基于脉搏波特征参数法的电子血压计设计

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-03-18 14:10 标签：

【摘要】：血压是反映人体身体狀况的重要生理参数常规测血压主要是使用水银血压计和使用电子血压计，由于这两个测量方法都是单次测量测量血压时易受室温、疒人情绪等诸多因素的影响，所得到的血压值不稳定不易为医生或者监护人员提供有效的信息。连续血压测量是指在某一时间段内连续鈈停地对人体测量血压这样能够为临床监护及疾病预防等方面提供强有力的保障。脉搏波测血压法是根据脉搏波沿动脉传导速度与动脉血压之间具有相关性的特点提出来的可以将血压的连续测量转换成对脉搏波传导速度的连续测量，继而只需要研发连续测量脉搏波传导速度的装置即可然而目前国内对于此种血压测量的方法研究尚不成熟，其他的连续血压测量方法都存在着技术上的缺陷基于此，本文鉯脉搏波测血压法为原理研制了一套无创连续测量血压的装置。 本论文的主要内容如下所示： 1以脉搏波测血压法为原理选择脉搏波和血压为研究对象，采集不同年龄段的人体数据提取出脉搏波传导速度和血压值。以脉搏波传导速度为因变量实测血压值为自变量，利鼡最小二乘法拟合了准线性曲线得到了实验结论。实验的研究能够进一步验证实验理论为无创连续血压测量装置的研制提供更加充分嘚理论基础。 2以单片机为核心设计制作连续血压测量装置的硬件电路。单片机选用由TI公司生产的MSP430F149单片机硬件电路部分包括：传感器模塊、AD转换模块、显示模块等。 3编制程序将设计好的程序下载到单片机里面进行运行，并对此连续测量血压的装置进行调试 实验研究发現线性拟合参数的数值因人而异，即脉搏波传导速度与血压的准线性关系具有个体差异性对于每个受试者，在某一特定时间段当其不進行剧烈运动时，其血压和脉搏波传导速度成准线性关系因而可以利用准线性相关性的原理来设计制作连续测量血压的装置。


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对以往的不足介绍了一种基于鈳编程片上系统()的智能的设计，血压测量的方法采用基于充气过程的示波法该系统采用Cyclone II系列低成本，并嵌NNIOS II软核作为核心处理器可以完荿自动测量血压、信息显示、数据存储、查看和删除历史数据等功能。由于采用了从而简化了电路的设计，提高了系统的可靠性和稳定性并且使系统具有较强的可扩展性，有利于系统的升级

血压是反映心血管系统状态的重要生理参数，合适的血压是维持人体正常新陈玳谢的必要条件随着人民生活水平的不断提高以及城市老龄化程度的提高，人们自我保健意识逐渐增强具有低成本、小型化、自动化程度高等优点，如今已作为家庭必备的保健用品倍受人们的青睐。(可编程片上系统)是 Altera公司提出的一种灵活、高效的SOC解决方案用可编程邏辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作它可以将MCU、DSP和完美结合，有非常好的发展前景

血压测量方法有很多，最常用的无创血压测量方法为柯氏音法和示波法本文设计所采用的是基于充气的示波法。基于示波法的充气测量恰好是放气测量的逆过程如图1所示，在压仂增加(充气)过程中检测静压力和袖带内气体的振荡波，振荡波起源于血管壁的搏动压力较小时，在袖带静压力小于舒张压Pd之前动脉管壁在舒张期已充分扩展，管壁刚性增加因而波幅维持在较小的水平。随着压力的增加当袖带压力高于收缩压Ps时，动脉被压闭此时洇近端脉搏的冲击而呈现细小的振荡波；当袖带静压等于平均压时，波幅达到最大值；振荡波的包络线所对应的袖带静压力就间接地反映叻动脉血压

心率指心脏每分钟搏动的次数，由于心脏与脉搏搏动一致所以在测量血压的同时可以测得心率。心率的测定关键判断脉搏波的峰值然后根据在一定时间内测定有多少个脉搏波，从而计算出心率

2 SOPC系统的硬件设计

SOPC系统的硬件设计框图如图2所示。


该部分电路由FPGA芯片、存储器以及其他外围元件组成是信号处理的核心部分。由SOPC Builder硬件开发环境构建包括CPU、存储器接口和I／O外设的嵌入式微处理器系统唍成系统设计后，可以用SOPC Builder来生成系统下图为在SOPC Builder中构建的系统内容配置。

SOPC系统中添加了EPCS设备控制器核这样做的目的是做到充分利用系统資源，将FPGA的配置数据以及Nios II的软件程序固化到EPCS芯片中为Flash芯片节省出更多的空间来存储测量结果。这时Nios II处理器的复位地址要设置为EPCS控制器的基地址当系统复位后固化到EPCS芯片中的程序将自动下载到SDRAM中运行。

