基于光電檢測(cè)脈搏波的多功能電子血壓計(jì)

引 言

近年來，由于我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活方式的轉(zhuǎn)變，心血管病發(fā)病率及相關(guān)危險(xiǎn)因素呈不斷上升趨勢(shì)，人們也越來越注意自己的身心健康。過去測(cè)量血壓必須到醫(yī)院，由醫(yī)生用水銀血壓計(jì)檢測(cè)才行，但隨著科技水平的發(fā)展，血壓計(jì)正在迎來電子血壓計(jì)的新時(shí)代。只要擁有了家用電子血壓計(jì)，人們就可以坐在家里隨時(shí)監(jiān)測(cè)血壓的變化，如發(fā)現(xiàn)血壓異常便可及時(shí)去醫(yī)院就診。

系統(tǒng)工作原理

心臟的間歇性射血產(chǎn)生從主動(dòng)脈根部出發(fā)沿著動(dòng)脈管系傳播的脈搏波。脈搏波到達(dá)之處，動(dòng)脈管內(nèi)的力學(xué)參量(如流量、壓力、血流速度、血管橫截面積等)將產(chǎn)生變化。在每個(gè)心動(dòng)周期中，心臟間歇性的舒張和收縮將引起主動(dòng)脈管壁時(shí)張時(shí)縮的振動(dòng)和主動(dòng)脈血液壓力時(shí)高時(shí)低的變化。這種動(dòng)脈管壁的振動(dòng)稱為動(dòng)脈脈搏。動(dòng)脈脈搏波在主動(dòng)脈近心端形成的同時(shí)，立即以波動(dòng)的方式將所發(fā)生的血壓、血流量和血管壁周期性的振動(dòng)沿著動(dòng)脈樹一直擴(kuò)散到整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)，從而形成整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)中血壓時(shí)低時(shí)高、血流量時(shí)慢時(shí)快、血管壁時(shí)縮時(shí)張的波動(dòng)，這三類脈搏波是相互伴隨產(chǎn)生的，因而可統(tǒng)稱為動(dòng)脈脈搏波。

本多功能電子血壓計(jì)，采用光電容積法進(jìn)行測(cè)量。其原理是：光束通過透射傳送到光電接收器信號(hào)的不同。人體血液紅細(xì)胞中的血紅蛋白（Hb）與氧分子作可逆性結(jié)合，結(jié)合后的 Hb 稱含氧血紅蛋白（HbO2），兩者具有不同的吸收曲線：在紅光譜區(qū) 600nm~700nm 內(nèi)血紅蛋白Hb吸收的光線較少，而HbO2吸收的光線較多；在紅外光譜區(qū) 800nm~1000nm 內(nèi)血紅蛋白Hb吸收的光線較多，而HbO2吸收的光線較少。在光路上，除了動(dòng)脈血紅蛋白外，還有許多其它吸收體，將嚴(yán)重影響測(cè)量精度，因此紅光和紅外光LED因盡可能相互靠近，通過人體中的單一組織位置透射光線，并采用時(shí)間復(fù)用處理來透射光線。同時(shí)在檢測(cè)端，將透過手指的透射光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，因此得到光電容積脈搏波信號(hào)。最后基于光電傳感器的檢測(cè)原理和Lambert-Beer定律，可以將透射光強(qiáng)與光電傳感器的輸出電壓相關(guān)聯(lián)，建立心血管系統(tǒng)參數(shù)收縮和舒張壓計(jì)算方法，設(shè)計(jì)無創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量方法測(cè)試設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)為：使用簡(jiǎn)單方便、測(cè)量精度高、測(cè)量值便于記錄、體積輕巧便于攜帶等。

硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本多功能電子血壓計(jì)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要包括LPC1788主控模塊、電源及復(fù)位模塊、LCD觸摸屏模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、光電脈搏波傳感器模塊和選配的Zigbee模塊等六大模塊。

主控LPC1788

主控采用NXP新推出的基于ARMCortex-M3的LPC1788微處理器，它具有高性能、高集成度、低功耗等的特點(diǎn)，廣泛用于低功耗和處理要求高集成度的嵌入式應(yīng)用，非常適合本方案的設(shè)計(jì)要求。它包括高達(dá)512kB的Flash存儲(chǔ)器、高達(dá)96kB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、4kB的EEPROM存儲(chǔ)器、一個(gè)用于SDRAM和靜態(tài)存儲(chǔ)器存取的外部存儲(chǔ)器控制器、一個(gè)LCD面板控制器、一個(gè)8通道12位ADC等。外部只需加入很少芯片就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，充分滿足了本設(shè)計(jì)的需要,并可使整個(gè)系統(tǒng)體積減小、功耗降低，控制了成本，提高了穩(wěn)定性。

光電傳感器

本系統(tǒng)采用了透射式雙波長(zhǎng)測(cè)量法，傳感器選用深圳美的連電子有限公司生產(chǎn)的 S0012A 型指套透射式可重復(fù)使用的血氧探頭。透射式光電脈搏傳感器包括光發(fā)射和光電接收兩部分：對(duì)于光發(fā)射電路，探頭內(nèi)部選擇了940nm的紅外發(fā)光二極管和波長(zhǎng)為660nm的紅色發(fā)光二極管以頭尾相接的方式并聯(lián)作為脈搏檢測(cè)電路的光源；接收電路的核心元件是光敏二極管。為了獲得最佳的信噪改善比，要求前置放大器的設(shè)計(jì)采用低噪聲放大器設(shè)計(jì)原則，盡量降低輸入級(jí)的噪聲，因此選用低噪聲光敏器件，以獲得最小的噪聲系數(shù)。

