適用急救場景的腕式血壓計(jì)設(shè)計(jì)

龐 宇，羅國慶，陳 剛，黃 欣

(1.重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065；2.西南集成電路設(shè)計(jì)有限公司，重慶 400065)

在急救中，作為基本生命體征的血壓是傷員傷情的重要判斷依據(jù)。例如，麻醉中需要依據(jù)血壓判斷是否追加鎮(zhèn)痛藥物，是否深度麻醉等[1]。傷員若出現(xiàn)低血壓，可提醒醫(yī)護(hù)人員該傷員有出現(xiàn)休克的可能。而在現(xiàn)代事故中，若需要急救的傷員多，傳統(tǒng)的腕式血壓計(jì)無法綁定傷員信息，只能通過醫(yī)護(hù)人員手動記錄，加重了醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。

本文設(shè)計(jì)的腕式血壓計(jì)基于示波法原理，以Stm32單片機(jī)為處理器，結(jié)合模擬信號處理電路以及數(shù)字信號處理方法對采集的袖帶壓力脈搏波信號進(jìn)行處理。利用雙高斯函數(shù)進(jìn)行脈搏波振幅雙曲線擬合，變幅度系數(shù)法求取收縮壓與舒張壓。采用近場通信完成傷員信息綁定和體征數(shù)據(jù)傳輸，可設(shè)置自動血壓測量時間，減輕醫(yī)護(hù)人員急救中的工作量，提升救援效率。

1 示波法血壓測量原理

血壓測量主要有直接測量與間接測量兩種方法[2-6]。示波法屬于間接測量方法，其原理是血液流動對血管壁沖擊的振蕩會隨著心臟收縮和舒張而變動，對血管加壓，檢測出壓力振蕩脈搏波，利用該振蕩脈搏波與血壓的關(guān)系，采取一定血壓判定方法獲得血壓信息[7-9]。

本文設(shè)計(jì)的腕式血壓計(jì)通過腕帶對人體血管加壓，加壓至搏波消失后，停止加壓，然后緩慢勻速放氣減壓，壓力減小至收縮壓時，脈搏波出現(xiàn)。此后隨著放氣，壓力減小，脈搏波振幅逐漸增大，壓力減小至與平均壓相等時，脈搏波振幅最大；繼續(xù)放氣，脈搏波幅度逐漸減小，所加壓力小于舒張壓后，脈搏波幅度將不再變化，此時快速放氣，完成振蕩脈搏波的檢測。

利用振蕩脈搏波計(jì)算血壓時，主要分為幅度系數(shù)法與波形特征法兩種[10-14]。然而由于實(shí)際使用中，血壓計(jì)測量時獲取的脈搏波波形并不標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確檢測波形特征的方法復(fù)雜，而幅度系數(shù)法計(jì)算血壓，方法簡單，可降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。幅度系數(shù)法又稱歸一法，如式(1)(2)所示，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，收縮壓對應(yīng)的脈搏波幅度ASP與平均壓對應(yīng)的脈搏波幅度AMP比值K1在0.3～0.75范圍，舒張壓對應(yīng)的脈搏波幅度ADP與平均壓對應(yīng)的脈搏波幅度AMP比值K2在0.45～0.9范圍。固定幅度系數(shù)法采用固定比值來計(jì)算，個體適應(yīng)較差。變幅度系數(shù)法根據(jù)不同的平均壓采用不同的比值，更能適應(yīng)個體差異。本文采用變幅度系數(shù)法實(shí)現(xiàn)血壓計(jì)算，變幅度系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[16]確定[15-17]。

(1)

(2)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與主要硬件電路

整體系統(tǒng)如圖1所示，主要包括作為核心控制和數(shù)字信號處理單元的STM32單片機(jī)、德宇鑫公司的氣泵DQB030-A3V、電磁閥DQF1-3A、全磊公司的壓力傳感器MPS3117、儀表放大器AD627、OPA2336運(yùn)算放大器、電壓管理模塊、限流開關(guān)芯片、近場通信系統(tǒng)、光報(bào)警電路、OLED屏幕等。

圖1 血壓計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 信號采集與處理電路

袖帶壓力脈搏波采樣電路如圖2所示。壓力傳感器全磊的MPS3117檢測壓力范圍為0～5.8PSI，工作溫度范圍為-40～85 ℃，適合制備腕式血壓計(jì)。該傳感器內(nèi)部為一個電阻橋，供電要求為恒壓源或恒流源，本文采用恒流源設(shè)計(jì)，以O(shè)PA2336搭建集成運(yùn)放恒流源，以L385-1.2作為穩(wěn)定參考電壓，提供1.2 V穩(wěn)定電源。根據(jù)式(3)，RS設(shè)定為1.2 K，因此恒流源為1 mA。

