指尖传感器.doc

指尖血压计
Finger blood pressure meter
摘 要
分析了目前电子血压计存在的问题，提出在充气中测量血压的方法，通过对气泵电机的闭环控制来保证袖带压力的线性变化，以减小配置抛物线插补误差的原理设计了一种新型指套式数字血压计。该测量原理克服了现有电子血压计的缺点和不足，具有测量速度快、精度高等优点，可广泛应用于临床和家庭保健中。

关键词：电子血压计 收缩压 舒张压 单片机

Abstract
Analysis of the current electronic blood pressure problems, proposes a method of measuring the blood pressure in the air in the linear change, to ensure thatthe cuff pressure by closed loop control of the pump motor, the principle of decreasing parabolic interpolation error configuration design of a new kind of digital finger cuff sphygmomanometer. The measurement principle is to overcome the existing electronic sphygmomanometer shortcomings, has high measurement speed, high precision, and can be widely applied in clinical and home health care.

Keywords: electronic blood pressure systolic diastolic pressureMCU
1绪论：1.1课题研究背景及意义：血压在生物医学测量中是一种常用而重要的指标 ,血压作为人体最为重要的生命参数，对其精确测量，在临床医学特别是危重病人及全麻病人的监护具有重要意义。血压测量可分为直接法和间接法两种。直接法必须经皮将导管放入血管内，是一种具有创伤性的高精度测量方法，一般用于危重病人或开腔手术病人。间接法是临床普遍采用的方法，主要以柯氏声法和振动法为代表，这种测量方法与直接法相比，测量精度相对较低，但由于是无创伤测量，所以是临床及家庭保健最多采用的方法。 血压是反映心脏泵血功能 , 血管外周阻力和全身血容量等指标的重要参数。人体不同部位的血压典型值是不同的。目前临床上常测的血压是肱动脉(大动脉)血压。指动脉属于小动脉。研究表明 ,指动脉血压与大动脉和主动脉血压间有一定的关系。通过标定可以用指动脉血来表征大动脉或主动脉的血压。因此测量人体手指动脉血压是有价值的。血压测量多采用间接式测量方法 , 目前比较流行的血压测量方法有柯氏音法、振荡示波法、超声法、双袖带法、恒定容积法等。这些方法用于测定手指动脉血压时比较繁琐。我们利用光电式脉搏传感器和压力传感器检测人体手指动脉的脉搏和血压信号 , 并送至单片微机处理系统 , 能方便、快速地测出手指动脉血压的大小。
1.2国内外现状：目前医用监护仪中的血压测量模块及家庭用电子血压计的型号较多，但存在主要的缺点为：1）袖带充气压力高，测量时间长，会使测量者的测量手臂麻木，舒适感差；2）重复性差，测量数据离散，无一定规律；3）对于高血压患者很难一次测量出血压。
1.3研究内容：本文通过对间接法血压测量存在的问题进行研究，采取相应的措施加以克服，设计了快速、高精度测量的电子血压计。
2系统设计
2.1设计原理：在一个心动周期中 , 动脉血压随心室的收缩和舒张而发生规律性波动 , 心室收缩时动脉血压的最大值称为收缩压 ; 心室舒张时动脉血压的最小值称为舒张压。将光电式脉搏传感器和压力传感器置于指套式气袖中 ,工作时 ,利用充气泵给气袖充气 ,使其压力达到200mmHg , 这时气袖紧压血管 , 使血液不流动 , 通过压力控制单元 , 控制压力以 3～5mmHg 的速率下降 ,同时压力传感器始终测量气袖中的压力。光电式脉搏传感器对准血管检测血流状态。当压力大于收缩压时 , 因血管受压迫而停止流动 , 光电脉搏传感器检测不到脉搏而无血压信号输出 ; 压力继续下降 , 当达到收缩压时 , 血液开始断续流动 , 脉搏传感器测出脉搏信号 , 此信号由微机检测到 , 并显示此时气袖中的压力 , 即为收缩压 ; 压力继续下降 , 达到舒张压 , 由于血管不受压迫 , 血流均匀 , 脉搏传感器中的脉搏信号消失 , 微机检测到此状态 , 此时气袖中的压力即为舒张压。对脉搏信号进行计数与显示即可得到心率指示。测量过程中脉搏传感器输出波形与收缩压、舒张压关系。
2.2设计方案及软硬件设计：软件设计脉搏波动的识别对于血压测量非常重要，计算机主要以连续相邻的两个波动特征进行识别，图 1为人体脉搏波动图，脉搏波动具有如下特点：1）连续两个脉搏波动的幅值差值取决于袖带压力变化量；2）每一个波动周期变化不大，经实验验证一个脉动周期

图1脉搏波动图
3）一个脉搏波动从波动开始到波动幅值最大的时间 符合下式：20 ms< <500 ms(15)以上特征是识别脉搏波动和判断干扰的依据。气泵充气流量按p=2mmHg/s，p=4mmHg/s,p=6mmHg/s，p=8mmHg/s选择，图 2 为在充气过程中测量血压的气泵充气流量控制、脉搏波动检测程序框图

图2 充气中测量血压及电机转速控制程序框图
硬件设计： 系统框图如图3所示。系统由恒流源、压力传感器、放大电路、带通滤波、二次放大、血压脉冲触发、液晶驱动器、键盘语音电路和单片机组成

