便攜式電子血壓計(jì)連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)血壓的便攜式電子血壓計(jì)。血壓計(jì)測(cè)量方法采用示波法，以ATmegal6單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換、定時(shí)測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、串口通信、LCD顯示等功能，可用作偶測(cè)血壓計(jì)，需要時(shí)能夠連續(xù)全天24小時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)血壓和脈搏。
關(guān)鍵詞：便攜式；動(dòng)態(tài)血壓；ATmegal6；示波法

    隨著便攜式醫(yī)療器械的普及，其中常用的有電子血壓計(jì)。但是市面上的同類產(chǎn)品只能適用于偶測(cè)血壓，針對(duì)一些疾病的確診需要24小時(shí)監(jiān)測(cè)病人的動(dòng)態(tài)血壓，此類產(chǎn)品就無法滿足需要。加之對(duì)于一個(gè)家庭或者一個(gè)病人，經(jīng)常需要偶測(cè)血壓，但是有時(shí)也需要監(jiān)測(cè)24小時(shí)動(dòng)態(tài)血壓，如果單獨(dú)為了滿足監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)血壓市場(chǎng)的需要而生產(chǎn)動(dòng)態(tài)血壓計(jì)，資源勢(shì)必有些浪費(fèi)?；谏鲜鲂枨?，根據(jù)市場(chǎng)上電子血壓計(jì)的基本原理，提出了一種既能監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)血壓又能偶測(cè)血壓的便攜式電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)思路。

1 設(shè)計(jì)理論
1．1 血壓測(cè)量和24小時(shí)動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)
    目前，一般醫(yī)院使用水銀血壓計(jì)測(cè)量血壓，醫(yī)生可以用聽診器聽到動(dòng)脈血管的不同聲音，來判斷收縮壓和舒張壓的值，這就是柯氏音法；而國內(nèi)外大多數(shù)電子血壓計(jì)普遍采用的是示波法。關(guān)于示波法的測(cè)量原理參見文獻(xiàn)。
    通常人們所測(cè)得的血壓均屬偶測(cè)血壓(Clinic Bloodpressure，CBP)。偶測(cè)血壓存在較大的局限性，它只能代表被測(cè)者當(dāng)時(shí)的血壓狀況，有的人在測(cè)量時(shí)由于心情緊張或情緒波動(dòng)造成血壓讀數(shù)偏高。動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)(Ambulatory Bloodpressure Monitoring，ABPM)是一種全天24小時(shí)每隔15～30 min或任選時(shí)間間隔進(jìn)行的自動(dòng)的無創(chuàng)性血壓測(cè)量及記錄方法。人體典型血壓的晝夜節(jié)律變化呈“雙峰一谷”，即清晨醒后血壓逐漸升高，在上午6：00～8：00出現(xiàn)第1個(gè)高峰，此后血壓趨于平穩(wěn)，下午4：00～6：00出現(xiàn)第2個(gè)高峰，夜間進(jìn)入睡眠后，血壓逐漸下降，夜間2：00～3：00降至最低。血壓的晝夜節(jié)律是否正常是判斷高血壓病情嚴(yán)重程度的良好指標(biāo)，而動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)能夠反映患者全天的血壓波動(dòng)水平和趨勢(shì)，對(duì)高血壓和心血管功能的評(píng)估提供極有價(jià)值的信息。
1．2 總體方案設(shè)計(jì)
    動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)，是在原有電子血壓計(jì)的基礎(chǔ)上，增加新的功能：自動(dòng)控制血壓計(jì)定時(shí)地使袖套充氣和排氣；能夠調(diào)整自動(dòng)測(cè)量血壓的時(shí)間間隔，一般設(shè)定為每隔15～30 min記錄1次，為了盡可能少地干擾患者日?；顒?dòng)和夜間睡眠，可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整時(shí)間間隔，如白天每隔30 min記錄1次，夜間比白天記錄時(shí)間間隔適當(dāng)延長些，可設(shè)定為每隔60 min記錄1次；能自動(dòng)定時(shí)顯示收縮壓、舒張壓、平均動(dòng)脈壓和脈率；增加RS-232串口通訊，方便在電腦軟件平臺(tái)上顯示動(dòng)態(tài)血壓曲線；任何時(shí)候只要按下START按鈕，馬上啟動(dòng)加測(cè)，并能夠在測(cè)量失敗后自動(dòng)補(bǔ)測(cè)；4節(jié)5號(hào)標(biāo)準(zhǔn)堿性干電池(1．5 V／每節(jié))供電，低電壓自動(dòng)報(bào)警提示，更換電池后從斷點(diǎn)起測(cè)等。

