基于示波法设计的电子血压计系统
本文介绍采用LM3S1138作为控制核心、压力传感器MPXV505GP作为信号采集器的电子血压计的设计方法。
医疗检测设备家庭化逐渐成为趋势，其中家用血压计就是典型的家庭医疗检测设备。目前较为常用的血压计是水银血压计，对普通用户，特别是中老年人来说，使用比较困难。过去人们必须到医院测量血压，十分不方便。测量准确、操作简单、携带方便的血压计有利于人们尽早发现和鉴别各类血压病症，及时就医。电子血压计具有成本低、小型化、功耗低、自动化程度高的优点，在使用上带来了便携和易操作的特点，弥补了水银血压计的不足。
1 示波法原理
示波法又称为压力振荡法，其工作过程是先将袖带充气以阻断动脉血流，然后在放气过程中检测袖带内的气体压力并提取微弱的脉搏波。如图1所示，当袖带压力P远高于收缩压时，脉搏波消失，随着袖带压力下降，脉搏开始出现。当袖带压力从高于收缩压降到收缩压Ps以下时，脉搏波会突然增大，在平均压Pm时幅值达到最大。然后脉搏波又随袖带压力下降而衰减。示波法血压测量就是根据脉搏波幅度与袖带压力之间的关系来估计血压的。脉搏波最大值对应的是平均压，收缩压Ps和舒张压Pd分别由对应脉搏波最大幅值的比例来确定。
测量血压时，随着袖带压力的下降血管由阻断变导通，这一过程会在袖带中产生一系列的小脉冲。将小脉冲拾取出来，将其峰值连成曲线，得出包络线，如图2所示。
利用示波法判定收缩压和舒张压的具体方法很多，主要可以归纳为两种：波形特征法和幅度系数法。波形特征法基本原理是利用脉搏波包络线的拐点测量血压，上升时拐点对应的静压力为收缩压，下降时拐点对应的静压力为舒张压。这种方法测量的个体适应性较差，测量精度不稳定，已逐渐被幅度系数法所替代。
幅度系数法又称“归一法”。它是将脉搏波振动信号的幅值与信号的最大幅值相比进行归一化处理，通过确定收缩压和舒张压的归一化系数来识别收缩压与舒张压，如图3所示。其中，As为收缩压对应的脉搏波幅度，Am为平均压所对应的脉搏波的幅度，Ad为舒张压对应的脉搏波幅度，As／Am为收缩压Pd的归一化值，Ad／Am为舒张压Ps的归一化值，Pc为袖带压力，横坐标代表放气过程中袖带内压力的不断减小。As／Am=C1，Ad／Am=C2，分别对应收缩压和舒张压的位置。根据测得的脉搏波幅值和对应的静压力，就可以得出收缩压Ps、舒张压Pd和平均压Pm。一般收缩压的幅度系数为0.46～0.64，舒张压的幅度系数为0.43～0.73。
收缩压判据的确定：在充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Ui／Um=Ks时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。即Ps=P∣Ui=Ks·Um。
舒张压判据的确定：在脉搏波幅度包络线的下降段，当某一个脉搏波的幅度Ui与最大幅度Um之比Ui／Um=Kd时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。即Pd=P∣Ui=Kd·Um。
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。测定心率的关键是判断脉搏波的峰值，然后根据一定时间内有多少个脉搏波计算出心率。
2 系统硬件设计
2.1 系统总体结构
如图4所示，系统硬件主要包括：LM3S1138控制器、气泵、滤波放大电路、报警电路、存储模块、键盘模块及液晶显示模块等。
气动电路主要完成对外界施加压力的控制及压力信号数据的采集；放大滤波电路主要完成从混合血压信号中滤出脉搏信号，并对脉搏信号进行放大；存储模块主要用于测量记录的存储；报警电路用于异常情况下的声光报警提示；显示模块用于显示血压测量数据及血压历史记录；键盘模块用于系统设置参数的输入。
2.2 气动电路
气动电路由袖带、气泵、压力传感器和放气阀构成，它们构成一个四联通的结构。压力传感器输出的两路信号分别与主控制器两路A／D相接，完成静压信号和脉搏信号的测量；气泵和放气阀由主控制器经驱动芯片直接控制，完成测量时候的充放气。
2.2.1 压力传感器
人体生理信号的特点是低频小信号，一般是μV～mV级的，频率范围是0～300 Hz，信噪比低，因此选择一个性能良好的传感器就非常重要。
MPXVS050GP压力传感器内部含有信号运放和信号调节功能，具有良好的线性度，输出电压与所加压力成正比关系，可以进行片上补偿，并且其温度补偿特性能克服半导体压力敏感器件存在的温度漂移问题。它可以直接将动脉血液对血管壁的压力转换为0～4.7 V的电信号，对应的血压值为0～375 mmHg，与血压计的设计要求非常匹配，因此特别适合示波法压力测量。图5为MPXV5050GP压力传感器输入、输出线性对应关系。
2.2.2 驱动电路设计
图6为气路驱动电路。HLPM30A气泵和HLV01A电磁阀的工作驱动电流分别为450 mA和75 mA，控制气泵和电磁阀工作的信号由LM3S1138控制器发出，而LM3S1138控制器的数字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电流，采用可输出500 mA电流的达林顿管ULN2803驱动电路来驱动气泵和电磁阀工作，分别利用ULN2803的第1路、第2路来驱动电磁阀和气泵。
