，具有更高的實用價值。

關鍵詞： 電子血壓計； 示波法； 高斯擬合； STM32F103C8T6

中圖分類號： TN98?34； TP368.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0176?03

Electronic sphygmomanometer research and implementation based on

oscillography and Gaussian fitting

HAN Yun， YU Along， SONG Benteng

（College of Electrical Engineering and Control Science， Nanjing Tech University， Nanjing 210000， China）

Abstract： With the continuously increasing of the high blood pressure morbidity of the elderly population， the tendency of the cardiovascular patients becomes younger?age trend and popularization. Under this background， the previous measurement modes of the hospital clinic cant satisfy the test requirement. With the appearance of the electronic sphygmomanometer， this phenomenon has been eased， and its efficiency is improved greatly. The portable electronic sphygmomanometer designed with the blood pressure judgment method based on the oscillography and Gaussian fitting is introduced. The hardware selection and software design process are analyzed in detail by means of the RealViewMDK development kit， and by taking STM32F103C8T6 as the core. The advantages of the vast majority of the sphygmomanometer in the market are synthesized to design an electronic sphygmomanometer with low power dissipation， short test time and high precision. The test results of this sphygmomanometer and mercury sphygmomanometer are basically matched. The sphygmomanometer has a higher practical value.

Keywords： electronic sphygmomanometer； oscillography； Gaussian fitting； STM32F103C8T6

高血壓對人體危害非常大，不僅直接產(chǎn)生頭疼、頭暈、失眠、煩燥、心悸、胸悶等一系列癥狀，長期下去對心、腦、腎及其靶器官的破壞是非常嚴重的。許多高血壓的患者死于中風、心衰和腎功能衰竭。近年來高血壓在中老年人群中發(fā)病率不斷上升，心血管病人呈現(xiàn)出低齡化大眾化的趨勢。如果能經(jīng)常測量自己的血壓，對預防和治療心血管疾病大為有益。電子血壓計應運而生， 與傳統(tǒng)水銀血壓計相比有無污染，體積小重量輕，攜帶方便的特點，越來越多的走進了人們的家庭里。本文設計了以STM32F103C8T6處理器為控制核心，采用示波法進行測量的電子血壓計，具有很高的實用價值。

1 示波法原理

血壓判定方法可分為直接測量法和間接測量法。直接測量法通過觀察插入大動脈內(nèi)的壓力傳感器的導管內(nèi)的液柱測得數(shù)據(jù)，此方法可靠性高，但技術難度大且有一定的創(chuàng)傷性，不適合大范圍使用。間接測量法可分為連續(xù)式測量和間歇式測量。電子血壓計一般采用間歇式測量，本文采用的示波法即為間歇式測量的代表性方法。示波法通過檢測血液流動時碰撞血管壁產(chǎn)生的振動來判定血壓，查找源于血管壁的搏動而產(chǎn)生的振蕩波的包絡，并根據(jù)包絡與動脈血壓之間的關系，得到血壓值。示波法多采用幅度系數(shù)法確定舒張壓和收縮壓，由于幅度系數(shù)法在對振蕩波的最強點以及和舒張壓、收縮壓與其的比值系數(shù)的選取比較困難，且幅度系數(shù)法的個體適應性差，本文采用基于示波法和高斯擬合的血壓判定方法：首先確定振蕩波中各個單波的峰值點；然后確定擬合振蕩波包絡線的最佳擬合曲線；進而查找包絡線的最大值，選定積分區(qū)間，提出的積分公式和最大值的位置，確定舒張壓和收縮壓的位置，最后確定舒張壓和收縮壓[2]。示波法測量示意圖如圖1所示。圖中尖脈沖是脈搏波，最上方是袖帶靜壓力，中間是高斯擬合后的包絡線。

2 硬件選型與設計

電子血壓計硬件主要包括STM32F103C8T6微處理器、壓力傳感器電路、氣閥氣泵控制電路、前置預放電路、濾波放大電路、按鍵和LCD顯示等。系統(tǒng)框圖見圖2。

