基于AT89C51單片機(jī)控制的動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沙益夫

目前，我國(guó)平均每5個(gè)家庭就有2例高血壓患者，慢性高血壓的患病率增至4.8%，在老年人中更高達(dá)11.8%[1]。高血壓容易引發(fā)心腦血管和腎臟疾病等多種病變，嚴(yán)重者甚至導(dǎo)致猝死。臨床醫(yī)學(xué)實(shí)踐表明，對(duì)于高血壓的防治，最有效的手段是預(yù)防和保健，在對(duì)高血壓患者進(jìn)行經(jīng)常性監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，可盡早發(fā)現(xiàn)異常病變情況，及時(shí)進(jìn)行治療，以控制病情的進(jìn)一步發(fā)展。大量的臨床研究證明，將血壓控制在一定范圍內(nèi)，不但能延緩靶器官的損害，而且能夠降低腦卒中、冠心病和心臟性猝死的發(fā)生率[2]。然而，便捷、準(zhǔn)確地獲取人體血壓值及波動(dòng)情況是有效控制血壓的基礎(chǔ)。

連續(xù)間隔一段時(shí)間的血壓測(cè)量值稱為動(dòng)態(tài)血壓，動(dòng)態(tài)血壓測(cè)量在臨床治療上有著重要的指導(dǎo)意義，能有效避免單次測(cè)量的偶然性，包括：①因情緒波動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、飲食等因素造成的影響；②獲取更多組數(shù)據(jù)，能真實(shí)的描述血壓在全天內(nèi)的變化情況；③提高檢出率，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期無(wú)癥狀的輕高血壓或臨界高血壓患者；④動(dòng)態(tài)血壓在多數(shù)情況下可用來(lái)測(cè)定藥物治療效果，為選擇藥物，調(diào)整劑量與給藥時(shí)間提供支持；⑤動(dòng)態(tài)血壓對(duì)判斷預(yù)后有重要意義。與常規(guī)血壓相比，24 h血壓偏高者其病死率及第一次心血管病發(fā)病率，均高于24 h血壓偏低者，尤其是年齡＜50歲，舒張壓＜105 mmHg者[3]。

1 動(dòng)態(tài)血壓測(cè)量原理

動(dòng)態(tài)血壓的測(cè)量包括直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。直接測(cè)量法是一種有創(chuàng)測(cè)量法，通過(guò)在血管內(nèi)放置導(dǎo)管測(cè)得血壓，在對(duì)心臟手術(shù)及深度昏迷休克等危重病患者進(jìn)行大型手術(shù)時(shí)，對(duì)血壓進(jìn)行實(shí)時(shí)變化的監(jiān)測(cè)具有很重要的臨床價(jià)值，需要采用有創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；間接測(cè)量法又稱無(wú)創(chuàng)測(cè)量法，是通過(guò)充氣袖帶來(lái)阻斷上臂動(dòng)脈血流，從而間接測(cè)得血壓[4]。間接測(cè)量法又可分為聽(tīng)診法和示波法[5]。示波法又稱測(cè)振法，是通過(guò)建立平均壓、收縮壓、舒張壓與動(dòng)脈壓力波的關(guān)系來(lái)測(cè)量血壓，而本研究設(shè)計(jì)采用示波法原理。

2 動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)血壓測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)運(yùn)用單片機(jī)對(duì)袖帶的充放氣進(jìn)行控制，袖帶內(nèi)的壓力傳感器將袖帶的靜態(tài)壓力和動(dòng)脈壓力波轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào)輸出，此電信號(hào)分為兩路進(jìn)行放大濾波后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，最后進(jìn)入單片機(jī)，通過(guò)主程序的運(yùn)算處理，最終在液晶顯示器上面顯示出收縮壓與舒張壓的測(cè)量值。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理示圖

3 動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)元器件選擇

3.1 壓力傳感器

人體的血壓信號(hào)一般是介于μV級(jí)與mV級(jí)之間的低頻小信號(hào)，信噪比較低，因此如何獲取穩(wěn)定、準(zhǔn)確的血壓信號(hào)顯得尤為重要，也對(duì)壓力傳感器提出了很高的要求。本研究設(shè)計(jì)選用摩托羅拉公司生產(chǎn)的MPX5050GP作為壓力傳感器，其具有體積小、靈敏度高、線性度好以及性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，內(nèi)置運(yùn)算放大器，可對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行放大[6]。正常工作時(shí)，傳感器將所探測(cè)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后通過(guò)電阻補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，使之與所探測(cè)的壓力信號(hào)滿足一定的線性關(guān)系，最后經(jīng)運(yùn)算放大器對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行放大輸出。