    該裝置總體框圖，如圖l所示，由微控制器控制氣泵向袖帶內(nèi)充氣至一定壓力值(如180 mmHg)，確保超過收縮壓，使血流阻斷，然后控制氣閥以3～5 mmHg的速率階梯式放氣。在放氣過程中，壓力傳感器將袖帶內(nèi)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過低通濾波器濾波，得到袖帶的靜壓力信號(hào)和十分微弱的脈搏信號(hào)，一路送往單片機(jī)ADC0引腳，用以轉(zhuǎn)換袖帶靜壓力信號(hào)(微弱脈搏振蕩信號(hào)可以忽略)成血壓值；另一路經(jīng)過高通濾波器濾波，得到脈搏振蕩信號(hào)后，經(jīng)過放大器放大分別送到單片機(jī)ADCl和AINl引腳，用以測(cè)量脈搏振蕩信號(hào)幅度和經(jīng)過比較器得到標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)來計(jì)算脈率，當(dāng)檢測(cè)到收縮壓、平均壓和舒張壓后，打開氣閥，使袖套全部放氣，完成一次測(cè)量過程，并把測(cè)量結(jié)果保存、顯示。整個(gè)測(cè)量過程由微控制器控制并完成各種計(jì)算。框圖中的主要部分在下文中將分別詳細(xì)介紹。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)
2．1 模擬電路
2．1．1信號(hào)采集單元
    血壓的測(cè)量范圍一般是0～200 mmHg，本文選擇Motorola公司的硅壓力傳感器MPX5050GP，其內(nèi)部含有溫度補(bǔ)償和放大器輸出功能，可以直接與單片機(jī)接口相連，使用十分方便。MPX5050GP壓力傳感器具有如下特點(diǎn)：
    (1)在0°C到85°C范圍的最大誤差為2．5％；
    (2)溫度補(bǔ)償范圍：-40～+125℃；
    (3)壓力測(cè)量范圍：O～50 kPa(0～375 mmHg)；
    (4)供電電壓：5 V(4．75～5．25)；
    (5)滿量程輸出：4．7 V；
    (6)零位偏壓電壓：0．2 V；
    (7)靈敏度：90 mV／kPa，反應(yīng)時(shí)間1．0 ms。
    本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)A／D轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓為AVCC電源電壓5 V，而MPX5050GP壓力輸出為0～4．7 V，對(duì)應(yīng)的血壓值為0～375 mmHg，則5 V滿量程對(duì)應(yīng)的血壓值約為399 mmHg(由375×5／4．7計(jì)算可得)。由于A／D轉(zhuǎn)換器為10位，則1LSB所對(duì)應(yīng)的血壓值約為0．4 mmHg(由399／210計(jì)算可得)，根據(jù)這樣計(jì)算所造成的滿刻度誤差為(0．4×210-399)／1 024～1．04％，完全能滿足設(shè)計(jì)需要。
2．1．2 模擬信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)
    TLC2274是一款軌到軌通用四運(yùn)放，具有高輸入阻抗，高共模抑制比、低輸入偏置電流、低溫漂、低噪音等優(yōu)良性能，并具有較高的電流驅(qū)動(dòng)能力(±50 mA)，適合于A／D轉(zhuǎn)換這一類的接口電路。TLC2274-1構(gòu)成40 Hz二階低通巴特沃思濾波器，運(yùn)放接成跟隨器，放大倍數(shù)為1，信號(hào)由運(yùn)放同相端輸入，接成壓控電壓型(VCVS)濾波器。巴特沃思濾波器的最小條件是

中C3總是取最大的電容，通過換算確定R，以使c3=1μF，則R3=R4=R=5．63 kΩ，取特征值5．6 kΩ，C4=0．5μF。經(jīng)過低通濾波器得到的直流信號(hào)一路送往ATmegal6的PA0(ADC0)引腳，另一路送到高通濾波器繼續(xù)提取微弱的脈搏振蕩信號(hào)。電路如圖2所示。

