基于壓力傳感器的高精度血壓計系統(tǒng)設計*

胡 錦, 彭詩瑤,, 張 浩, 閻躍鵬

(1．湖南大學 物理與微電子科學學院，湖南 長沙 410082；2．中國科學院 微電子研究所，北京 100029)

0 引 言

在生物醫(yī)學中，血壓是反映人體生理狀況的一項重要指標，血壓的高低反映了人體心臟泵血功能、心率、血液狀態(tài)等功能狀況[1]，身體健康的重要條件之一就是保持正常血壓[2]。高血壓是很常見的慢性病，也是誘發(fā)心腦血管病最主要的危險因素，同時也會引發(fā)心肌梗塞、腦出血、腎衰竭等并發(fā)癥[3]。因此，血壓檢測對疾病診斷、治療以及監(jiān)護具有重要意義。

臨床上血壓測量技術分為直接法和間接法。直接法是將連接壓力傳感器的導管直接插入大動脈或心室檢測血壓信號，其測量的血壓數(shù)據(jù)準確，但技術要求高，且有一定創(chuàng)傷性，一般限于危重病人或開腔手術病人。間接法是無創(chuàng)測量方法，利用脈管內(nèi)壓力與血管阻斷開通時刻所出現(xiàn)的血流變化間的關系，從體表測出壓力值。目前，無創(chuàng)傷測量方法常用的有柯氏音法、示波法、超聲法、脈搏延時法等。柯氏音法常見于臨床測量，方便易行，但容易受外界干擾，其他聲音振動會影響測量準確度[4]。超聲法是利用超聲波對血流和血管壁運動的多普勒效應來檢測血壓。脈搏延時法則利用血管內(nèi)壓力超過袖帶壓力時產(chǎn)生的脈搏波滯后于心電圖R波的原理測量血壓[2]。由于脈搏波信號頻率較低，適于計算機處理，在柯氏音法的基礎上改進的示波法廣泛應用于血壓監(jiān)護儀和家庭血壓計中。

為了方便、準確地實時檢測血壓值，本系統(tǒng)采用示波法，結合嵌入式技術和信號處理技術，設計實現(xiàn)了一種以壓力傳感器為基礎的高精度血壓測量系統(tǒng)。

1 示波法血壓測量原理

示波法又稱測振法，采用充氣袖帶來阻斷動脈血流，由于動脈血流的脈動，在放氣過程中通過壓力傳感器檢測袖帶內(nèi)動脈血流產(chǎn)生的氣壓振蕩波。其原理如圖1所示。

在袖帶靜壓力按階梯式均勻放氣過程中，振蕩波波幅呈現(xiàn)先增大后減小的近似拋物線包絡，可根據(jù)此包絡判定血壓。判定收縮壓(systolic blood pressure，SBP)與舒張壓(diastolic blood pressure，DBP)依據(jù)經(jīng)驗判別準則，包含突變點與歸一化準則。突變點準則就是將振動波波幅明顯增大點和明顯減小點分別作為收縮壓和舒張壓判別點，此種方法難以把握。最常用的是歸一化準則，即將信號幅值與信號最大幅值相比作歸一化處理。由于袖帶內(nèi)振動波幅度和波形受心率、脈壓、動脈彈性以及袖帶特性等因素的影響[2]，不同儀器采用的歸一化值不完全相同。

圖1 血壓測量原理圖

2 硬件設計

本設計采用飛思卡爾公司的壓力傳感器MP3V5050GP、TI公司的MSP430FG437單片機和三星公司的S3C2440芯片作為主要器件,系統(tǒng)構成如圖2。系統(tǒng)由壓力傳感器、單片機、ARM處理器、袖帶、氣泵、氣閥、放大電路、濾波電路、光耦隔離電路、電源等組成。

圖2 硬件電路圖

2.1 壓力傳感器

人體生理信號是低頻小信號，一般是μV～mV級的，頻率范圍是0～300 Hz，信噪比低[5]，因此，選擇一個性能良好的傳感器非常重要。MP3V5050GP壓力傳感器內(nèi)部含有信號運放和信號調(diào)節(jié)功能，具有良好的線性度，輸出電壓與所加壓力呈正比關系，可以進行片上補償，并且其溫度補償特性能克服半導體壓力敏感器件存在的溫度漂移問題。它可以直接將血壓值為0～375 mmHg的動脈血液對血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為0～4.7 V的電信號，與血壓計的設計要求非常匹配，因此，特別適合示波法血壓測量。

