（机械电子工程专业论文）ibp传感器及其测量方法的研究.pdf

竺尘堡三些兰三兰堡圭兰堡篁兰 a b s t r a c t b l o o dp r e s s u r ei sa 1 1i m p o r t a n ti n d e xt h a tc a nr e n e c ta1 0 to fp h y s i o l o g i c a l i n f o r r n a t i o ni n c l u d i n gt h ec a r d i a cp u m p i n gf u n c t i o n ，h e a r tm t e ，v e s s e lr e s i s t a n c e ， a o r t ae l a s t i c i t y ；b l o o d c a p a c i t y ；b l o o dv i s c o s i t ya n d 萋睾矗挂，霸 封珏x h n 篓；毫i 誊茌喜自；矗l 芒；“硅l 凸醯滞订( 乙：oi 、f 畸囊刊l 薹巧 量l 骂希j 订捌i 嬖嚣c 一秣露产善叶：霎= 鑫皇、t 曼；舌吐 ) b l d 茸譬订攀骚s 荤蓄嚣rh l r h 菖蚕。世引目翼qi 订i 嚣骥蓁赡 班i 蚕v 譬鹱簪；l i 若o i 捌触! l 毒1 嘣辑 辩，3 ；，o j a 1 1 ，1 9 7 3 ，7 ( 9 ) ：9 5 5 9 5 8 3 8 】e n o m o t omg u oh ，1 a z u k ey a b eyra n ds h i m o t o m a im ，i n f l u e n c eo fm a g n e t i c n e l do nt h ek i n e t i c so fp r o e u t e c t o i df e r r i t et r 龇1 sf o m a t i o ni ni m na l l o y s 【j 】，m e t a l l m a t e l t r a n s ，2 0 0 1 ，3 2 a ：4 4 5 4 5 3 3 9 m a m t aka n ds h i m o t o m a im ，a l i g 姗e n to ft w o p h a s es t m c t u r e si nf e ca i l o y sb y a p p l i c a t i o no f m a g n e t i cf i e l d j 】，m a l t r a n s j i m ，2 0 0 0 ，4 1 ( 8 ) ：9 0 2 9 0 6 4 0 s h i m o t o m a im a n dm a r u t ak ，a l i g n e dt w o p h a s es t m c t u r e si nf e ca l l o y s j 】，s c r i p t a m a t e l2 0 0 0 ，4 2 ( 5 ) ：4 9 9 5 0 3 4 l 】m a n l t aka n d s h i m ot o m a i m ，m a g n e t i c n e l d i n d u c e d a l i g m n e n t o fs t e e l m i c r o s t r u c t u r e s 【j ，j o um “o f c r y s t a lg r o 、v t l l ，2 0 0 2 ，2 3 7 - 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1 7 【4 7 m a s a h a s h in ，m a t s u oma n dw a t a n a b ek ，d e v e l o p m e n to fp r e f e r r e do r i e m a t i o ni n a n n e a l i n go f f e 一3 2 5 s ii nah i g hm a g n e t i cf i e l d 【j ，j m a t e lr e s ，1 9 9 8 ，1 3 ( 2 ) ：4 5 7 4 6 1 4 8 】h ecs ，z h a n gyd ，zh a o x ，z u o l ，h ej c ，w a t a n a b e k ，z h a l l g t n i s h 巧i m a ga n d 哦鑫薹鬻黧鬻囊璧鬃檄鬟 鞫 韩坩i 季 格芒n n p 哈尔滨工业人学工学硕上学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 血压测量简介 第l 章绪论 血压是人体一项重要的生理指标，通常指由心脏泵血活动造成血液对血管 壁的压力。心脏收缩时所达到的最高压力称为收缩压，它把血液输到主动脉， 并维持全身循环。心脏扩张时所达到的最低压力称为舒张压，它使血液能流回 到右心房。收缩压和舒张压的压差成为脉压差，它表示血压脉动量，一定程度 上反映心脏的收缩能力。血压波形在一周内的积分除以周期t 成为平均压。正 常情况下，平均压可用舒张压加上三分之一的脉压差来表示 1 。人体的血液循 环由两部分组成：以左心室为泵的大循环( 或体循环) 和以右心室为泵的小循环 ( 或肺循环) ，心血管系统的最重要的任务是给机体所有的活细胞供应维持它们 正常功能所需要的物质，同时把细胞中所有代谢产物运走。临床血压测量主要 是针对大循环动脉压的测量【2j 。 临床上血压检测技术可以分为直接法和间接法两种1 3 】。间接测量法是利用 脉管内压力与血液阻断开通时刻所体现的血流变化间关系，从体表测出相应的 压力值。由于这种方法不需要剖切的外科手术，不会对身体造成创伤，所以又 被称为无创血压检测法。无创血压测量方法主要包括柯氏音法、振荡法、血流 法等。这种方法的有一定的缺点，其测量精度较低，不能进行连续测量以及不 能用以测定心脏、静脉系统的压力。