基于SOC的高精度電子血壓檢測儀設(shè)計(jì)方案

1．引言
 血壓是人體重要的生理參數(shù)之一，對其進(jìn)行精確測量，有利于早期發(fā)現(xiàn)和鑒別高血壓類型，提出合理的治療建議。目前，臨床上對普通病人主要采用無創(chuàng)檢測的方法，它大致分為人工柯氏音法和示波法兩類，人工柯氏音法雖然比較準(zhǔn)確，但操作困難，受主觀因素影響較大，而傳統(tǒng)的示波法雖然操作簡單，但穩(wěn)定性和個(gè)體適應(yīng)性都比較差，不利于其在臨床應(yīng)用上的普及和推廣。本文在示波法的基礎(chǔ)上，從硬件實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，改進(jìn)了原來的測量方法，并進(jìn)行了比對測試。

2．系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)

采用示波法進(jìn)行血壓檢測，主要過程是獲取袖帶內(nèi)變化的壓力信號，分析從中分離出的脈搏信號，找到收縮壓和舒張壓對應(yīng)的位置，從而得到它們的大小。傳統(tǒng)的示波法測量，通常是首先將來自傳感器的信號放大，對放大后的信號進(jìn)行低通濾波，得到壓力信號，并由一

組A/D轉(zhuǎn)換器將其送入單片機(jī)，然后再對該壓力信號進(jìn)行帶通濾波，得到脈搏信號，由另一組A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)。其實(shí)現(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

采用了Σ-Δ型單片機(jī)ADuC848之后，電路的設(shè)計(jì)大大簡化了。

首先，由于集成了高精度的16位Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器且其A/D參考電壓可以編程調(diào)整（最小可達(dá)到10mV），因此，它可以在保證精度和動(dòng)態(tài)范圍要求的情況下，直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，而不必進(jìn)行經(jīng)過放大部分，這樣，可以消除由于放大器的存在而帶來的動(dòng)態(tài)范圍、噪聲以及失調(diào)電壓等一系列問題，并且減少了器件應(yīng)用，降低了實(shí)現(xiàn)成本。

其次，由于該Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器提供了差模輸入方式，可以將傳感器給出的差模信號直接送入A/D轉(zhuǎn)換器中，理論上其共模抑制比可以達(dá)到無窮大，因此，它可以大大降低由于前級放大電路的不匹配而造成的共模干擾。

再次，由于在Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程中，要通過一個(gè)低通濾波器的作用，因此，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，不必進(jìn)行濾波處理。可以直接將傳感器與A/D連接，然后再進(jìn)行數(shù)字濾波。

另外，由于ADuC848中集成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的恒流源，恒流數(shù)值可以通過軟件編程來調(diào)節(jié)，因此，我們可以根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用的不同環(huán)境，將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的壓力輸出進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果及時(shí)地調(diào)整恒流源，直到輸出期望的轉(zhuǎn)換數(shù)值，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)校準(zhǔn)。

 改進(jìn)后的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

經(jīng)過上面的硬件處理之后，得到的是袖帶內(nèi)壓力的變化曲線。因此，在下面進(jìn)行的軟件處理中，先要分離出其中的脈搏信號，然后再去除干擾點(diǎn)，擬合包絡(luò)曲線，找到對應(yīng)的平均壓，最后再根據(jù)系數(shù)計(jì)算出收縮壓和平均壓。

首先，在分離脈搏信號的過程中，我們引入了形態(tài)濾波的算法。由于袖帶內(nèi)壓力信號與脈搏信號頻帶接近，直接采用帶通濾波會(huì)減小信號幅度，降低信噪比，給后面的處理帶來困難，而應(yīng)用形態(tài)濾波的處理算法，則是從形態(tài)學(xué)角度來分離信號，它可以很好地將脈搏信號提取出來。為了能夠?qū)崟r(shí)地完成信號分離，我們將采用開運(yùn)算來進(jìn)行處理，削平原始信號中所有的波峰，再用原始信號與處理后的信號做差，得到分離出的脈搏信號，如圖3和圖4所示。

其次，為了有效地抑制干擾，修復(fù)缺損的脈搏波，我們將根據(jù)每個(gè)脈搏波峰值與和它相鄰的脈搏波峰值之間所成角度的關(guān)系，來決定每個(gè)脈搏波的可信程度，由于脈搏波幅值不是單調(diào)變化的，因此，這樣的判斷還需要把幅值因素考慮進(jìn)去，其具體的方法如文獻(xiàn)[1]中所述。

 再次，將利用上面得到的每個(gè)脈搏波的權(quán)值信息，進(jìn)行包絡(luò)擬合，由于所得包絡(luò)線明顯不對稱（即二階擬合不能滿足要求）,我們將采用帶權(quán)值的三階最小二乘擬合方式。擬合完成后，曲線上極大值所在位置對應(yīng)的壓力值，就是平均壓的數(shù)值。

 最后，如文獻(xiàn)[2]中所述，我們將根據(jù)平均壓的大小決定采用何種幅度系數(shù)，并利用幅度系數(shù)，計(jì)算出相應(yīng)的收縮壓、舒張壓對應(yīng)的位置，得到收縮壓、舒張壓的大小。



3．實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了試驗(yàn)所得血壓計(jì)的準(zhǔn)確性，我們選取了一些典型地樣本，將它的測量結(jié)果與人工聽診的柯氏音法進(jìn)行比對。

首先，用人工聽診的柯氏音法來測量血壓數(shù)值a1，相隔15min后，再用改進(jìn)后的電子血壓計(jì)進(jìn)行測量，得測量數(shù)值b，然后，再等待15min，用人工聽診的柯氏音法重新測量一遍，得測量血壓值a2，最后，用a1與a2的平均值a作為人工聽診柯氏音法所得的測量數(shù)值。所得測量數(shù)據(jù)如表1和表2所示。


由以上幾組典型的測量結(jié)果可以看出，應(yīng)用本文所述的電子血壓計(jì)測量血壓，能夠保證血壓測量的精確度在5mmHg以內(nèi)，這樣，基本可以滿足血壓測量的精度要求。

4．結(jié)語

 本文提出了一種基于SOC的血壓檢測儀器的實(shí)現(xiàn)方法，該方法的硬件集成度高，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)簡便，軟件設(shè)計(jì)集合了形態(tài)濾波等多種先進(jìn)算法，精確度高，抗干擾性強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證明，這種血壓檢測儀器，具有很好的精度，能夠滿足血壓測量的一般要求。