基于光電檢測脈搏波的多功能電子血壓計
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引 言
本文引用地址：http://2s4d.com/article/148610.htm近年來，由于我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活方式的轉變，心血管病發(fā)病率及相關危險因素呈不斷上升趨勢，人們也越來越注意自己的身心健康。過去測量血壓必須到醫(yī)院，由醫(yī)生用水銀血壓計檢測才行，但隨著科技水平的發(fā)展，血壓計正在迎來電子血壓計的新時代。只要擁有了家用電子血壓計，人們就可以坐在家里隨時監(jiān)測血壓的變化，如發(fā)現(xiàn)血壓異常便可及時去醫(yī)院就診。
系統(tǒng)工作原理
心臟的間歇性射血產(chǎn)生從主動脈根部出發(fā)沿著動脈管系傳播的脈搏波。脈搏波到達之處，動脈管內(nèi)的力學參量(如流量、壓力、血流速度、血管橫截面積等)將產(chǎn)生變化。在每個心動周期中，心臟間歇性的舒張和收縮將引起主動脈管壁時張時縮的振動和主動脈血液壓力時高時低的變化。這種動脈管壁的振動稱為動脈脈搏。動脈脈搏波在主動脈近心端形成的同時，立即以波動的方式將所發(fā)生的血壓、血流量和血管壁周期性的振動沿著動脈樹一直擴散到整個動脈系統(tǒng)，從而形成整個動脈系統(tǒng)中血壓時低時高、血流量時慢時快、血管壁時縮時張的波動，這三類脈搏波是相互伴隨產(chǎn)生的，因而可統(tǒng)稱為動脈脈搏波。
本多功能電子血壓計，采用光電容積法進行測量。其原理是：光束通過透射傳送到光電接收器信號的不同。人體血液紅細胞中的血紅蛋白（Hb）與氧分子作可逆性結合，結合后的 Hb 稱含氧血紅蛋白（HbO2），兩者具有不同的吸收曲線：在紅光譜區(qū) 600nm~700nm 內(nèi)血紅蛋白Hb吸收的光線較少，而HbO2吸收的光線較多；在紅外光譜區(qū) 800nm~1000nm 內(nèi)血紅蛋白Hb吸收的光線較多，而HbO2吸收的光線較少。在光路上，除了動脈血紅蛋白外，還有許多其它吸收體，將嚴重影響測量精度，因此紅光和紅外光LED因盡可能相互靠近，通過人體中的單一組織位置透射光線，并采用時間復用處理來透射光線。同時在檢測端，將透過手指的透射光強轉換為電壓信號，因此得到光電容積脈搏波信號。最后基于光電傳感器的檢測原理和Lambert-Beer定律，可以將透射光強與光電傳感器的輸出電壓相關聯(lián)，建立心血管系統(tǒng)參數(shù)收縮和舒張壓計算方法，設計無創(chuàng)連續(xù)血壓測量方法測試設備。其優(yōu)點為：使用簡單方便、測量精度高、測量值便于記錄、體積輕巧便于攜帶等。
硬件設計
系統(tǒng)總體結構
本多功能電子血壓計的系統(tǒng)總體結構框圖如圖2所示，主要包括LPC1788主控模塊、電源及復位模塊、LCD觸摸屏模塊、信號調(diào)理模塊、光電脈搏波傳感器模塊和選配的Zigbee模塊等六大模塊。
主控LPC1788
主控采用NXP新推出的基于ARMCortex-M3的LPC1788微處理器，它具有高性能、高集成度、低功耗等的特點，廣泛用于低功耗和處理要求高集成度的嵌入式應用，非常適合本方案的設計要求。它包括高達512kB的Flash存儲器、高達96kB的數(shù)據(jù)存儲器、4kB的EEPROM存儲器、一個用于SDRAM和靜態(tài)存儲器存取的外部存儲器控制器、一個LCD面板控制器、一個8通道12位ADC等。外部只需加入很少芯片就可實現(xiàn)系統(tǒng)功能，充分滿足了本設計的需要,并可使整個系統(tǒng)體積減小、功耗降低，控制了成本，提高了穩(wěn)定性。
光電傳感器
本系統(tǒng)采用了透射式雙波長測量法，傳感器選用深圳美的連電子有限公司生產(chǎn)的 S0012A 型指套透射式可重復使用的血氧探頭。透射式光電脈搏傳感器包括光發(fā)射和光電接收兩部分：對于光發(fā)射電路，探頭內(nèi)部選擇了940nm的紅外發(fā)光二極管和波長為660nm的紅色發(fā)光二極管以頭尾相接的方式并聯(lián)作為脈搏檢測電路的光源；接收電路的核心元件是光敏二極管。為了獲得最佳的信噪改善比，要求前置放大器的設計采用低噪聲放大器設計原則，盡量降低輸入級的噪聲，因此選用低噪聲光敏器件，以獲得最小的噪聲系數(shù)。
信號調(diào)理（放大和濾波）
脈搏波是以心臟搏動為動力源，是一種微弱低頻的生理信號, 具有頻率低、信號弱和阻抗高等特點。因此應用于人體生理信息測量的模擬電路因能夠有效地提高輸入阻抗和共模抑制比，抑制溫度漂移以及隨機噪聲。本系統(tǒng)中，選用了低功耗高精度的儀用放大器 AD620，它被廣泛應用于生物醫(yī)學測量以及那些提供微弱信號而共模干擾較大的場合。