2.2.3 滤波放大电路
从压力传感器出来的信号是脉搏信号和静压信号的混合信号，还夹杂着来自外界的高频干扰和直流或低频分量。静压信号属低频信号，频率小于或等于0.04 Hz，脉搏信号频率一般约为1 Hz。虽然所选的压力传感器具有放大功能，但是对脉搏振荡信号的放大有限，因此主要是静压信号。将混合信号分为两部分接入LM3S1138控制器，一路直接连接A／D转换器进行模／数转换，得到静压信号数据；另一路通过带通滤波放大电路后进行模／数转换，得到放大的脉搏信号数据。
如图7所示，滤波器由2个决定截止频率的RC网络组成。这两个截止频率由以下公式计算。
考虑到低血压患者的血压、心率比正常人低，又要保证滤除干扰分量，故这里设定脉搏波频率为0.5～5 Hz，因此取R1=1 kΩ，C1=33μF，R3=1 MΩ，C2=0.33μF。
此电路不仅可以提取出所需的脉搏信号，还对微弱的脉搏信号进行了放大。脉搏信号的强度因人而异，但一般范围为1～3 mmHg。根据压力传感器MPXV5050GP的传递函数，这个压力信号转换的电压信号为12～36 mV。由于滤波器在1 Hz信号处衰减10 dB，因此振荡波信号变成3.8～11.4 mV。经过试验测试，将放大器的放大倍数设定为150，使得信号变化范围定位在LM3S1138的A／D转换灵敏度较高的区域，可以提高数据采集的精度。
3 系统软件设计
3.1 系统工作主流程
系统工作主流程如图8所示，其中测量工作模式为默认模式。
血压测量模式下，完成血压的测量显示，并对测得的血压数据进行分析，若有异常(血压偏高、血压偏低、心率较慢、心率较快、错误测量等)，立即进行报警提示。报警条件：
①收缩压>145 mmHg或收缩压<95 mmHg；
②舒张压>90 mmHg或舒张压<45 mmHg；
③心率>105或心率<45。
测量完毕后，提示是否保存数据。系统最多可以对16组数据资料进行存储，每组可存331条记录。
查看记录操作模式下，可以调出16组血压数据列表或生成日、周、月血压情况的折线图，便于对某一段时期血压变化情况进一步的观察和分析。
3.2 血压测量流程
血压测量采集和处理过程中，有以下几组重要的序列和数据。设原始静压信号序列为{statk_BP[i]，i=0，1，…，n-1)，脉搏信号序列{pluse_BP[i]，i=0，1，…，n-1}。经过归一化后，峰值序列{peak_BP[i]，i=0，1，…，n-1}，峰值包络中最大值为max_peak。峰值时间间隔序列为{TIme_peak[i]，i=0，1，…，n-1)。
如图9所示，测量模式下，气泵自动加压进行充气，当袖带中压力至大于或等于200 mmHg，无脉搏信号出现时，停止充气，袖带中气体缓慢释放。每隔5 ms采集1次脉搏信号值，在检测到第1个峰值后，以周期为5 ms采集脉搏信号值和静压信号值，分别获得静压信号序列staTIc_BP[i]和脉搏信号序列pluse_BP[i]，并判断采集的脉搏信号值是否为峰值。若是峰值，则记录此时的脉搏信号值和静压信号值，以及从上一个峰值到当前时刻的时间差，分别生成序峰值序列peak_BP[i]和峰值时间间隔序列TIme_peak[i]。一般，当袖带压力Pc≤60 mmHg时，脉搏信号峰值消失，当连续4 s内检测不到脉搏信号峰值，系统退出本次血压测量。
3.3 血压和心率计算流程
示波法血压测量没有完善的理论推导，使得特征点的确定只能依赖采集样本的统计归纳，因而示波法测量血压是基于统计的方法，有一定的离散性。如图10所示，数据处理过程主要包括滤波处理、心跳周期的计算、平均压力位置的确定、收缩压和舒张压的计算4个重要部分。
滤波处理主要用于对峰值序列peak_BP[i]中相邻跳变较大的数据进行滤除噪点处理优化，增加原始数据的线性度。
心跳周期，指2个脉搏波峰值的时间间隔。为提高结果的准确性，对放气过程中的峰值时间间隔序列TIme_peak[i]取算数平均值，得到平均周期Ta，则心率为R=1／Ta。
平均压力值，指脉搏信号的包络的峰值位置对应的静压值。通过对滤波处理的峰值序列相邻数据进行比较，可以得到脉搏信号包络的峰值max_peak=peak_BP[a]，则血压的平均压力值Pm=static__BP[a]。
根据幅值系数法原则，Ps／Pm=Ks和Pd／Pm=Kd。由于收缩压和舒张压在静压曲线中位置由脉搏信号峰值包络确定，可得出：peak_BP[b]／max_peak=Ks和peak_BP[c]／max_peak=Kd。对应的b和c的值，就是收缩压和舒张压在静压序列中的位置，即收缩压Ps=static_BP[b]和舒张压Pd=static_BP[c]。其中，医学临床普遍采用的幅度系数数值，即Ks=0.48，Kd=0.58。
4 实验结果及分析
选取3组测量者，采用重复和对比的方法，对同一个测量者在同一时期分别使用本电子血压计和水银血压计进行连续测量，将测量结果进行对比、分析，以观察测量结果的一致性和准确性，如表1所列。
由表1实验数据可以看出，本电子血压计测量结果基本与水银血压及保持一致，血压误差范围<6 mmHg，心率误差范围<3次／min，因此可以在临床诊断和家庭医疗保健中应用。