Vref=Iout×RS

(3)

由于使用的運(yùn)算放大器是單電源軌到軌輸出擺幅，且單片機(jī)A/D采樣范圍為0～3 V,因此采用1.2 V穩(wěn)壓電源為放大和濾波電路提供共模電平，將脈搏波基線拉升至1.2 V，共模電平值的選擇可根據(jù)選擇的傳感器輸出幅度確定，保證不引起脈搏波波形截止即可。

圖2 壓力脈搏波采集電路

本文設(shè)計(jì)的信號放大及帶通濾波電路如圖3所示。脈搏波信號只有毫伏級，需放大信號。AD627為微功耗儀表運(yùn)算放大器，應(yīng)用電路簡單，只需一個外部電路即可確定放大倍數(shù)，本文設(shè)置為28倍。模擬信號電路為OPA2336搭建設(shè)計(jì)的巴特沃斯帶通濾波器,通頻帶為0.5～6 Hz，濾波電路用于從袖帶壓力脈搏波中分離出脈搏波信號。

圖3 信號放大及帶通濾波電路

2.2 氣泵、電磁閥控制電路

氣泵、電磁閥控制電路如圖4所示。本文氣泵與電磁閥在3 V工作電壓下，電流達(dá)到200 mA，而單片機(jī)管腳最大能提供的電流僅為25 mA,需要外部驅(qū)動電路。驅(qū)動電路由74HC32與門控制器和最大能承受500 mA電流的8550PNP型硅三極管組成。與門用于邏輯控制以及將強(qiáng)電流電路與弱電流電路相隔離，減少氣泵和電磁閥工作時對數(shù)字電路的影響，三極管用于提供需要的電流，增加驅(qū)動能力。

圖4 氣泵、電磁閥控制電路

2.3 電源控制電路

整個血壓計(jì)的電源分為3、9 V。穩(wěn)壓芯片TPS63020提供3 V電源，給整個數(shù)字電路和模擬電路供電。9 V電源由TPS61040穩(wěn)壓芯片將3 V轉(zhuǎn)換為9 V提供，TPS61040為低功耗BoostDC/DC穩(wěn)壓芯片，提供400 mA電流，主要為OLED屏幕供電。電源控制電路還包含1個限流開關(guān)芯片TPS2065，該限流開關(guān)主要用于氣泵和電磁閥的模擬電路限流，防止因過流而影響整個電路工作。限流開關(guān)也作為腕式血壓計(jì)低功耗的保證，可通過單片機(jī)控制開關(guān)關(guān)閉，開關(guān)關(guān)閉后最小電流可維持在1 μA。

2.4 加壓監(jiān)測電路

血壓計(jì)在使用過程中由于裝置佩戴不正確、測量姿勢不正確、血壓計(jì)本身異常情況等，會導(dǎo)致加壓不正確。過高的加壓會對人體血管造成傷害，雖然程序中已經(jīng)增加對袖帶壓力的監(jiān)測，但由于采用的單片機(jī)是單核，在處理任務(wù)時會有延遲，因此設(shè)計(jì)了加壓監(jiān)測電路，如圖5所示，其以電壓比較器ADCMP600為核心。設(shè)計(jì)1個電壓比較電路，閾值為240 mV，即200 mmHg時所對應(yīng)的壓力傳感器的輸出值，輸入為壓力傳感器經(jīng)儀表放大器放大之后的信號。當(dāng)達(dá)到閾值時，即開啟電磁閥，快速放氣，保證使用者安全。

圖5 加壓監(jiān)測電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本文的所有控制流程以及數(shù)字信號處理算法均在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)，算法的有效性通過前期Matlab驗(yàn)證，后期通過實(shí)際血壓測量求證。

3.1 整體軟件控制流程

整體軟件控制流程如圖6所示。系統(tǒng)初始化后，等待傷員信息與裝置綁定。綁定結(jié)束后，可手動按下血壓測量按鍵，也可等待設(shè)置的測量間隔時間結(jié)束后自動測量。氣泵和電磁閥均通過PWM波控制，加壓時，先控制氣泵快速加壓至100 mmHg,之后緩慢加壓，并檢測脈搏波是否消失，如脈搏波消失則進(jìn)行放氣；如加壓至200 mmHg脈搏波仍未消失，為避免對測試者造成傷害，進(jìn)行快速放氣，并通過OLED屏幕提醒用戶此次血壓測量失敗。放氣階段，控制電磁閥緩慢放氣，并監(jiān)測由帶通濾波器分離出的脈搏波變化狀況，脈搏波從無到有，再到幅度穩(wěn)定不再變化時，快速放氣，對采集到的袖帶壓力脈搏波信號進(jìn)行預(yù)處理和血壓計(jì)算。獲得的血壓值按照本文制定通信協(xié)議存儲至近場通信標(biāo)簽，之后通過近場通信送至終端，供醫(yī)護(hù)人員參考。

