基于单片机控制的血压连续检测系统

基于单片机控制的血压连续检测系统
宋义林;李勇;高树枚;张扬;祁林;刘琳
【摘要】Objective In order to achieve the early detection, early diagnosis and early treatment of hypertension, an instantaneous blood pressure measuring system at the wrist is developed based on the volume-compensation method and PIC microcontroller in this paper. Methods The radial artery at wrist is as the object of detection, a local pressurizing cuff and a new type electro-pneumatic converter are used to realize a portable detection system with continuity and highly accuracy. The comparative test between this system and the electronic blood-pressure meter ( EBM ) is carried out to evaluate the system accuracy. Results The local pressurizing cuff compresses the radial artery effectively and safely, and the electric pneumatic converter with good frequency characteristic is suitable for the control of instantaneous pressure in the cuff. The results obtained from this system using the volume-oscillometric method and those from the electronic blood-pressure meter are well correlated. In addition,the characteristics of the system to measure instantaneous blood pressure are good not only in rest condition,but also with respiratory interference. Conclusions The system is capable of measuring instantaneous blood pressure at radial artery non-invasively.%目的为实现高血压症的早期发现、早期诊断和早期治疗,笔者开发了基于容积补偿法和单片机控制的手腕式无创性血压连续检测系统.方法本系统以手腕处的桡骨动脉为检测对象,采用局部加压式袖带和新型电空变换器,并通过单片机的软硬件控制,实现了便携式、连续性和高精度检测
系统的研发.同时,实验评价了系统的检测性能,与电子血压计检测装置进行了检测精度的对比实验.结果局部加压式袖带可以有效压迫桡骨动脉而不产生末梢血管的淤血,新型电空变换器具有良好的频率特性并实现袖带的瞬时压力控制.本系统与同时利用电子血压计测得的血压值,具有很好的相关性.血压连续曲线在被实验者安静和呼吸干扰时,都有较好的跟随性.结论本系统以桡骨动脉为检测对象的无创性血压连续检测是可行的.
【期刊名称】《北京生物医学工程》
【年(卷),期】2013(032)002
【总页数】7页(P180-185,194)
【关键词】血压;桡骨动脉;无创性检测;单片机
【作者】宋义林;李勇;高树枚;张扬;祁林;刘琳
【作者单位】黑龙江大学机电工程学院,哈尔滨150080
【正文语种】中文
【中图分类】R318.6
研究表明，高血压是心脑血管疾病的主要发病诱因，高血压症的早期发现、早期预防和早期治疗对抑制心脑血管疾病高发病率具有重要意义[1]。

为此，采用有效的检测方法和适用的检测装置对血压易进行经常性的连续测量是一个重要的课题。

特别是，与通常单一地进行血压的最高、最低值检测相比，对每一心拍下的血压波形和一段时间内的血压变化趋势进行无创性连续监测，可以获得自律神经活动更多的生理信息，可以对心脑血管疾病进行有效的预防及治疗。

到目前为止，本研究组对每一心拍下的血压值与血压波形的无创性连续检测法—
—容积补偿法[2-3]进行了理论上和应用上的深入探索。

同时，关于检测系统的实
用化、小型化和轻量化方面也开展了很多研究[4-7]。

在此之前的实验研究中发现，作为主要检测对象的手指根节的指动脉，因其管径较细，在交感神经发生较强的亢进时易受血管紧张的影响，致使作为容积补偿法控制目标值的血管径发生变化，影响检测精度，甚至有时候不能检测出血压的连续波形；以头部浅动脉作为检测对象时又不利于日常自由行动下的监测。

因此，以手腕处的桡骨动脉为检测对象无论是解决检测本身的精度问题，还是解决无拘束化日常监测及装置的小型化、可携带性等技术与使用问题都是有效的。

本研究，在考虑了上述因素以及便携式日常监测的超低功耗问题，开展了以手腕处的桡骨动脉为检测对象，采用容积振动法和容积补偿法，应用超低功耗单片机控制的手腕式血压连续检测系统的开发研究，并对开发的系统进行了性能评价。

研究表明，人的血管壁有较为特殊的力学特性，它与血管内外的压差具有很强的相关性[2]。

当血管的内外压差(transmural pressure，Ptr)接近0时，血管壁内较软的弹性纤维在抵抗力方面起主导作用；而内外压差较大时，血管壁内不容易变形的胶质纤维在受力方面起主导作用[8]。