    C7和R7又構(gòu)成了0．4 Hz一階高通濾波器，TLC2274-3構(gòu)成反相放大器，閉環(huán)放大倍數(shù)KF1可以調(diào)節(jié)到3．75倍。
    TLC2274-4構(gòu)成加法器，用來對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行相位和基線的調(diào)整，電路采取反相放大接法，增益KF2可達(dá)40倍，加上上一級(jí)放大器KF1，總增益KF=KF1*KF2=150，得到放大的脈搏振蕩信號(hào)即血壓交流成分送到單片機(jī)PAl(ADCl)和PB3(AINl)端進(jìn)行處理。
2．1．3 氣閥和氣泵控制電路的設(shè)計(jì)
    充、放氣裝置利用單片機(jī)控制直流電機(jī)和氣閥的動(dòng)作，當(dāng)單片機(jī)引腳輸出高電平時(shí)，氣泵和氣閥立即工作；輸出低電平時(shí)氣泵和氣閥立即停止工作。由于選用的megal6單片機(jī)I／O引腳只能提供輸出20 mA的電流，直流電機(jī)和電磁閥的額定電流都達(dá)幾百毫安，因此選用集電極電流2 A、基極電流50 mA的TIPll2達(dá)林頓晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。通過控制TIPll2的基極電平，實(shí)現(xiàn)袖帶的充氣和放氣。由于氣閥和氣泵內(nèi)部有線圈，屬于感性負(fù)載，需用續(xù)流二極管D1，D2以防止燒毀器件。放氣采用單片機(jī)的PWM輸出實(shí)現(xiàn)控制氣閥階梯放氣。采用常開氣閥，系統(tǒng)復(fù)位時(shí)自動(dòng)放氣，避免氣閥損壞時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)。

2．2 數(shù)字電路
    系統(tǒng)的數(shù)字電路單元以單片機(jī)為核心，完成A／D轉(zhuǎn)換、充放氣控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳送的任務(wù)。綜合各方面考慮，選用了AVR單片機(jī)ATmegal6作為主控制器，它內(nèi)置模擬比較器和八路10位ADC，21個(gè)各種類型的內(nèi)外部中斷源，3個(gè)內(nèi)部定時(shí)器／計(jì)數(shù)器(包括捕獲功能)，以及UART，SPI，TWI等豐富的總線資源；外圍器件采用DSl302時(shí)鐘芯片、AT24C256存儲(chǔ)芯片和通過MAX232電壓轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)與上位PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳送；同時(shí)具有JMl2864M漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示、鍵盤、蜂鳴器等人機(jī)接口器件，如圖5所示。

    為了實(shí)現(xiàn)電池供電系統(tǒng)檢測(cè)到電池電量低時(shí)自動(dòng)鳴響蜂鳴器報(bào)警和在液晶上提示電量不足，本設(shè)計(jì)采用專用看門狗芯片MAX813L，MAX8-13L不僅可監(jiān)控微控制器，而且在系統(tǒng)加電、斷電和電壓降到復(fù)位門限值(電壓降至4．65 V，PFI引腳門檻電壓為1．25 V)時(shí)，輸出復(fù)位信號(hào)和中斷信號(hào)。
    按鍵設(shè)有SET，UP，DOWN，START，AUTO鍵，分別用以設(shè)置時(shí)鐘、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)開／關(guān)及時(shí)間間隔設(shè)置、上下時(shí)間調(diào)整／歷史記錄查閱、啟動(dòng)檢測(cè)血壓和啟動(dòng)動(dòng)態(tài)血壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件包括采集信號(hào)處理程序，串口驅(qū)動(dòng)程序，氣泵氣閥驅(qū)動(dòng)與控制程序、時(shí)鐘、存儲(chǔ)、顯示器及鍵盤、蜂鳴器等相關(guān)的接口程序的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件總體框圖如圖6所示。