信號(hào)調(diào)理（放大和濾波）

脈搏波是以心臟搏動(dòng)為動(dòng)力源，是一種微弱低頻的生理信號(hào), 具有頻率低、信號(hào)弱和阻抗高等特點(diǎn)。因此應(yīng)用于人體生理信息測(cè)量的模擬電路因能夠有效地提高輸入阻抗和共模抑制比，抑制溫度漂移以及隨機(jī)噪聲。本系統(tǒng)中，選用了低功耗高精度的儀用放大器 AD620，它被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)測(cè)量以及那些提供微弱信號(hào)而共模干擾較大的場(chǎng)合。

脈搏波的主要頻率分量一般在0.1Hz~15Hz之間，既要頻帶合適，以便得到信號(hào)檢出時(shí)的最大保真度，又要要濾除各種干擾，如50Hz工頻干擾、各種外界中高頻噪聲；為與數(shù)據(jù)采集電路適配，輸出端的輸出阻抗要低，模擬信號(hào)的極性、狀態(tài)信號(hào)的電平和幅度的動(dòng)態(tài)范圍等都必須符合配接的規(guī)定。本設(shè)計(jì)采用Maxim公司的MAX267，它是Maxim眾多開關(guān)電容濾波器（SCF）芯片中較簡(jiǎn)潔的一種。內(nèi)部包含兩個(gè)已經(jīng)固定成帶通型，并且使用相同的Q參數(shù)和頻率變換比例的二階SCF和一個(gè)運(yùn)放。通過選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娮韬蚎參數(shù)，能夠組成不同波紋率的Butterworth或Chebyshev濾波器。這樣就大大減少了外圍電路，且使用靈活，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于采用集成運(yùn)放組成的濾波電路，非常適合于本設(shè)計(jì)。

軟件設(shè)計(jì)

程序流程

軟件部分程序流程如圖3所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，由U-boot引導(dǎo)啟動(dòng)嵌入式Linux，初始化相關(guān)硬件和程序并進(jìn)入主菜單：（1）個(gè)人信息，可輸入自己的年齡、身高、體重、性別等信息，方便系統(tǒng)對(duì)每個(gè)人的測(cè)量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行管理和針對(duì)性的進(jìn)行健康情況分析；（2）血壓檢測(cè)，血壓計(jì)進(jìn)入檢測(cè)頁面并開始檢測(cè)過程；（3）數(shù)據(jù)查詢，可在 LCD上查看以往測(cè)量結(jié)果，包括高壓、低壓、平均，并由機(jī)器進(jìn)行簡(jiǎn)單的健康情況分析；（4）系統(tǒng)設(shè)置，可對(duì)系統(tǒng)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，并可對(duì)系統(tǒng)固件進(jìn)行升級(jí)；

電子血壓計(jì)檢測(cè)模式流程

測(cè)量人體血壓的過程分為血壓校準(zhǔn)和血壓實(shí)際測(cè)量?jī)蓚€(gè)階段。血壓校準(zhǔn)階段的主要任務(wù)是提取光電容積脈搏波的四個(gè)血壓特征參量(td心動(dòng)周期、 Vd容積脈搏波信號(hào)的最低幅度值、 Vs容積脈搏波信號(hào)的最高幅度值和K脈搏波波形特征量)，完成校準(zhǔn)參數(shù)M2動(dòng)脈常數(shù)和V0人體在零血壓值狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的容積脈搏波信號(hào)幅度值的計(jì)算，為血壓實(shí)際測(cè)量階段奠定基礎(chǔ)；在血壓實(shí)際測(cè)量階段，基于血壓校準(zhǔn)階段中的校準(zhǔn)參數(shù)（即M2和V0）完成人體動(dòng)脈血壓的計(jì)算。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)管理采用SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫，它是一種中小型嵌入式數(shù)據(jù)庫。雖然體積大小只有幾千字節(jié)，但仍然實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完全適應(yīng)嚴(yán)峻環(huán)境的數(shù)據(jù)庫，可以較為方便地運(yùn)用于嵌入式系統(tǒng)中，具有數(shù)據(jù)庫處理事務(wù)的原子性、一致性、隔離性及持久性這4個(gè)基本特征，提供了對(duì) SQL92 的大多數(shù)支持，包括索引、事務(wù)、視圖、多表、觸發(fā)和一系列的用戶接口及驅(qū)動(dòng)。經(jīng)過對(duì)需求的分析和優(yōu)化，可設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的E-R圖如圖5所示，全面準(zhǔn)確的反應(yīng)了用戶的功能需求，實(shí)體類型的個(gè)數(shù)和所含屬性個(gè)數(shù)少，實(shí)體類型間無冗余。

系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序窗口界面采用QT編寫實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，被廣泛地應(yīng)用于各種嵌入式產(chǎn)品中。如圖6所示為采用輕量級(jí)跨平臺(tái)集成開發(fā)環(huán)境Qt Creator所設(shè)計(jì)的界面，輕按觸摸屏發(fā)出各項(xiàng)命令，再通過和數(shù)據(jù)庫的連接由圖形界面顯示結(jié)果。開機(jī)啟動(dòng)后首先進(jìn)入如圖6左圖所示的