《电子血压计的设计与验证》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子血压计的设计与验证（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电子血压计的设计与验证电子血压计的设计与验证医学院（生物医学工程） 【摘要】血压是人体重要的生理参数之一，对其的准确监测将对心血管疾病诊断和治疗具有重要意义。本设计是采用振荡法的无创血压测量技术来实现电子血压计，结合了现代传感技术、计算机与信号处理技术。本文主要从硬件方面介绍了电子血压计的设计，主要包括电源电路、放大滤波电路、LCD 显示电路、控制电路和数字处理等电路设计和核心器件选型，系统中采用压力传感器 US9111 和 LMV2264 运放对信号进行信号转换、放大、滤波，以STM32F103RBT6 单片机为核心，实现泵阀控制和对采集到的压力与脉搏信号进行处理，并上传测量的数据到上位机进
2、行显示，实现系统功能，达到预期的设计目标。【关键词】血压，硬件系统，显示； 电子血压计的设计与验证1 前言1.1研究背景1.1.1电子血压计概述通常所说的血压是指动脉血压，血压是血液在血管内流动时，作用于血管壁的压力，它是推动血液在血管内流动的动力。心室收缩，血液从心室流入动脉，此时血液对动脉的压力最高，即动脉血压的峰值，称为收缩压（systolic blood pressure ，SBP ） 1。心室舒张，动脉血管弹性回缩，血液仍慢慢继续向前流动，但血压下降，此时的压力称为舒张压（diastolic blood pressure，DBP） ，即血压的谷值 2。血压是机体重要的生命特征之一，可
3、以反映出人体心脏和血管的功能状况，是临床上诊断疾病、观察治疗效果、进行诊后判断等的重要依据 3。电子血压计是基于采用无创血压测量方法的生命信息监测医疗设备，无创血压测量方法主要有听诊法和示波法，其中示波法又称震荡法，本设计的测量原理是示波法。电子血压计有臂式、腕式之分，腕式电子血压计的优点是小巧便携，但测量结果不够精确；上臂血压计虽然机型较大携带不便，但是精度较高，更具有临床意义，所以本次设计目标也是上臂式电子血压计。血压计的技术经历了最原始的第一代、第二代（半自动血压计） 、第三代（智能血压计）的发展。第一代电子血压计是在减压时进行测量，使用的主要元器件包括压力传感器、快速加压气泵和机械快速
4、排气阀。第一代电子血压计由于机械式排气阀的不稳定，测量结果也不稳定，误差较大。第二代电子血压计也是在减压时进行测量，第二代是电子控制排气阀，可以智能加压，减小人为误差，使得测量结果更加稳定。第三代电子血压计是在加压时就进行测量，目前国际上掌握这一技术的公司并不多。第一代和第二代电子血压计都是上臂式的，第三代是腕式电子血压计，由于掌握 MWI 技术（加压时测量）的公司很少和腕式电子血压计不适合有血流障碍的病人使用，所以现在使用最广泛的是第二代电子血压计 4。 1.1.2问题的提出随着人口老龄化，人们生活水平的提高以及保健观念日益增强，人们越来越注重自己和家人的健康。血压是人体重要的生理参数，血压
5、的正常与否能判断一个人身体是否健康。高血压是最常见的心血管疾病，严重影响人们的生活质量和健康。据有关统计资料显示，目前我国的高血压患者已达两亿，并且每年都以 300 万以上的速度在增加 5，高血压患者的年龄层也逐渐年轻化，关于高血压的预防和治疗已成为我国一个热门的话题。高血压不仅是影响人们健康的慢性疾病，更是冠心病、心肌梗死、心力衰竭等心血管疾病的祸首，所以血压的测量对预防此类疾病起到至关重要的作用。对于全球特别是我国市场来说，血压计的需求量是十分庞大的。中国是世界最大的电子血压计的生产基地，也是国际最大的电子血压计消费市场，但是市场上销售的电子血压计质量不一，消费者容易购入质量差的产品，而且