2.2 處理器的選擇

為便于系統(tǒng)監(jiān)測、信號采集、信號處理，本文采用單片機與ARM處理器結合的方法，達到快速、準確的目的。MSP430FG437是TI公司的一種16位具有精簡指令集的混合型單片機，集成了A/D轉(zhuǎn)換器、定時器、串行通信接口等，功耗低，系統(tǒng)穩(wěn)定，片內(nèi)外設豐富。S3C2440芯片是三星公司的一種基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式芯片，適用于低成本、低功耗、高性能的手持設備或其他電子產(chǎn)品。

2.3 氣動電路設計

氣動部分由2只壓力傳感器、氣泵、袖帶、快速放氣閥、慢速放氣閥、五接口連通接頭等元器件組成。當電磁閥關閉時，啟動氣泵給袖帶充氣。微處理器根據(jù)袖帶內(nèi)的空氣容量和壓力選擇適當?shù)碾姶砰y進行快速或者精確放氣。本設計采用2只壓力傳感器的目的是保證1只傳感器出現(xiàn)故障時，仍能進行正常測量。

2.4 濾波電路設計

壓力傳感器檢測出來的信號包含袖帶靜壓力與脈搏信號兩部分，同時還伴有高頻干擾和直流或低頻分量。脈搏信號頻率一般約為1 Hz，所以，將信號分為兩路進行處理：一路直接連接A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，得到袖帶靜壓力；另一路通過C114和C5進行低通濾波后，經(jīng)OPA348放大，再通過C7，R23，R24高通濾波，得到脈動壓力波。低通濾波器的截止頻率為22 Hz，用于濾去高頻干擾信號和50 Hz的交流電干擾，高通濾波器的截止頻率為0.5 Hz。濾波電路如圖3所示。

圖3 濾波電路圖

3 軟件設計

軟件部分是整個系統(tǒng)有效工作的核心，軟件設計主框圖如圖4。系統(tǒng)上電后，首先對定時器、A/D、串口和I/O口進行初始化，然后檢查是否有按鍵按下，若沒有，則繼續(xù)等待；若有，則調(diào)用測量前檢測程序，進行系統(tǒng)自檢、漏氣檢測、袖帶類型檢測、袖帶松緊合適判斷、校準等相應處理。再調(diào)用血壓測量子程序，進行正式血壓測量，完成整個測量過程。

圖4 軟件設計主框圖

3.1 血壓測量子程序

血壓測量子程序包括兩路信號實時顯示、濾波處理、脈搏波波幅檢測、數(shù)據(jù)平滑、內(nèi)插、曲線擬合、血壓值計算、血壓值合理判斷。

程序啟動后，定時器產(chǎn)生定時中斷，啟動血壓測量子程序。首先對袖帶充氣，通過A/D檢測袖帶靜壓力，當袖帶壓力至160 mmHg或高于收縮壓30 mmHg時，停止充氣，通過電磁閥按照5～10 mmHg步長進行階梯式放氣[6]，并維持一定時間，在每個臺階上檢測振蕩波，并對其濾波。在同一臺階上，由動脈波動引起的脈搏信號在幅度、波形和持續(xù)時間上基本一致，因此,當傳感器連續(xù)檢測到2個相匹配的脈搏波時，放氣并計算其平均峰值，將其存儲在某一個變量中，同時存儲該臺階的靜壓力值。顯然，脈搏波的振幅隨放氣臺階的變化而變化。當檢測到舒張壓預估值時快速放氣。MSP430將脈搏波峰值、靜壓力值發(fā)送給ARM，作內(nèi)插、平滑、曲線擬合等處理，計算出該近似拋物線包絡的最大值。該最大值所對應的氣袖靜壓即是平均壓。最后根據(jù)收縮壓和舒張壓歸一化值求出對應的收縮壓與舒張壓。血壓測量子程序框圖如圖5。