3.2 信號預(yù)處理

信號預(yù)處理軟件流程如圖7所示。圖7(a)為采集到的袖帶靜壓與脈搏波的混合信號。前段下降的曲線為充氣采集到的信號，在計(jì)算血壓時并不需要；后段上升的曲線是緩慢放氣時采集到的信號，在之后的數(shù)字信號處理中也主要是對后段上升的信號進(jìn)行處理。

圖6 軟件控制流程

3.2.1袖帶靜壓脈搏波混合信號預(yù)處理

對袖帶靜壓脈搏波混合信號的預(yù)處理流程如圖7(a)所示，主要為分離袖帶靜壓，袖帶靜壓為小于0.5 Hz的信號，因此低通濾波即可得到該信號。為保證信號的線性相位，使用FIR濾波器來設(shè)計(jì)低通濾波器。利用Matlab采用最優(yōu)化方法設(shè)計(jì)40階低通濾波器，分離出袖帶靜壓。

圖7 信號預(yù)處理軟件流程

3.2.2脈搏波信號預(yù)處理

脈搏波預(yù)處理流程如圖8(b)所示。圖7(a)后段上升的混合信號經(jīng)過模擬帶通濾波器后即可得到脈搏波波形。雖然帶通濾波器頻率范圍為0.5～7 Hz，但經(jīng)單片機(jī)A/D采樣后仍然混入了高頻噪聲，因此仍需利用低通濾波器濾除高頻噪聲。

為減輕之后信號處理的計(jì)算量，在計(jì)算血壓前，將脈搏信號基線設(shè)置為0。本文利用多項(xiàng)式擬合方法去除脈搏波信號的基線，也對存在的基線漂移進(jìn)行修正[15]。最終計(jì)算血壓的脈搏波波形如圖8(b)所示。

圖8 采集的袖帶壓力脈搏信號

3.3 脈搏波特征點(diǎn)檢測及曲線擬合

采用幅度系數(shù)法計(jì)算血壓時，首先要定位脈搏中振幅最大處，通常做法是定位脈搏波峰值點(diǎn)，利用函數(shù)擬合，找到該函數(shù)最大值處即振幅最大處[16-20]。但現(xiàn)實(shí)測量中所獲取的脈搏波信號存在基線漂移，即使經(jīng)過前期的基線漂移處理，由于測量時人體的抖動等因素影響，仍會造成波峰或波谷上移或下移，僅檢測波峰最大值并不夠準(zhǔn)確。因此，本文使用波峰和波谷差值作為特征檢測和擬合對象。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該方法所檢測的最大脈搏波幅度更加準(zhǔn)確。圖9(a)為利用差分閾值法定位的波峰波谷。本文采用的差分閾值法是將預(yù)處理后的脈搏波信號前后相減，滿足變符號，幅值大于閾值，前后所認(rèn)定的特征點(diǎn)間距大于閾值，即認(rèn)定為特征點(diǎn)。這樣的處理可以防止將重搏波、擾動判定為波峰或波谷。圖9(b)中散點(diǎn)即為波峰與波谷相減獲得脈搏波振幅。獲得振幅后，需要對振幅散點(diǎn)進(jìn)行擬合。目前常用高斯函數(shù)進(jìn)行擬合，但是不同高斯函數(shù)形式在擬合效果和抗干擾性能上有所不同。本文選取3種不同高斯函數(shù)進(jìn)行擬合對比實(shí)驗(yàn)，3種函數(shù)如式(4)～(6)所示,式(4)為1階高斯函數(shù)，式(5)為1階高斯函數(shù)加一常數(shù)偏移量，式(6)為2個不同參數(shù)高斯函數(shù)相加。利用40組采集的脈搏波信號進(jìn)行擬合。式(4)平均擬合確定系數(shù)為R2=0.742 9，式(5)平均擬合確定系數(shù)為R2=0.975 3，式(6)平均擬合確定系數(shù)為R2=0.990 3?？梢钥闯?，式(6)具有更好的擬合優(yōu)度，但是式(6)需要擬合的參數(shù)較多，計(jì)算量大；而式(5)雖然擬合優(yōu)度不如式(6),但擬合結(jié)果在可接受范圍，其擬合參數(shù)復(fù)雜度較式(6)低，因此本文采用式(5)作為擬合函數(shù)。