6、我国很多医院依然在使用水银血压计。水银血压计的测量必须由专业的医学人士进行，过程比较复杂，测量结果可能会因医生的不同而不同，而且水银压力计的水银具有剧毒性，对人体是有害的，使用过程要十分小心，所以研究出一款便携、廉价、准确的压力计，具有极大的市场潜力。电子血压计的设计与验证1.1.3国内外研究现状及发展趋势电子血压计的前身是水银血压计，但其操作过程复杂，且依赖听诊器和听诊者，所以从严格意义上来说，水银血压计的测量并不十分精确。而电子血压计具有操作简单、使用方便等特点，同时其功能更加完善、测量更加准确。无创伤监护技术是未来医学工程发展的重要方向，从应用角度而言随着无创血压测量装置的测量精度提高和
7、价格下降，医院环保要求的进一步提高，水银血压计被无创血压量设备所取代是必然趋势 6。现在，电子血压计已经逐渐的从医院走到了家庭，其国际市场十分庞大而稳定，在一些欧美日等发达国家，家庭拥有率超过 60%。目前电子血压计的技术已经非常成熟，绝大部分产品都具有十分成熟的显示数据、语音报告、数据异常报警、数据传输等基础功能，在激烈的电子血压计市场竞争中，很多生产商在拥有基本功能的基础上对电子血压计不断改进测量精度和增加各种功能。欧姆龙（OMRON）新一代电子血压计 HEM-7320，该电子血压计是欧姆龙公司 2014 年的产品，该电子血压计除了具有基本的测量、语音提示等功能外，还可以判断测量者的测量姿
8、势是否正确，当测量者佩戴袖带过于紧实或宽松时，也会作出相应的提示这些功能都可以使得测量结果更加精确。现国内外测量血压的技术较成熟，能准确实时地测量患者的血压变化情况，大多电子血压计是普通血压计与电子分析控制终端相连，计算机会自动加压并根据情况控制加减幅度。一些国际上知名公司生产的产品除了一般精确测量血压的功能外，另外附加完善了许多例如血压数据记忆、无线传输、语音播放等功能，可以满足不同消费群体的需求。随着科学技术的进步和移动医疗的发展，互联网、无线传输及云计算等技术使得血压的监测也越来越方便，同时血压监测数据的记录、传输、存储、分析也将成为现实。未来血压计将会和移动科技相结合，智能手机管理血压
9、，无线传输使得可以随时随地掌握家人健康；测量数据实时上传云盘，并深度剖析血压状况，做出专业分析报告。总体上说，微型化、智能化、电子化是电子血压计未来的发展趋势。1.1.4研究的意义电子血压计在临床上应用广泛，在诊断治疗冠心病、高血压等心血管疾病有着重要意义，是监测生命信息的重要设备之一。疾病的预防已成为现代人的健康思维，实时监测血压变化对于预防、诊断高血压等心血管疾病具有重要意义。由于技术和经济的落后，以前我们检查身体只能在医院才可以实现，无法随时进行生命信息监测，身体某些变化不能及时发现。当血压等生命信息发生异常时，不能及时预防脑出血等疾病猝发。现在电子血压计作为家庭医疗保健重要产品，使得随
10、时监测血压的变化成为可能，在家中测量时如发现血压异常便可及时去医院治疗。水银血压计测量精度相对比电子血压计低，而且其测量结果会因人的不同而不同。电子血压计能分辨 1mmHg 的气压，水银血压计的最小单位为 2mmHg。电子血压计通过对人体血压整个变化数值的进行采集和分析、处理，数据处理算法的运动使得测量标准保持一致，而且电子血压计的操作简单、测量精确、显示清晰等优点对于家庭老人血压的测量具有重要意义。电子血压计的设计与验证2 电子血压计原理2.1示波法测量原理示波法是 90 年代发展起来的一种比较先进的电子测量方法，示波法是检测袖带内由于血管壁的搏动产生的气体震荡波，判断出血压与震荡波之间的关
11、系，根据相应的函数关系从而计算出测量者血压。加压袖带的放气过程与动脉的波动有关，动脉搏动被采集系统采集并传输到处理系统，处理系统根据一定的规律计算收缩压和舒张压。理论计算及临床均表明，该震荡波与动脉的收缩压，舒张压和平均压之间均存在某种关系，示波法的关键就是找出它们之间的规律。示波法的测量过程：首先把袖带绑在测量者手臂上，自动对袖带充气到一定压力（一般为 180230mmHg） ，当血压流动停止，逐渐放气，当气压达到一定程度，血流就能通过血管并伴随一定的振波，振波逐渐越来越大。压力传感器可以检测到压力及脉搏波信号，并把两路信号发送到处理系统。由于袖带与手臂的接触越松，压力传感器检测的压力和波动