3．1 采集和信號(hào)處理
    本系統(tǒng)采用ATmegal6內(nèi)部集成的10位的逐次逼近型ADC和7．372 8 MHz外部晶振，根據(jù)Nyquist采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于等于被采樣信號(hào)最高頻率的兩倍，以免采樣后的信號(hào)發(fā)生頻譜的混疊。同時(shí)考慮到選用的氣泵、氣閥有自動(dòng)緩慢放氣的特點(diǎn)，將采樣頻率設(shè)置為200 Hz、選擇AVCC作為ADC的參考電平，轉(zhuǎn)換結(jié)果為ADC=(VIN×1 024)／VREF。ADC模塊的工作時(shí)鐘由系統(tǒng)時(shí)鐘經(jīng)過128分頻提供，轉(zhuǎn)換周期由T／C0定時(shí)控制，定時(shí)器T／CO的時(shí)鐘源采用系統(tǒng)時(shí)鐘1 024分頻，運(yùn)行于普通模式，因采樣頻率是200 Hz，則采樣周期是5 000μs，定時(shí)初值TCNT0=
256-7．372 8×5 000／l 024=0 xdc。轉(zhuǎn)換模式選擇自動(dòng)轉(zhuǎn)換觸發(fā)工作模式，在定時(shí)溢出中斷中運(yùn)行A／D轉(zhuǎn)換程序，A1通道轉(zhuǎn)換完成之后，直接改變通道，開始A0通道轉(zhuǎn)換。
    為了最大限度地利用A／D轉(zhuǎn)換的采樣速率，用中斷實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處理。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換完成后觸發(fā)中斷，在嵌套中斷服務(wù)程序中，將采樣結(jié)果進(jìn)行簡單預(yù)處理。由于在信號(hào)采集過程中，經(jīng)常會(huì)遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象，為避免采集到的是干擾信號(hào)，在一次定時(shí)中斷服務(wù)子程序中連續(xù)進(jìn)行4次模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到4個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行防脈沖干擾數(shù)字濾波。在此，采用簡單有效的均值濾波法，即對(duì)4個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉最大值和最小值，然后計(jì)算余下的2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，視該算術(shù)平均值為所需的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。這樣即可濾除脈沖干擾又可濾除小的隨機(jī)干擾，使測(cè)量更準(zhǔn)確。
    由于定時(shí)器T1具有2個(gè)比較匹配寄存器(OCRlA、OCRlB)，故可通過兩個(gè)I／O口PC6、PC7產(chǎn)生PWM信號(hào)分別控制氣泵和氣閥的開關(guān)。T／C1是這樣工作的：選擇T／C1的計(jì)數(shù)長度為16位，工作于快速PWM模式，時(shí)鐘源來自系統(tǒng)時(shí)鐘經(jīng)過1 024分頻，當(dāng)定時(shí)器T1產(chǎn)生溢出中斷前，首先比較匹配中斷觸發(fā)，氣閥工作；定時(shí)器T1繼續(xù)運(yùn)行直到溢出，氣閥停止運(yùn)行。改變定時(shí)初值TCNTl和OCRlA、OCRlB的值，可以改變氣閥、氣泵運(yùn)行的頻率和輸出脈沖的占空比。為保證測(cè)量工作能可靠進(jìn)行，應(yīng)使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)出錯(cuò)檢測(cè)和自動(dòng)恢復(fù)。
    脈搏信號(hào)輸入ADC模塊ADCl通道的同時(shí)，也被輸入到模擬比較器的負(fù)極AINl，芯片內(nèi)部的固定能隙參考電源1．23 V將代替正極AIN0的輸入，比較器輸出ACO觸發(fā)定時(shí)器T1的輸入捕獲功能，當(dāng)捕獲到脈沖信號(hào)的變化時(shí)，計(jì)數(shù)寄存器TCNTl(TCNTlH，TCNTlL)的值被傳送至輸入捕獲寄存器ICRl，并賦予時(shí)間標(biāo)記以說明該事件的發(fā)生時(shí)刻，從而計(jì)算出脈率。
3．2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
    以單片機(jī)為核心的儀表要考慮發(fā)生斷電時(shí)的數(shù)據(jù)保存問題，本系統(tǒng)需要保存的數(shù)據(jù)依次為受檢者的收縮壓、舒張壓、平均壓、脈率以及時(shí)鐘芯片DSl302的月份寄存器、日期寄存器、小時(shí)寄存器、分鐘寄存器。前3個(gè)參數(shù)每個(gè)參數(shù)占2 bit，脈率等后5個(gè)參數(shù)各占l bit，一次測(cè)量僅需要11 bit的長度存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
   假設(shè)白天(am 6：00～pm 10：00)每隔15分鐘測(cè)量一次，共測(cè)64次；夜間(pmlO：00～次日am 6：00)每隔60分鐘測(cè)量一次，共測(cè)8次；則一天共測(cè)量72次，需要11×72=792 bit。加上偶側(cè)血壓記錄值的考慮，選用容量為32 kB的串行I2C總線E2PROM——AT24C256。AVR的TWI接口是兼容I2C總線的硬件接口，使用硬件接口編程比軟件模擬簡單，代碼短，效率也高。

4 結(jié)束語
    設(shè)計(jì)的便攜式電子血壓計(jì)具有成本低、功耗低、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，具有便攜和易操作的特點(diǎn)，滿足了人性化和連續(xù)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)血壓的要求。文中給出了完整的設(shè)計(jì)方案及詳盡的資料和數(shù)據(jù)。以ATmegal6為控制核心，輔以壓力傳感器、外圍模擬以及數(shù)字電路，確保了該血壓計(jì)設(shè)計(jì)的合理性和可行性。