基于示波法的电子血压计系统设计_刘坚强

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图 5 MPXV5050GP 的线性输出 泵和 电 磁 阀 工 作 的 信 号 由 LM3S 1138 控 制 器 发 出 , 而 LM 3S1138 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 U LN 2803 驱 动电路 来驱动气 泵 和电磁阀工作 , 分别利用 U LN2803 的第 1 路 、第 2 路来驱 动电磁阀和气泵 。
图 3 归一化值曲线
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 。
当某一个脉搏波的幅度 Ui 与 最大幅度 Um 之 比 U i/Um =
K d 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
图 4 系统结构图
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 。
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 。
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2010 年第 4 期
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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 。
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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 。
图 6 气路驱动电路
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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
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/ A m 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
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 。
图 7 滤波放大电路
f 1 =2πR11 C1 , f 2 =2πR13 C2
引 言
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[ 1] 。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 。本 文介 绍 采 用 LM 3S1138 作 为 控 制 核 心 、压 力 传 感 器 M PXV505GP 作为信号采集器的电子血压计的设计方法 。
Abstract :T he elect ronic sphy gmo manome te r over came the shor tco ming s of me rcur y sphy gmomanometer such as specialized operation , no t easy to carry and so on , presenting a home use tendency .In view o f the disadv antag es of t raditional M CU designs that the cir cuit is co mplex , the accuracy and stability perfo rmance is poo r , this paper put forw ard a design method based on o scillometer method , using LM 3S1138 as the main co ntr oller , pressure-sensor M PXV 5050G P w ith signal pro cessing ability as sig nal collecting equipment .Experimental results indicate that the the me asuring speed o f the sphy gmo manome te r is fast , the dev ice is stable , and that the result is similar to that of the Riva-Ro cci sphy gmomanometer , sho wing v alue in pr actical use . Key words :o scillometer me tho d ;sphy gmom anometer ;systolic blood-pr essure ;diastolic blood-pre ssure ;LM 3S1138
Blood Pressure Meter Based on Oscillometer
Liu Jianqiang1 , Wang Yongcai2
(1 .Co lleg e of Info rmation Science and Engineerng , No rtheastern U niv ersity , Shenyang 110819 , China ; 2 .Q ingdao T echno log ical Unive rsity Q indao College)
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 :LM3S 1138 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 。
图 2 袖带内产生的小脉冲图
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
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 U m 之
比 Ui/Um =K s 时 , 就认为此时对应的气袖 压力为收缩 压 。
即 P =P 。 s
Ui =Ks ·Um
舒张压判据的确定 :在 脉搏波 幅度包 络线 的下降 段 ,
静压信号 。将混 合信号 分为 两部分 接入 LM 3S 1138 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
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 。
2.2.2 驱动电路设计
图 6 为 气路驱 动电路 。 HLPM 30A 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
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6 3 2010 年第 4 期 Microco nt ro lle rs & Em bedded Sys tems
测量血压时 , 随着 袖带 压力 的 下降 血管 由 阻断 变 导
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
图 1 示波法中脉搏波波幅与袖带压力的对应关系
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基于示波法的电子血压计系统设计
刘坚强1 , 王永才2
(1 .东北大学 信息科学与工程学院 , 沈阳 110819 ; 2 .青岛理工大学琴岛学院)
摘要 :电子血压计克服了水银血压计操作专业性强 、不易携带等缺点 ,呈现出家用化的 趋势 。针对传统 单片机设计 方案 电路设计复杂 、测量精度不高 、稳定性不好等缺点 , 给出了一种采用 LM 3S1138 芯片作为主控制器 、自带信号运放和 信号 调理功能的压力传感器 M PXV5050GP 作为信号采集器 , 基于示波法测量 血压的血压 计设计方案 。实 验表明 , 该血 压计 测量速度快 , 稳定性高 , 测试结果基本与水银血压计一致 , 具有较高实用价值 。 关键词 :示波法 ;血压计 ;收缩压 ;舒张压 ;LM 3S1138 中图分类号 :T P311 文献标识码 :B
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
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[ 2] , 因 此选择 一个 性能良好的传感器就非常重要 。
M PXV5050G P 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 M PXV5050GP 压力传感器输入 、输出线性对应关系 。