这种利用血管自身的强非线性力学特性而形
成的血压检测方法称为容积振动法和容积补偿法。

如图1(a)所示,在容积振动法中，通过给袖带加压来控制血管内外的压差。

同时,采用光电容积检测法来检出血管的
内容积(photo-plethysmo-graphic pulsation signal，PGp)变化，观察光电容积曲线的振幅最大点(MAP)以及消失点(SEP)所对应的袖带压力(Pc)，来确定平均血
压(MBP)和最高血压(SBP)。

这种方法由于受其检测原理的限制，它无法直接测到
最低血压(DBP)。

但是，考虑到容积脉搏波与血压波形的相似性,利用图中所给出的计算公式，最低血压(DBP)可以间接地求出[9]。

容积补偿法的检测原理如图1(b)所示。

如图1(a)中所示容积振动法中所测得的光
电容积曲线的振幅最大点(MAP)所对应的直流成分的容积信号(PG)的平均值，即无
负荷状态时的血管内容积(V0)，作为伺服控制的基准值(Vref)。

如果血管内部的压力上升(或下降)了ΔP，与此相对应的血管内容积也必然由无负荷状态时的容积V0上升(或下降)了ΔVm。

这种血管内压的变化所引起的血管内容积的变化由容积控
制回路自动检出，并反馈到压力控制回路，调节袖带的压力Pc来抵消血管内容积的变化。

这样，通过对袖带压力的实时伺服控制使血管内容积始终等于一个常量
V0，从而实现了血管内的容积补偿。

由此，使得伺服控制的袖带压力Pc始终与血管的内部压力相平衡，检测出袖带的压力Pc就可实现对血管内部压力的无创性连续检测。

2.1 检测系统构成
在血压连续检测系统的开发中，与以往应用dsPACE的软、硬件系统不同，本次
采用了美国Microchip公司生产的PIC18F4523单片机。

这是一款具有12位
A/D采集和纳瓦技术的增强型闪存单片机。

它的优点是，在休眠的时候电流可以
降低到0.1 μA，空闲时可以降低到5.8 μA，可以实现在系统不工作时低功耗。

而内部有8×8单周期硬件乘法器，能使数值计算速度提升。

特别是它的小体积、超
低功耗，为便携式日常监测用的血压连续检测装置的开发提供了便利。

手腕式血压连续检测装置的硬件构成如图2所示。

在装有PIC18F4523单片机芯片的硬件系统上实现容积补偿法血压连续检测的控
制框图如图3所示。

血压检测时，首先进入容积振动法的检测模式，由气泵向加
压袖带中充气并通过调整电空变换器的气门开启量，使袖带中的压力以5
mmHg/s的速率上升。

与此同时，置于固定具内的光电容积传感器和压力传感器
分别检测出加压过程中血管内光电容积(PG)的变化和袖带内的压力变化，利用前
述的容积振动法的原理，考察光电容积交流部分PGac的振幅最大点与振幅消失点，确定血管内的平均压力和最大压力。

另外，考察光电容积交流部分PGac上振幅最大值与光电容积直流部分PGdc的对应点，确定血管无负荷状态时的血管内容积
(V0)，参见图1(a)。

然后进入容积补偿法的检测模式。

以V0作为伺服控制的基准值(Vref)，采用PID
控制方法对袖带压力进行控制。

控制方法如下：在积分控制(I控制)中先将I0=V0，并使袖带的压力上升到平均血压值附近；然后，通过比例控制(P控制)参数的逐渐
上升，辅以微分控制(d控制)的调整，控制血管的内容积Vt始终与伺服目标值V0大致相等，即PGac≤0.2 PGacmax；与此同时，检测出袖带内部压力的变化曲线。