3.2 單片機(jī)

單片機(jī)是本研究設(shè)計(jì)的核心部件，主要運(yùn)用于對(duì)信號(hào)的處理和對(duì)外部其他硬件的控制。設(shè)計(jì)選用AT89C51作為主控制器，為一款帶4 K字節(jié)閃存(flash memory，F(xiàn)LASH)存儲(chǔ)器的低電壓、高性能8位金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，可與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容[7]。

3.3 液晶顯示器

本研究設(shè)計(jì)選用LCD1602液晶顯示器，具有功耗低、超薄輕巧的特點(diǎn)[8]。LCD1602引腳如圖2所示。

圖2 LCD1602引腳示圖

4 動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路

傳感器輸出的信號(hào)是靜態(tài)壓力與動(dòng)脈壓力波的混合信號(hào)，并夾雜著來(lái)自外界的高頻干擾和低頻分量，因此需對(duì)此信號(hào)進(jìn)行濾波和放大[9]。傳感器內(nèi)部的補(bǔ)償電路和運(yùn)放電路，可對(duì)靜態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行放大，但對(duì)動(dòng)脈壓力波信號(hào)的放大有限，因此需設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器對(duì)動(dòng)脈壓力波信號(hào)做進(jìn)一步的濾波放大。

設(shè)計(jì)的濾波器由2個(gè)截止頻率RC網(wǎng)絡(luò)組成，其特征角頻率(W)的計(jì)算為公式1：

式中W為特征角頻率；RC為容阻抗；f為轉(zhuǎn)折頻率。

根據(jù)特征角頻率(W)計(jì)算，其轉(zhuǎn)折頻率(f)的計(jì)算為公式2：

式中f為轉(zhuǎn)折頻率；RC為容阻抗。

設(shè)定通過(guò)的動(dòng)脈壓力波頻率為0.5～5 Hz，取R1=1 mΩ，C1=0.33 μF，R2=1 kΩ，C2=33 μF。此濾波器提取了動(dòng)脈壓力波信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大。本研究設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)為150倍，可將信號(hào)定位在模數(shù)轉(zhuǎn)換器靈敏度較高的區(qū)域，提高采集精度。傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路如圖3所示。

圖3 傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路圖

4.2 開(kāi)關(guān)電路

開(kāi)關(guān)電路通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)連接到單片機(jī)的P2.6接口，通過(guò)開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)，改變?cè)摻涌诘碾娖礁叩停瑏?lái)控制系統(tǒng)的工作。當(dāng)P2.6接口為高電平時(shí)系統(tǒng)不工作，當(dāng)P2.6接口為低電平時(shí)系統(tǒng)工作。開(kāi)關(guān)電路如圖4所示。

圖4 開(kāi)關(guān)電路圖

4.3 電源電路

電源電路設(shè)計(jì)選用4節(jié)1.5 V的5號(hào)干電池串聯(lián)形成6 V電壓，再利用7805三端穩(wěn)壓集成電路，最終輸出適合系統(tǒng)要求的+5 V電壓。電源電路如圖5所示。

圖5 電源電路圖

4.4 液晶顯示器電路

通過(guò)與單片機(jī)P0接口的連接來(lái)顯示所測(cè)得的血壓值。接地電壓(virtual series series，VSS)接地，電源電壓(virtual drain drain，VDD)接+5 V電源，發(fā)射極電源電壓(virtual emitter emitter，VEE)連接變阻器調(diào)節(jié)液晶顯示器的對(duì)比度[10]。RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平0時(shí)選擇指令寄存器，與P3.5接口相連接。RW為讀寫信號(hào)線，高電平1時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平0時(shí)進(jìn)行寫操作，與P3.6接口相連接。E為使能端，與單片機(jī)P3.7接口相連接，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令[11]。液晶顯示器電路如圖6所示。