2.1 STM32F103C8T6微處理器

本設計選用STM32F103C8T6處理器為主控制芯片，采用高性能的ARM Cortex?M3 32位RISC內(nèi)核，最高主頻達到72 MHz，高速嵌入式存儲器（閃存高達20 KB的SRAM），并連接到兩個APB總線廣泛的范圍內(nèi)增強I/O和外設。STM32F103C8T6處理器在本設計中主要完成氣泵氣閥電路的控制、A/D信號的采集、處理與存儲等功能。

2.2 前端信號采集與預處理

前端處理電路主要包括壓力傳感器、儀表放大和濾波放大電路，完成對輸入血壓信號的采集、濾波和放大。壓力傳感器選用美國芯源系統(tǒng)有限公司（MPS）公司生產(chǎn)的MPS1117（壓力值范圍0～300 mmHg），集成了4個壓敏電阻和1個彈性膜。

4個壓敏電阻形成了惠斯通電橋結構，當有壓力作用在彈性膜上時電橋會產(chǎn)生一個與所加壓力成線性比例關系的電壓輸出信號。儀表放大器選用亞德諾半導體（ADI）公司生產(chǎn)的AD620，具有高精度（最大非線性度40 ppm）、低失調電壓（最大50 μV）和低失調漂移（最大0.6 μV/°C）特性，是傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選。它還具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性，非常適合ECG和無創(chuàng)血壓監(jiān)測儀等醫(yī)療應用。只需要串接一個電阻就可以自由調節(jié)放大倍數(shù)，本系統(tǒng)前置放大倍數(shù)20倍，輸出的直流信號也就是袖帶靜壓力通過STM32F103C8T6的AD接口處理。脈搏波信號的頻率較低，易受外界高頻信號的干擾，在預放AD620后接一個0.8～20 Hz的帶通濾波器使外界干擾能得到20～30 dBm的衰減，帶外信號抑制能力強。濾波和后級放大均采用LM324運算放大器，后級放大30倍后接入STM32F103C8T6的AD端口。前端信號采集與預處理框圖如圖3所示。

2.3 氣閥氣泵控制電路

本設計采用廈門科際電子有限公司生產(chǎn)的KPM27W氣泵和KSV05B微型電磁閥，供電電壓DC 3～6 V，體積小、重量輕、響應速度快。

STM32F103C8T6微處理器I/O口輸出最大電流為8 mA，驅動氣泵和電磁閥需串接一個三極管S8050，然后通過I/O口輸出PWM波控制氣泵和電磁閥的充放氣速度。

2.4 按鍵處理與LCD顯示

按鍵和顯示模塊由3個獨立按鍵和一塊LCD1602組成，其中按鍵分別是開始、復位和查詢。按下開始鍵開機啟動一次測量，結果自動保存在RAM中。復位鍵可以結束這次測量，還原到初始狀態(tài)，準備下一次測量。再次按下開始鍵關閉電源，其中查詢鍵可任意翻看列次測量結果。LCD1602顯示收縮壓、舒張壓和測量時間。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件使用C語言基于RealViewMDK開發(fā)套件進行編程開發(fā)。系統(tǒng)開機后，微處理器對定時器、I/O口、ADC等內(nèi)部寄存器進行初始化配置，等待按鍵觸發(fā)。軟件設計流程圖如圖4所示。

軟件設計主要包括微處理器初始化、按鍵掃描程序、氣泵氣閥輸出PWM波控制程序、A/D采樣程序、數(shù)據(jù)濾波與血壓值計算程序、LCD顯示程序，具體流程見圖5。其中數(shù)據(jù)濾波與血壓值計算程序中采用了示波法和高斯擬合的血壓判定方法且對采集序列進行了抗干擾處理[2]。

4 性能評估

為了評估實測血壓值的準確性和穩(wěn)定性，以水銀血壓計測試數(shù)據(jù)為參考，邀請了來自南京工業(yè)大學的10名大學生志愿者，在無劇烈運動的情況下進行連續(xù)測量。實測結果和水銀測試數(shù)據(jù)結果偏差在10%以內(nèi)，滿足商用需求。

5 結 語

本文給出了利用示波法實現(xiàn)電子血壓計設計方案，包括基于STM32F103C8T6為控制核心的硬件和軟件設計。硬件設計具有低成本、低功耗、測試時間短等特點；軟件設計存儲方便用戶查看，開發(fā)實現(xiàn)了相應的實物儀表裝置。

注：本文通訊作者為俞阿龍。

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