电子血压计

电子血压计 复旦大学计算机系 张友德 上海医用仪厂 徐光裕 摘要：本文介绍了基于Motorola MC68HC908LJ12和示波法的电子血压计的设计方法，具体分析了硬件软件结构，调试结果表明：用该方法实现的电子血压计具有测量精度高、抗干扰能力强、使用简便，成本低等特点，适合作为保健类仪器大批量生产。 关键词：电子血压计；示波法；脉搏波 背景： 现代人注重健康，由于生活水平的提高，加上工作的压力，患心血管疾病呈现低龄化趋势，血压是最重要的健康指标，如果能经常测量自己的血压，就做到对自己的健康情况心理有数，早期发现问题，就能得到较好的治疗效果。一般医院使用的水银血压计，是基于柯氏法，专业医生可以用听珍器听到动脉血管的不同声音，来判断收缩压和舒张压的值。但科氏法存在一些固有的缺点：一是确定舒张压比较困难；二是此法凭人的视觉和听觉，带有主观因素，除非专业医生，一般人很难测准血压。七十年代出现了多种科氏法电子血压计，试图实现血压的自动，但很快发现这类血压计未能克服柯氏法的固有缺点，误差大，重复性差。目前，国外大多数无损自动血压自动检测仪器都采用示波法。 示波法的测量过程中，与柯氏法类似，仍采用充气袖套来阻断上臂动脉血流。由于心搏的血液动力学作用，在气袖压力上将重叠与心搏同步的压力波动，即脉搏波。当气袖压力远高于收缩压时，脉搏波消失。随着袖套压力下降，脉搏开始出现。当袖套压力从高于收缩压降到收缩压以下时，脉搏波会突然增大。到平均压时达到最大值。然后又随袖套压力下降而衰减。示波法血压测量就是根据脉搏波振幅与气袖压力之间的关系来估计血压的。与脉搏波最大值对应的是平均压，收缩压和舒张压分别对应脉搏波最大振幅的比例来确定。 我们设计的电子血压计（注册商标为“天平”）也采用示波法， 采用MOTOLORA微控制器MC68HC908LJ12及压力传感器 ，操作简单，显示清晰无需听诊器，血压心率测量一次完成，超大屏液晶显示，方便老人美观便携，低耗电设计双弧流线型机体，体积小重量轻，方便携带。 电子血压计由气袖、电动气泵、压力传感器，电磁气阀、微控制器、液晶显示气等构成。在开始测量前先由气泵将袖套压力升到一定值（这个值可以由血压计自动设定或人工设定）然后逐步以每秒4至5mmHg速度放气，每次检测脉搏波的振幅（峰--峰值）及袖套的静压送入CPU进行处理，并根据脉搏的频率计算心率，当检测到收缩压、平均压和舒张压后，打开气阀，使袖套全部放气，完成一次测量过程，并把测量结果保存。整个测量过程由MC68HC908LJ12控制并完成各种计算。 目标： 根据示波法的测量原理，并分析了市场上现有的血压计的功能,我们的电子血压计的设计指标是： （一）技术指标： 1、 测量原理：示波法。 2、 显示范围：0~299mmHg(0~39.7KPa), 299mmHg以上显示“HI” 3、 测量范围：40~270mmHg(5.4~36KPa) 脉率：40~200次/分 4、 分辩率：1mmHg(0.1Kpa) 5、 放气速率：2.3~6.0mmHg/S(0.3~0.8Kpa/S) 6、 静态压力基本误差：3mmHg 7、 动态压力基本误差：5~8mmHg 8、 脉率误差：5% 9、 低电压显示：当电池电压低于4.0-0.2V时，显示低电压符号 10、 记忆功能：能显示前次测量值。 11、 自动关机：5min （2） 功能 1、 有三个控制按钮，分别是开/关，起动和存储功能 2、 具有零设定功能 3、 设有“校准”状态，同时 按下存储和开/关按钮（直到出现R符号后松手），进入“校准”状态，显示压力值和漏气速率，这个功能主要用于生产调试及检验。 4、 控制板适用于“自动充气”和“手动充气”的电子血压计。 5、 液晶全屏显示 6、 开机启动，先自检，自检时全部液晶闪烁显示：自检后，蜂鸣器发出“哗”一声响，液晶显示归零信息，提示用户可以充气测量。 7、 充气压力在150~270（20Kpa~36Kpa）之间，每次递增30mmHg,共分9档，根据用户的具体情况，通过手动设置或机器自动设置。 8、 加压充气的过程中，液晶显示袖带内渐增的气压值。 9、 压力达到起始设定值既停止充气，然后显示放气速率和袖带压力。 10、 当检测到脉搏信号时，“心”形符号开始闪烁显示。 11、 测量结束，蜂鸣器发：“哗—”一段响声，液晶自动地以mmHg和Kpa两种单位交替显示所测的收缩压和舒张压，同时交替显示测出的心率（次/分），直到有按键重新测量或关机。 12、 错误警告：（1）在尚未检测到测量结果时，袖带压力已经低于20mmHg。此种情形可能发生于测量时袖带接头突然脱落。（2）测量血压时，若血压计已检测到脉搏，此时手臂或身体若晃动，则血压计无法检测到测量值。 13、 记忆功能，按下记忆键可显示上次测量值。 14、 按电源开/关键，袖带内的残余空气排空。 （三）电源控制 由于采用4节5号电池供电，所以降低功耗，延长电池寿显得特别重要。我在电源的开关上采取了一些比较特殊的控制，开机时通过按键达到上电，并由PA0输出高电平保持电源芯片的正常工作状态。