圖6 液晶顯示器電路圖

5 動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 單片機(jī)主流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)首先檢測(cè)單片機(jī)P3.6接口電平的高低，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合該接口電平被拉低時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始工作[12]。單片機(jī)通過(guò)壓力傳感器采集袖帶氣壓，并根據(jù)袖帶氣壓下降的速度來(lái)控制放氣閥排氣，使袖帶內(nèi)氣壓以3～5 mmHg/s的速度勻速降壓。同時(shí)采集動(dòng)脈壓力波信號(hào)，當(dāng)動(dòng)脈壓力波振幅達(dá)到最大時(shí)，袖帶氣壓即為動(dòng)脈的平均壓。波峰值前面0.5倍幅度值，即對(duì)應(yīng)的是收縮壓，波峰值后面0.8倍幅度值，即對(duì)應(yīng)的是舒張壓[13]。單片機(jī)通過(guò)液晶顯示器輸出測(cè)量結(jié)果，通過(guò)定時(shí)器定時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)工作。單片機(jī)主流程如圖7所示。

圖7 單片機(jī)主流程示圖

5.2 信號(hào)測(cè)量設(shè)計(jì)

信號(hào)測(cè)量設(shè)計(jì)測(cè)量的有靜態(tài)壓力和動(dòng)脈壓力波兩種信號(hào)，其中靜態(tài)壓力信號(hào)通過(guò)傳感器出來(lái)直接接模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而動(dòng)脈壓力波信號(hào)要經(jīng)過(guò)濾波放大電路后才能接模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后輸入到單片機(jī)進(jìn)行采樣分析，最終測(cè)得收縮壓與舒張壓[14-15]。信號(hào)測(cè)量流程如圖8所示。

圖8 信號(hào)測(cè)量流程示圖

5.3 液晶顯示設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理所測(cè)得的收縮壓與舒張壓的值，通過(guò)與P0接口連接的液晶顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。液晶顯示流程如圖9所示。

圖9 液晶顯示流程示圖

6 動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臨床應(yīng)用效果

本研究臨床試驗(yàn)通過(guò)與江蘇魚躍醫(yī)療設(shè)備股份有限公司生產(chǎn)的臺(tái)式水銀血壓計(jì)做數(shù)據(jù)對(duì)比，進(jìn)而判定血壓測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。該魚躍牌水銀血壓計(jì)經(jīng)本地計(jì)量部門鑒定，其結(jié)果符合“JJG270-2008血壓計(jì)和血壓表檢定規(guī)程”中的相關(guān)要求。

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的標(biāo)準(zhǔn)，成年人的正常血壓氛圍值為：收縮壓90～140 mmHg，舒張壓60～90 mmHg。臨床中對(duì)20名年齡為30～40歲的健康成年人進(jìn)行測(cè)試，男性、女性各10名，每2 h測(cè)量一次血壓值并記錄，連續(xù)測(cè)量3 d。隨機(jī)選取單一試驗(yàn)個(gè)體3 d的血壓數(shù)據(jù)(如圖10所示)，由圖可知本系統(tǒng)所測(cè)量的血壓值準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，見(jiàn)表1。

圖10 試驗(yàn)20名個(gè)體3 d的血壓測(cè)量均值示圖

表1 臨床原始檢測(cè)記錄

將20名試驗(yàn)個(gè)體3 d的血壓均值繪制成圖表，顯示本系統(tǒng)所測(cè)量的血壓值重復(fù)性好。其中舒張壓1、收縮壓1為魚躍水銀血壓計(jì)3 d的測(cè)量均值，舒張壓2、收縮壓2為本系統(tǒng)3 d的測(cè)量均值。本次臨床試驗(yàn)通過(guò)與魚躍牌水銀血壓計(jì)做對(duì)比，對(duì)多名健康人體進(jìn)行多次血壓測(cè)量取均值，其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性高，穩(wěn)定性好，可重復(fù)性好，得到醫(yī)護(hù)人員的一致好評(píng)。

7 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為主控制器，通過(guò)對(duì)壓力傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、液晶顯示器等元器件的軟硬件設(shè)計(jì)，將人體的血壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并最終顯示在液晶顯示器上[16]。該動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有體積小、使用方便、顯示清晰、測(cè)量準(zhǔn)確及可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，在多家醫(yī)院進(jìn)行臨床應(yīng)用得到一致好評(píng)。

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