此压力曲线即为间接测到的血压连续曲线。

通过不断比较血管内容积信号与目标信号值Vref的大小，对袖带压力进行实时伺服控制、跟踪与检测，达到间接连续检
测血管内压力的目的。

程序用C语言编写。

开启定时器，每隔2 ms，程序从上往下执行一次，也就是对所有的信号(压力、PGac、PGdc)的采样频率都是500 Hz，电空变换器的驱动频率也是500 Hz。

系统采用容积补偿法进行血压连续检测的流程如图4所示。

2.2 局部加压式袖带
传统的全周压迫式袖带在利用容积补偿法进行血压的连续检测时，由于袖带内的压力始终大于等于血管内的舒张压，使得静脉血管总是处于压闭状态。

这样，动脉血液通过桡骨动脉不断地流入末梢动脉血管，而静脉血无法从末梢静脉血管返回。

由此，带来血管末梢部分的淤血，时间一长就会伴有比较严重的胀痛感。

在以前的研究中，本课题组已开发使用了局部加压式袖带和对人体手腕仿真的刚性固定具。

本研究在原有基础上对局部加压式袖带和固定具进行了改进。

图5为局部加压式袖
带与固定具的示意图。

2.3 电空变换器
电空变换器是利用容积补偿法进行血压连续检测的关键部件。

在由气泵和电空变换器组成的袖带压力调节系统中，气泵是常供气的，进入袖带的空气量多少是由电空变换器调节电磁阀开口的大小来确定。

本系统中选用的气泵是小体积、大流量旋转
式气泵P22B03R(应研精工株式会社生产，日本)，流量4.5 L/min，电压6 V，最高压力90 kPa，可保证最大流量需求时的气体供应；电空变换器选用的是小型比例电磁阀VSO(Voltage Sensitive Orifice；Parker Hannifin公司生产，美国)，最高压力344.5 kPa，阀口直径1.65 mm，电流控制范围0.152～0.25 A，流量范围0～20 L/min，动态响应频率33 Hz。

研究表明，在被测者安静时的血压连续检测的频率特性约为13 Hz，在运动或活动时的血压连续检测的频率特性约为24 Hz。

因此，电空变换器的动特性可以满足血压连续检测的需要。

图6是该电空变换器的压力控制框图。

该电空变换器驱动电路如图7所示。

在系统运行中，控制单元通过数字PID计算出动作值后，经SPI总线将控制数据发送到TLC5615芯片。

TLC5615为DA转换芯片，转换精度为10 bit。

LM386为功率放大器，通过调整R26、R27的值可实现0～12 V的线性电压输出。

转换后的模拟信号通过LM386进行功率放大后直接输出到电空变换器上，实现压力的连续控制。

3.1 实验方法
健康正常的被实验者在安静的状态下进行血压的检测实验。

实验时，首先进行容积振动法的血压检测实验，以验证该检测系统的检测精度。

然后，进行血压的逐拍连续检测实验。

在正式进行本系统容积振动法的血压检测前，首先采用其它血压检测装置，如电子血压计，同时检测被实验者左、右手腕桡骨动脉的血压值，当确认两者没有明显差异后，开始本检测系统的检测实验。

实验方法如下：将本检测系统固定在被实验者的左手腕上，将电子血压计[OMRON，HEM-645，欧姆龙(大连)有限公司]固定在被实验者的右手腕上，同时开启两检测系统并将测得的血压的最高值与最低值分别记录下来以便于后期的分析、比较。