圖5 血壓測量子程序圖

3.2 脈搏波檢測算法

軟件設計難點在于檢測有效脈搏波峰值,比較經(jīng)典的方法是閾值法，但閾值法的結果誤差較大，特別在有干擾脈搏波信號時達不到預期目的[7]。因此,本文根據(jù)脈搏波特征點設計了一種改進的閾值法，既可以準確地提取有效的脈搏特征信號，又可以減少測量時間。脈搏波檢測流程如圖6所示。

圖6 脈搏波檢測流程圖

3.3 數(shù)據(jù)處理

脈搏波采集完成后，需對其進行曲線擬合、內(nèi)插與平滑處理。為了選擇合適的算法擬合振蕩波包絡線，分別采用了高斯曲線、卡爾曼濾波算法擬合。高斯曲線擬合如圖7(a),自適應卡爾曼濾波算法擬合如圖7(b)。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，卡爾曼濾波算法比高斯曲線擬合效果更好。

3.3.1 自適應卡爾曼濾波算法

卡爾曼濾波算法是采用遞推的算法實現(xiàn)的，其基本思想是先不考慮輸入噪聲與觀測噪聲的影響，得到狀態(tài)變量與輸出信號的估計值，再用輸出信號的估計誤差加權后校正狀態(tài)變量的估計值，使狀態(tài)變量估計誤差P的均方值最小。因此，卡爾曼濾波算法關鍵是計算出加權矩陣H的最佳值[8]。

假設系統(tǒng)k時刻的狀態(tài)變量為Xk，狀態(tài)方程和輸出方程分別表示為

Xk+1=Ak+1Xk+Wk,

(1)

Yk=CkXk+Vk,

(2)

式中X為狀態(tài)變量，Y為觀測數(shù)據(jù)，A為狀態(tài)變量的增益矩陣，C為狀態(tài)變量與輸出信號之間的增益矩陣，Wk為輸入信號白噪聲，Vk為觀測白噪聲。

按照以上基本思想可推算出以下公式

(3)

(4)

(5)

(6)

3.3.2 內(nèi)插與平滑

由于經(jīng)過自適應卡爾曼濾波處理后的數(shù)據(jù)是離散的，還需進行內(nèi)插與平滑處理，以提高計算精確度。

1)本文以0.5 mmHg的間隔進行三點內(nèi)插，內(nèi)插公式如下

(7)

其中，zm為m點內(nèi)插后的幅度值，am為內(nèi)插點靜壓力值，y為原脈搏波幅度值，x為原靜壓力值。

2)再采用五點加權平滑算法，權重分別為2，2，1，2，2，公式如下

(8)

圖7 高斯曲線和卡爾曼濾波擬合圖

4 測量結果與分析

采用美國FLUKE公司的BP—Pump 2無創(chuàng)血壓監(jiān)護測試儀對本系統(tǒng)進行檢測評估。BP—Pump 2提供動態(tài)血壓模擬以測試無創(chuàng)血壓參數(shù)，還能模擬病人狀態(tài)、心率失常、新生兒等狀態(tài)，可以全面檢測不同條件下無創(chuàng)血壓儀的血壓測量準確度[9]。測量結果如表1、表2所示,每個標準值平均測試20次，并求其方差。

表1 正常模式測量結果(mmHg)

表2 心律不齊模式測量結果(mmHg)

由表1、表2數(shù)據(jù)結果可以看出：無論是何種模式，本電子血壓計的測量誤差小于4 mmHg。相比于許多商用電子血壓計無法測量高于200 mmHg、低于50 mmHg的血壓，本設計的測量范圍可達0～295 mmHg，因此，可以在臨床診斷和家庭醫(yī)療保健中應用。

5 結 論

本文詳細介紹了血壓測量的硬件平臺與軟件設計。本文的創(chuàng)新有以下3個部分：1)采用單片機與ARM處理器有效結合的方法，既能準確檢測脈搏波信號，又能進行復雜信號處理，提高了測量精度，降低了測量時間；2)在傳統(tǒng)閾值法的基礎上，設計了一種改進的閾值法，能夠準確地提取出脈搏波形圖中的峰值，不影響原信號的其他特性；3)采用卡爾曼濾波算法擬合包絡線，方法簡單，易于編程實現(xiàn)。測量誤差低于4 mmHg，測量范圍可達0～295 mmHg，精度高，穩(wěn)定性好，系統(tǒng)的設計達到測試的要求，有非常高的實用價值。

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