(4)

(5)

(6)

圖9 脈搏波特征定位以及曲線擬合

傳統(tǒng)血壓計(jì)中一般使用單高斯函數(shù)擬合，本文使用雙高斯函數(shù)擬合。所謂雙高斯函數(shù)擬合，即以檢測的最大振幅處為分界線，最大振幅左右兩邊分別用不同參數(shù)的高斯函數(shù)擬合。采用雙高斯擬合是因?yàn)椴杉拿}搏波并不具備很好的對稱性，這使得雙高斯擬合成為可能。對采集的40組脈搏波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別采用單高斯擬合和雙高斯擬合，擬合結(jié)果為：單高斯函數(shù)擬合平均確定系數(shù)R2=0.990 1，而雙高斯函數(shù)擬合中，左邊函數(shù)擬合平均確定系數(shù)R2=0.994 1，右邊高斯函數(shù)擬合平均確定系數(shù)R2=0.995 2，表明雙高斯曲線擬合優(yōu)度優(yōu)于單高斯函數(shù)擬合。

本文除了對脈搏波進(jìn)行擬合外，也對袖帶靜壓進(jìn)行了3階多項(xiàng)式擬合。對靜壓進(jìn)行擬合的必要性在于采集的靜壓值也是離散信號，如不進(jìn)行擬合，針對在脈搏波上確定的壓力位置，由于離散性，在靜壓值中可能會不存在與之相對的值，而利用擬合的函數(shù)則可以解決這個問題。

3.4 數(shù)據(jù)存儲格式

本裝置使用近場通信標(biāo)簽存儲數(shù)據(jù)，選用德州儀器的RF430CL330H標(biāo)簽,該標(biāo)簽支持ISO/IEC 14443協(xié)議。所有支持該協(xié)議類型的閱讀器均可讀出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按照表1指定的存儲格式存儲，讀出數(shù)據(jù)后按照該存儲格式解析數(shù)據(jù)即可。裝置編號在編程時已固定，裝置綁定人的身份標(biāo)志由姓名、年齡、籍貫、接收時間組成。檢測數(shù)據(jù)為佩戴上裝置后所有測試的數(shù)據(jù)，檢測數(shù)據(jù)除了保存血壓，還會保存測試時間，方便醫(yī)護(hù)人員讀出數(shù)據(jù)后觀察傷員傷情隨時間的變化。

表1 數(shù)據(jù)存儲格式

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用擬合好的曲線，根據(jù)式(1)(2),即可獲取舒張壓與收縮壓的A/D采樣值。壓力傳感器特性如式(7)所示,其中：P0為未給袖帶施加靜壓時的A/D值；P為實(shí)際的壓力值；yAD為袖帶施加靜壓力時的值；k為一個常數(shù)，最后根據(jù)實(shí)際測量值擬合得來。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)最后的擬合值k=8.1。

P0-kP=yAD

(7)

本文方法的腕式血壓計(jì)樣機(jī)如圖10所示，利用標(biāo)準(zhǔn)游標(biāo)卡尺測量得到尺寸為36.55 mm×21.90 mm。將裝置與標(biāo)準(zhǔn)血壓計(jì)對比，結(jié)果如表2所示，顯示收縮壓平均誤差為4.8 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為2.57 mmHg，舒張壓平均誤差為4.5 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為1.95 mmHg，符合美國ANSI/AA-MI SP10-1992血壓測量標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 裝置實(shí)物圖及尺寸測量

表2 實(shí)驗(yàn)裝置與標(biāo)準(zhǔn)血壓計(jì)測量結(jié)果對比

5 結(jié)束語

本文針對急救應(yīng)用場景設(shè)計(jì)了一款腕式血壓計(jì)。該血壓計(jì)具有綁定傷員信息、自動測量血壓的功能，可降低醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度。血壓計(jì)采用模擬與數(shù)字信號處理相結(jié)合的方法，在數(shù)字信號處理中通過最大脈搏振幅確定平均壓。對比了3種高斯函數(shù)擬合優(yōu)度，采用合適的高斯函數(shù)進(jìn)行雙曲線擬合脈搏振幅，對袖帶靜壓進(jìn)行擬合，使得血壓計(jì)測量符合要求，抗干擾性能好，為急救場景中的便攜體征檢測裝置設(shè)計(jì)提供參考。