进行血压的逐拍连续检测实验时，由于没有可同时检测的设备，只记录了本系统的检测结果。

实验共有7名被实验者参与其中。

为了检验系统的动特性及跟随性，每一位实验者在实验时分别被
要求做平稳呼吸、深呼吸以及憋气等动作。

被实验者的年龄从21岁至49岁不等。

3.2 实验结果
图8和图9是利用本血压检测系统进行检测的例子。

其中，图8是利用容积振动
法进行血压值检测时的检测曲线及收缩压与平均压力的确定方法。

图中，光电容积PGp的交流部分(PGac)的振幅最大值所对应的袖带压力为血管内的平均压力MBP，PGac的振幅消失点所对应的袖带压力为血管内的最高压力SBP。

从图8中的结果可以看出，本系统稳定地检测出了袖带压力Pc、光电容积PGdc和PGac，明确
得到了血管内的收缩压和平均血压，袖带压力实现了等梯度上升。

图9是利用容积补偿法进行血压连续检测的检测曲线与控制过程。

从图中结果可
以看出，本系统很好地跟踪了被实验者的血压变化，实现了血压的逐拍检出，PGdc和PGac也控制在一定范围之内。

图中后半段人为的呼吸干扰对血压的影响也真实地反映了出来。

图10、图11是本系统与电子血压计在被实验者的左右手腕同时测得的实验数据
的对比分析结果。

其中，图10为应用本系统与电子血压计测得的最高血压SBP的对比分析结果，图11为两种方法测得的最低血压DBP的对比分析结果。

图中的
横坐标X轴为由电子血压计测得的各个实验值，纵坐标Y轴为由本系统测得的各
个实验值。

分析后的结果表明，两种方法测得的最高血压值SBP的相关系数
R=0.94、均方差SD=2.932，最低血压值DBP的相关系数为R=0.90、
SD=2.523。

可见，两者具有良好的直线相关性。

因此，本系统可以实现无创性、高精度桡骨动脉压力波形的连续检测。

从以上的开发研究与实验分析中，可以得出如下结论。

(1) 手腕式血压连续检测系统中所采用的局部加压式袖带，可以在手腕处有效地对桡骨动脉进行加压，压力传递与加压效果良好。

另外，新型电空变换器的频率特性可以满足手腕式血压连续检测系统的要求。

(2) 由于采用了局部加压式袖带，检测试验过程中没有出现末梢血管的淤血现象，被实验者也没有感觉到较强的不舒适感。

因此，固定具及其加压袖带的配置是可行的。

(3) 采用的PIC18F4523单片机控制系统能够快速进行信号的检测与处理，能够有效控制电空变换器的进排气，使袖带内的压力跟踪血管内部压力，达到较高精度血压连续检测的目的。

同时，单片机低功耗的特点为佩带式装置的开发奠定了基础。

(4) 本血压连续检测系统与电子血压计装置进行了检测对比实验。

实验结果表明，两种方法所测得的收缩压与舒张压均具有良好的相关性，相关系数均超过了90%。

同时，本系统实现了以桡骨动脉为检测对象的无创性血压连续检测。

【相关文献】
[1]Yamakoshi K，Simazu H，Shibata M，et al. Indirect measurement of instantaneous arterial blood pressure in the human finger by the vascular unloading technique[J]. IEEE Trans Biomed Eng，1980，BME-27：150-155.
[2]Yamakoshi K，Simazu H，Shibata M，et al. Indirect measurement of instantaneous arterial blood pressure in the rat[J]. Am J Physiol，1979，237：H632-H637.
[3]Shimazu H，Ito H，Kobayashi H，et al. New idea to measure diastolic arterial pressure by the volume-oscillometric method in human fingers[J]. Med amp; Biol Eng amp; Comput，1986，24:549-554.
[4]Tanaka S，Yamakoshi K. Ambulatory instrument for monitoring indirect beat-by-beat blood pressure in superficial temporal artery using volume-compensation method[J]. Med amp; Biol Eng. amp; Comput，1996，34：441-447.
[5]Tanaka S，Gao S，M. Nogawa，et al. Non-invasive Measurement of Instantaneous Blood pressure in the Radial Artery[J]. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine，2005，24(4)：32-37．
[6]宋义林，高树枚，五十岚朗,等.基于容积补偿法和电阻抗法的小型循环动态监测系统的开发[J].
中国医疗器械杂志，2009，33(3):167-171.
Song Yilin，Gao Shumei，Akira Ikarashi，et al. Development of a handy-type monitoring system for cardiovascular haemodynamic functions based on the volume-compensation and electrical admittance method[J]. Chinese Journal of Medical lnstrumentation，2009，
33(3):167-171.
[7]聂冬，崔萌，朱贻盛，等. 无创光电容积脉搏波检测分析系统[J]. 北京生物医学工程，
2012,31(1)：77-80.
NieDong，Cui Meng，Zhu Yisheng，et al. Non-invasive photoplethysmography detection and analysis system[J]. Beijing Biomedical Engineering，2012,31(1)：77-80.
[8]Yamakoshi K and Nakagawara M. Voltage clamp method for the use of electrical admittance plethysmography in human body segments[J]. Med amp; Biol Eng amp; Comput，1995，33：740-743.
[9]Shimazu H，Ito H，Kobayashi H，et al. New idea to measure diastolic arterial pressure by the volume-oscillometric method in human fingers[J]. Med amp; Biol Eng amp; Comput，1986，24:549-554.
[10]Yamakoshi K. A multipurpose handy-type monitoring system for cardiovascular haemodynamic fuctions[J]. Chemical Industry，2003，54(8)：7-17.。