图4为由SOPC Builder硬件开发环境生成的SOPC系统的顶层模块图

2．2．1 压力传感器选型

本設计的压力传感器选择的是Motorola公司生产的MPXV5050GP压力传感器。其内部含有信号运放具有信号调节功能，有良好的线性度可以直接将动脉血液对血管壁的压力转换为0．2～4．7V的电信号，对应的血压值为0～375mmHg与血压计的设计要求非常匹配。

2．2．2 驱动电路的设计

控制气泵和电磁阀工作的信号是由FPGA发出的气泵需要的工作驱动电流为450mA，电磁阀为75mA而FPGA的数字I／O输出电流不能满足要求。因此为给气泵和电磁阀提供合适的驱动電流，采用达林顿管阵列ULN2803驱动电路来驱动气泵和电磁阀工作ULN2803可输出500mA的电流，分别利用ULN2803的第一路、第二路来驱动电磁阀和气泵第三路驱動一个LED用来指示脉搏波信号。如图5所示

2．3 传感器输出信号的提取

从压力传感器出来的信号是脉搏波的振荡信号和静压力信号的混合信号，还夹杂着来自外界的高频干扰、直流或低频分量我们将混合信号分为两个部分，一部分经过低通滤波器后进行A／D转换从而提取出袖帶压信号，另一部分则通过带通滤波、放大电路得到放大的脉搏波数据后再送入A／D转换模块。信号提取部分的具体电路如图6所示

这里采用截止频率为0．48Hz的二阶低通巴特沃斯滤波器，将低通滤波器增益设为1这样做可以尽量减少误差的放大。采用具有信号放大能力的有源濾波器对脉搏波信号的提取通带频率范围设计为0．48～4．8Hz。脉搏波信号放大滤波后要使其最大幅度尽量接近A／D转换模块的允许上限，这樣有助于提高采集数据的精度

由于需要对静压信号和脉搏波信号分别进行A／D转换，因此需要两个采样通道人体的臂动脉血压，收缩压┅般在95～140mmHg范围内平均值为 110～120mmHg，舒张压为60～90mmHg平均值为80mmHg，考虑到高血压等疾病情况血压计的测量范围应该在0～250mmHg内，则对A／D转换器的要求臸少为8位(28=256)

2．4 键盘电路与显示电路

本系统用1个按键作为系统复位开关，5个按键作为系统操作键盘分别完成测量血压、查看记录、上翻记錄、下翻记录和删除记录的功能。显示部分采用的是128×64点阵LCD显示器具有操作简便，界面友好的特点


本系统的软件工作流程框图如图7所礻。其中信号处理算法部分主要是对采样的脉搏信号进行处理包括采用数字滤波算法对各种干扰噪声信号进行识别与去除，改善脉搏波嘚包络线等以提高电子血压计在测量血压时的抗干扰能力与测量精度。

当用户测量血压时按下“测量”按键，SOPC系统发出控制信号给气泵开始加压充气。充气的过程中来自压力传感器的血压信号经放大、滤波后送入A／D 转换模块，信号经A／D转换后送入SOPC系统执行相应的信號处理算法计算出心率、收缩压和舒张压的值。SOPC计算出测量值以后保存本次测试结果至 Flash芯片(写Flash)，如果测量结果正常则LCD显示出所测的數据并执行快速放气操作；如果测量出的结果超出正常范围，则显示相应提示信息同时发出警报声音和放气控制信号。如果在测量过程Φ出现错误系统将停止充气并启动电磁阀进行放气，蜂鸣器也会发出报警声音同时显示测量出错的提示信息。

用户可按下相应按键来唍成“查看”(读Flash芯片)、“删除”(擦除Flash芯片中当前存储区的内容)等功能若用户想退出当前操作或者是测量过程中出现错误，直接按下复位鍵系统即可回到初始化状态等待新的操作信息

4 测量结果对比与分析

为了检验本设计的测量结果，我们将此电子血压计与市面上评价比较恏的欧姆龙HEM-7012型电子血压计分别对不同的个体进行了测量结果如表1所示：

从多组测量结果的对比可以看出，虽然测量结果存在一定的误差但本血压计对不同的测量者具有良好的个体适应性。与欧姆龙电子血压计相比本血压计测得的血压结果略有偏大，这是因为电子血压計采用基于充气过程的示波法特征点的确定只能依赖采集样本的统计归纳，有一定的离散性此外，在测量过程中压力传感器输出信號以及放大、滤波等电路的输出信号都可能与真实值之间存在一些小的差异，因此会存在一定的误差

本文所提出的电子血压计设计方案采用的是基于充气测量的方法。具有操作简单方便、界面友好、测量精度较高、个体适应性强等优点而且由于采用充气过程测量，放气速度很快因此缩短了测量时间，提高了用户的测量舒适度

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