12、就越来越小 7。如图 1 所示,以 Ps 为标准，血流在袖带内静压大于收缩压 Ps 时不能流过血管，袖带内出现细小的振荡波，这是因为近端脉搏的冲击；当袖带内静压小于收缩压 Ps时，波幅增大，气压等于平均动脉压 Pm 时，波幅达到最大；静压小于平均动脉压 Pm 时波幅逐渐减小；静压小于舒张压 Pd 以后，动脉管壁在舒张期已充分扩张，管壁刚性增加，而波幅维持较小的水平 8。放气过程中连续记录的振荡波峰峰值形成一个包络， 根据包络图与血压的函数关系可以得出测量者的血压。图 2- 1 袖带压力随时间变化2.2电子压力计的工作原理单片机输出脉冲波控制控制泵阀充气放气调整袖带内压力，压力传感器 US911
13、1 采集到压力信号，压力信号经过放大以及滤波后产生两个信号：压力信号和脉搏波信号。经过仪表放大器放大的压力信号，然后再经过二级滤波放大的是脉搏波信号。经过放大的信号接入到单片机 STM32F103RBT6，单片机用内置的 AD 转换器把采集到的模拟信号转换成数字信号，然后通过串口传送数据给上位机，上位机对信号做分析处理，经过程序运算后，测量结果在上位机显示。本设计中，上位机对信号进行分析处理，下位机代码实现泵、阀的控制。本章小结本章简单介绍了本设计中电子血压计的测量原理：示波法。示波法又称振荡法，基本电子血压计的设计与验证原理思路是在袖带放气过程中，通过脉搏波的幅值关系找到对应压力信号的那一点
14、，那一点对应的压力值就是需要测量的血压值。本章也介绍了本设计的工作原理，描述了血压测量过程和信号处理过程，对本设计有一个大体的认识。3 电子血压计系统设计方案 3.1系统设计要求 3.1.1功能要求本课题是电子血压计的设计与验证，以单片机 STM32 为核心的电子血压计的设计的功能要求是：（1）测量压力；（2）计算脉率；（2）实现自动充气、放气；（3）在上位机显示测量结果 。3.1.2性能要求电子血压计的基本要求是准确、方便、功耗低，同时要求价格能比较便宜。本设计主要的性能要求是：（1）精度能达到1%；（2）能在 055的环境中稳定工作；（3）测量的范围是 0240mmHg。在测量时操作简单，
15、传感器灵敏度高，能准确采集到压力信号且在单片机或上位机对信号作处理时不能出现太大误差。3.2系统设计方案 3.2.1 总体方案本设计采用 4 个 1.5V 电池为外接电源，以 STM32LQFP64 为核心，控制两个三极管开关电路，以此控制泵阀的运动，达到自动充气、放气的目的。压力传感器采集的数据经过放大滤波后，再接入单片机。本设计的血压和脉率测量结果能在在电脑上显示，上位机算法程序对数字信号作处理，下位机程序主要是泵阀的控制代码。整体流程图如下图：图 3- 1 基于单片机的电子血压计整体流程图 电子血压计的设计与验证3.2.2硬件设计方案本课题的硬件设计主要分为五个模块：电源电路模块、血压测
16、量模块、信号初步处理模块、信号处理模块、显示模块。整个设计的供电是 4 个 1.5V 的电池，而每块芯片的工作电压都不一样，所以需要对电压进行转换，电源电路模块是对外加的 6V 电池电源进行稳压转换，提供整个电路中需要的工作电压。血压测量模块包括泵阀自动充气放气和传感器测量血压,用两个三极管开关电路控制泵阀的运动；传感器测量血压时注意与袖带的接触，以免出现太大误差。对压力信号进行放大滤波和 A/D 转换时信号的初步处理，因为压力传感器采集到的信号时很小，只有几 mV,必须通过放大才能输入到单片机进行下一步处理。信号处理模块以单片机为核心，用算法程序处理血压信号，得出常规的数据。显示模块主要是液晶显示，包括舒张压显示、收缩压和平均压显示，需要用到 LCD 的驱动芯片和显示芯片。硬件架构图如下图：图 3-2 电子血压计硬件设计架构3.2.3软件总体设计架构软件部分包括袖带压力控制系统、压力与脉搏信号采集系统和信号分析处理系统。下位机程序控制气泵充气漏气调整袖带内气压；一路 ADC 采样袖带内