再次按开/关键，使PA0输出低电平，关闭电源芯片的输出。 （4） 示波法测量血压的工作原理 示波法是根据气袖在减压过程中，其压力振荡波的振幅变化包络线来判定血压的。目前比较一致的看法是当气袖压力振荡波的振幅最大时，气袖的压力就是动脉的平均压。动脉的收缩压对应于振幅包络线的第一个拐点，舒张压对应于包络线的第二个拐点。 收缩压判据的确定：通常采用最大振幅法，即在放气过程中脉搏波幅度包络线的上升段，当某一个脉搏波的幅度Ui与最大幅度Um之比>=Ks时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。 Ps=P|Ui=Ks*Um 舒张压判据的确定：也是用最大振幅法来判定，不过是在脉搏波幅度包络线的下降段，当某一个脉搏波的幅度Ui与Um之比<=Kd时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。 Pd=P|Ui=Kd*Um 根据上海医用仪表厂多年的研究成果，我们取Ks=0.58,Kd=0.77。 硬件框图 说明： · 以MC68HC908LJ12为控制芯片，直接驱动14*4段液晶显示器。 · 使用片内10位A/D转换器使测量精度的理论值可以达到1/1024。 · 脉搏波和静态压力分两路A/D输入，其中脉搏波是静态压力值（实际上是静态压力值与脉搏波的叠加）经隔直放大得到。 · 电源开采用硬件方式，关采用软件控制方式 · 低电压检测模块，当电压低于4.0V时报警 · 采用MOTOROLA的MPX53作为压力传感器，用来测量脉搏波的振幅及静态压力值 · 串行口与PC机通信，设定血压计的工作参数 软件（主程序） 软件流程（测量子程序） 软件流程（数据处理子程序） 说明 主程序依此调用5个模块 1、 键盘处理模块 判断键盘的当前状态（开/关电源、起动/停止测量、校准状态、记忆状态）执行相应的操作。 2、 测量模块： 测量信号为二路，MOTOROLA MPX53压力传感器的信号经放大送AD1，作为静态血压信号；隔直后经再次放大送AD2，作为脉搏波信号。由于MC68HC908LJ12的AD为10位，因此最高精度可达1/1024。采样后的信号经信号处理模块的处理，最终计算得到收缩压，舒张压和心率。 3、 信号处理模块 主要功能是脉搏波的判断和检测，主要分两步：第一步，对A/D采样的脉搏波信号进行低通滤波处理，排除因外界干扰造成的信号读数的误差；第二步，采用相关运算，最大程度地排除因手臂的运动造成的误差。在这基础上，分析信号，得到波形的峰-峰值（供判断断收缩压，舒张压和平均压），得到每个脉搏波的时间（供心率的计算）。 4、 显示模块 主要显示3种信息：测量过程显示当前压力值、漏气速率；测量结束后分别以mmHg和Kpa方式滚动显示收缩压、舒张压及心率；校准状态下显示当前压力值、漏气速率。 5、 串行通信模块 采用PC机主叫的中断方式，一旦接到PC机发来的命令，对血压计进行初始值的设定,主要包括起始加压值，每次的压力递增值和最高压力限制。 6、 电源处理模块 用于稳压模块的控制，按开/关键时，稳压模块的控制端为高电平，稳压模块处于正常输出状态，MC68HC908LJ12上电复位，立刻对PA0置高电平，维持稳压模块的的正常输出状态，此时，血压计处于“开”状态；再此按开/关键，置PA0低电平，关闭稳压模块的输出，处于断电的“关”状态。此外，如果3分钟没有操作，就置PA0为低电平，自动关机。 结束语 我们设计的以MC68HC908LJ12为基础的电子血压计，充分利用了MC68HC908JL12芯片本身的的功能，产品性能超群，实用性强，有着广阔的市场。 1、 使用MC68HC908LJ12的功能如下： · 10位A/D采样，用于静态压力及脉搏波的测量。 · LCD显示控制器，直接驱动14*4段的液晶显示器，显示测量的过程及结果。 · Watchdog自动恢复功能，防止可能的干扰导致程序出错。 · 定时器功能，用于漏气速率的计算几自动关机时间的判断 · 串行通信：用于和PC机的通信，设定初始值 · flash的读写：用于保存当前的测量值，显示以前的测量值 2、 采用数字信号处理的技术对A/D采样的信号进行处理，主要有数字低通滤波和相关的计算。 3、 电源开采用硬件控制的方法，电源关采用软件控制的方法，关机时出了稳压模块外，其它芯片处于断电状态，功耗极低。 4、 采用了MOTOROLA的MPX53压力传感器。 5、 功能强大，实用性强：测量时可以选择mmHG和Kpa作为主显示方式，测量精度高，达到静态1mmHg,动态3mmHg的测量精度，由于采用flash作为存储媒介，数据的保存是间很长，性能比市场上的通类产品高很多，因此，具有广阔的市场前景。 参考文献 1、王鹏巨，杨原茂，田孝文，周山宏，用示波法实现动脉血压的自动检测，医疗器械1987年第11卷第2期。 2、刘晓风，测振式自动血压测量中的一种脉搏波检测方法，中国医疗器械杂志，