图3 电子血压计原理图
单片机主要原理为：PWM输出控制气泵充气漏气调整袖带内气压；一路ADC采样袖带内气压直流分量以便取得收缩压和舒张压；一路ADC采样袖带内气压交流分量经分析计算后确定收缩压和舒张压的瞬态时间位置；接收血压脉冲信号触发ADC工作；将计算出的收缩压和舒张压结果输出至LCD显示并进行数值的语音提示.。
　1 MSP430FF449D单片机主控电路
本系统主控电路,主要由MSP430F449芯片、JTAG接口电路、时钟发生电路、时钟输出电路、复位电路PWM波输出电路、供电电路等组成。其中JTAG用于下载和调试程序，PWM波输出电路用于控制气泵。当测量血压时，先充气至200mmHg高，再慢慢以每秒约下降5mmHg的速度放气。实现自动测量血压。
2 血压传感电路
如图5所示，本电路采用BP01型压力传感器和运放MAX4472。BP01型压力传感器是为检测血压而专门设计的，主要用于便携式电子血压计。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龙塑料封装，具有高线性、低噪声和外界应力小的特点；采用内度为±1%、零点失调不大于±300μV。MAX4472是MAXIM公司的一款集成了四个运算放大器的低功耗放大芯片。本系统中内部集成运放A接恒流源，为压力传感器提供恒定的电流，运放B和运放C，运放D组成差分输入、单端输出放大电路，直接输入ADC0监视血压直流分量。 图5 血压传感电路
3 滤波和放大电路
如图6所示，电路由滤波和放大两部分组成。其中MAX267是MAXIM公司出产的一个集成滤波器，可以构成低通、带通、高通、等多种方式，使用灵活，性能远远优于采用集成运放组成的滤波电路。
图6 滤波和放大电路
MAX4471是MAXIM公司的一款低功耗的放大器。MAX9028是MAXIM公司的一个低功耗的比较器。滤波电路采用MAX267构成带通滤波器（允许0.8～38Hz的信号通过），滤掉信号中的直流成分和电源以及皮肤与袖带摩擦的高频噪声和工频干扰，然后经过MAX4471进行进一步放大，得到单片机匹配的电压信号，进入ADC2，监视血压的交流分量。同时该信号通过低功耗比较器MAX9028转换成脉冲信号，触发ADC1工作。
4 日历时钟和存储电路
如图7所示，由EEPROM24C256和日历时钟芯片PCF8563组成。24C256是一款低电压、串行接口，容量为256K的存储器，用于存储测量的血压值。PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。用于提供测量血压时的时间和日期，以便于以后进行查询使用。方便于使用者对自己一段时间的血压有个清晰的记忆。实用性强，克服一些电子血压计的不足。
图7 日历时钟和存储电路原理图
6 语音报压和报警电路
　　本电路如图8所示，主要由集成语音芯片ISD2560组成。ISD2560是Winbond公司生产的一款具有较强功能的语音录放芯片，是一种永久记忆型语音录放电路，录音时间为60s，可重复录放10万次。该芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，能够非常真实、自然地再现语音。通过事先录制好的声音，实现血压测量值的自动声音提示，如果血压高出正常血压的上下限值，还会发挥报警，提醒使用者就医。
图8 语音报血压，报警电路
2.3存在问题及改进方法.1 快速测量的途径目前电子血压计采用的测量过程都是先用气泵向袖带充气，当袖带压力达到设置上限max后再通过节流阀放气。假设收缩压已知，则一次血压测量的时间为 3 个阶段：充气阶段 0~ 1（时间10~20s），测量阶段1~ 2（时间 20~40s），释放袖带残余气体2~3（时间 3~5s）。整个测量过程顺序为：袖带充气气泵关闭、节流阀放气 寻找收缩压脉搏波动寻找平均压脉搏波动寻找舒张压脉搏波动 气阀放气计算、显示。如果将上述过程改为在对袖带充气过程中测量血压，即一边对袖带充气，一边测量血压，那么就可以使电子血压计测量时间缩短 1/3 以上，这样做还有一个更大的好处是袖带充气上限值max不用设定，血压计在充气过程中确定充气上限。测量中单片机一边控制着气泵向袖带充气的流量，一边计算和分析脉搏波动的变化趋势，当检测到脉搏波动最大幅值后就开始配置抛物线及寻找符合系数1的位置，找到该位置后就完成了血压测量，单片机控制气泵关闭、气阀放气，工作顺序为：气泵向袖带充气，寻找舒张压波动，寻找平均压波动，寻找收缩压波动，关闭气泵、气阀放气，计算、显示。由开始放气进行测量到测量结束经历的步骤较多，人为误差较大，所以测量误差很大。
提高血压测量精度的措施血压值的判定是由脉搏波动抛物线位置确定的，要提高血压测量精度，缩短血压测量时间，只要使电子血压计的气动系统使袖带压力具有图3 b 所示的压力曲线，（气泵充气过程中使袖带静压力曲线的斜率tan 为常数），就可以保证脉搏波动数 3(a)均匀变化，达到提高血压测量精度的目的

结论：结论标定法间接测量血压是血压测量的一种重要方法。研究表明指动脉血压标定大动脉血压是完全可行的。本血压计正是基于这一原理而研制的。与常规电子血压计相比 , 指套式数字血压计具有测量准确、结构简单使用方便。但指套式血压计结构复杂，价格昂贵目前为止并未全面推广，还需要进一步改进以降低成本。

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