脈搏波的主要頻率分量一般在0.1Hz~15Hz之間，既要頻帶合適，以便得到信號檢出時的最大保真度，又要要濾除各種干擾，如50Hz工頻干擾、各種外界中高頻噪聲；為與數(shù)據(jù)采集電路適配，輸出端的輸出阻抗要低，模擬信號的極性、狀態(tài)信號的電平和幅度的動態(tài)范圍等都必須符合配接的規(guī)定。本設計采用Maxim公司的MAX267，它是Maxim眾多開關電容濾波器（SCF）芯片中較簡潔的一種。內(nèi)部包含兩個已經(jīng)固定成帶通型，并且使用相同的Q參數(shù)和頻率變換比例的二階SCF和一個運放。通過選擇適當?shù)姆答侂娮韬蚎參數(shù)，能夠組成不同波紋率的Butterworth或Chebyshev濾波器。這樣就大大減少了外圍電路，且使用靈活，性能遠遠優(yōu)于采用集成運放組成的濾波電路，非常適合于本設計。
軟件設計
程序流程
軟件部分程序流程如圖3所示。系統(tǒng)啟動后，由U-boot引導啟動嵌入式Linux，初始化相關硬件和程序并進入主菜單：（1）個人信息，可輸入自己的年齡、身高、體重、性別等信息，方便系統(tǒng)對每個人的測量數(shù)據(jù)分別進行管理和針對性的進行健康情況分析；（2）血壓檢測，血壓計進入檢測頁面并開始檢測過程；（3）數(shù)據(jù)查詢，可在 LCD上查看以往測量結果，包括高壓、低壓、平均，并由機器進行簡單的健康情況分析；（4）系統(tǒng)設置，可對系統(tǒng)時間、網(wǎng)絡參數(shù)等進行設置，并可對系統(tǒng)固件進行升級；
圖3 程序流程圖
電子血壓計檢測模式流程
測量人體血壓的過程分為血壓校準和血壓實際測量兩個階段。血壓校準階段的主要任務是提取光電容積脈搏波的四個血壓特征參量(td心動周期、 Vd容積脈搏波信號的最低幅度值、 Vs容積脈搏波信號的最高幅度值和K脈搏波波形特征量)，完成校準參數(shù)M2動脈常數(shù)和V0人體在零血壓值狀態(tài)下所對應的容積脈搏波信號幅度值的計算，為血壓實際測量階段奠定基礎；在血壓實際測量階段，基于血壓校準階段中的校準參數(shù)（即M2和V0）完成人體動脈血壓的計算。
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設計
本設計的數(shù)據(jù)管理采用SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫，它是一種中小型嵌入式數(shù)據(jù)庫。雖然體積大小只有幾千字節(jié)，但仍然實現(xiàn)了一個完全適應嚴峻環(huán)境的數(shù)據(jù)庫，可以較為方便地運用于嵌入式系統(tǒng)中，具有數(shù)據(jù)庫處理事務的原子性、一致性、隔離性及持久性這4個基本特征，提供了對 SQL92 的大多數(shù)支持，包括索引、事務、視圖、多表、觸發(fā)和一系列的用戶接口及驅(qū)動。經(jīng)過對需求的分析和優(yōu)化，可設計出數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的E-R圖如圖5所示，全面準確的反應了用戶的功能需求，實體類型的個數(shù)和所含屬性個數(shù)少，實體類型間無冗余。
圖4 血壓計算流程圖
圖5 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的E-R圖
系統(tǒng)的界面設計
本設計的應用程序窗口界面采用QT編寫實現(xiàn)，它是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架，被廣泛地應用于各種嵌入式產(chǎn)品中。如圖6所示為采用輕量級跨平臺集成開發(fā)環(huán)境Qt Creator所設計的界面，輕按觸摸屏發(fā)出各項命令，再通過和數(shù)據(jù)庫的連接由圖形界面顯示結果。開機啟動后首先進入如圖6左圖所示的
主菜單，輕觸左上方“血壓檢測”，系統(tǒng)進入如右圖所示的檢測菜單，上半部分為個人信息，下半部分為檢測結果。
結語
電子血壓計是利用血壓間接測量原理與現(xiàn)代電子技術進行血壓測量的醫(yī)療設備，已經(jīng)成為家庭自測血壓的主要工具。本文從血壓的檢測方法著手，區(qū)別于基于人工柯氏音法的水銀血壓計，給出了完整的基于光電容積脈搏波原理的多功能電子血壓計設計方案，具有三大創(chuàng)新點：1、采用基于光電容積脈搏波的無創(chuàng)連續(xù)血壓測量方法，檢測速度快、檢測精度高；2、智能化大屏幕顯示和觸摸屏控制，簡單易用，特別方便老年患者使用；3、采用嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite進行數(shù)據(jù)管理，方便數(shù)據(jù)整理和分析。
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