直接法必须经人体表皮将导管放入血管 内，是一种创伤性方法，一般限于危重病人或开腔手术病人，血压测量值准 确，并能跟踪动脉血压的瞬时变化【4 5 】。 血压测量主要分为动脉压( a r t l 、肺动脉压( p a ) 、中心静脉压( c v p ) 和 颅内压( i c p ) 等压力测量。通常所说的血压是指动脉压，它的压力值较高且 波动较大，动脉血压由以下参数组成【6 j ： ( 1 )收缩压( s y s t o l i cp r e s s u r e s p )主要代表心肌收缩力和心排血 量，其主要特性是克服脏器临界关闭压，以维持脏器血流供应。 s p l2 k p “9 0 姗h g ) 为低血压；s p 9 3 l ( p a ( 7 0 姗h g ) 脏器血流减少： s p 增益参数ga d 6 2 3 的增益g 是用一个精密电阻( 0 1 1 1 精度) r o 设置【4 8 4 9 ，50 1 ，不管脚1 和8 之间的阻抗如何，如果g = 1 ，r g 不必连接。电 阻选择计算公式为r g = 1 0 0 七臼( g 一1 ) ，选用l 膏口的电阻，这样，电路的增 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 益变为1 0 1 。尽管电路增益降低会降低分辨率，但由于采用的a d 具有足够高 的分辨率，所以这并不会对测量带来不利的影响。 ( 2 ) r c 低通滤波电路放大器后面的低通滤波是由于后面的a d 转换器 a d s l 2 5 4 的模拟信号输入电路类似于采样保持器的丌关电容电路结构，由于 要求采样率很高，所以a d s l 2 5 4 将以更高的速率进行过采样，片内电容频繁 地充放电，可能会出现前级运放驱动能力不足的问题，故考虑在d 的模拟输 入端加一个较大的电容起缓冲作用。又由于这样l t l o l 3 和a d 6 2 3 不能驱动大 的容性负载，所以还在运放输出与d 输入之间串入一个电阻，结果构成了一 个r c 低通电路。 ( 3 ) 参考电压v r e f 在放大器的一端有参考电压2 5 v ，这是由于i b p 的 测量范围为一5 0 3 0 0 1 1 i l i g ，零点调整范围为2 0 0m m h g ，所以实际的输入范围 是2 5 0 5 0 0m m ，且供电电压为5 v ，传感器的灵敏度为5 o 州v v ，m m h g ，所以 对应电压为一6 2 5 m v 1 2 5t i l v 。 4 4 4a d 转换电路 本系统a d 转换器选用b b 公司的a d s l 2 5 4 ，分辨率为2 4 b i t 。本设计期 望a d 能达到1 6 位的有效分辨率，所以满足要求。因为参考电压噪声较大， 所以对参考电压进行了滤波和缓冲处理，电路结构原理如图4 7 所示。 芎 幽4 7 参考电压电路 f i g 4 7r e f b r e n c ev o l t a g e 通过对电路中参数的设计，必须使低通滤波的截止频率在2 h z 以下，这样 堕尘鎏王些奎兰三兰堡圭兰堡鲨兰 才能对噪声有很好的抑制作用。采用的运放是l t l o l 3 。l t l 0 1 3 是普通低速运 放，不能驱动大的容性负载，所以在运放输出端串入一个电阻r l o ，并在反馈 支路上并接了一个电容c 1 1 ，以起到补偿作用。 4 5 通信接口电路 本系统可以通过异步串口与主机通信，本设计使用了单片机s l c 3 3 2 0 9 的 内置串口o ，其引脚p 0 0 s i n o 为r x 端，与主机串口的t x 相连；引脚 p 叭s o u t 0 为t x 端，与主机串口的r x 相连。出于安全性的要求，系统与主 机之间需要隔离。选用光耦隔离，光耦的输入输出均有反相器m c 7 4 h c l 4 驱 动和缓冲。 此电路的关键是恰当地选择光耦的输入驱动电流和输出负载电流。电路如 图4 8 所示。图中安全侧采用3 3 v 的电压v d d ，另一侧采用5 v 的电压s v c c 。 由图可见，上下两个光耦的电路结构是相同的，只是因为供电电压的不同，所 以决定驱动电流和负载电流的四个电阻需分别计算。 图4 8 通信接口电路 f i g 4 - 8i i l t e r f a c ec i r c u i to f c o m m u n i c a t i o n 由d 朋1 a s h e e t 可知，h 1 1l 1 的开通驱动电流最大值为1 6 m a ，l e d 的 正向导通电压为1 2 v ；驱动电路采用的是m c 7 4 h c l 4 ，其驱动能力为4 m a ， 低电平输出电压最大值为o 4 v 。所以光耦的驱动电流可取为2 5 m a 。 系统设计要求在两侧选择合适的电阻，通过对两侧最大最小电流的分析。 必须满足在极限情况下光耦的驱动电流不会超出m c 7 4 h c l 4 的驱动能力( 4 喻尔1 宾t 业人学t 学坝l j 学位论文 m a ) ，同时又超过了其开通电流( 1 6 m a ) 。 4 6 本篓囊鬟 的原子磁矩并在| 墓醚羟纠器羽g i 女鞲筹赫摧科黼墨黼蒴甜瞬；莎吲 显j 箍城澎嘻嘴m 嚏强i 赃刘积鹦型显；灌譬磐璎丝型。名两豫量随唠辱砸 渤囊雾豳j 剧f 霹薹一堪业鲫鳇一瓤鲢黔明卧酆娜匕l 列i 魏甜骡姿缎爹毯长年 浅纂鍪髀鲫鲶辩黧趔翥篓擎；羚型副f 嘲囊笼囊 2 2 ，居罩温度以上 34 】； 2 1 8 2 ，居里温度以下【3 4 。 。- b o1 1 r 磁予。 堕尘鎏三些奎兰三兰竺：! 兰竺兰兰 第5 章上位机软件设计及实验结果 5 1 系统功能结构 为了显示测量信号和对测量数据的操作，须要通过一个人机交换界面，为 此设计此软件，软件实现的主要功能为数据接收和指令控制两部分。软件系统 结构整体框图如图5 1 所示。 图5 1 软件结构框图 f i g 5 一lf 1 0 wc h a r to f s o 行w a r e 查! ! 垄堂堡主兰堡笙查 苎三主堡壁望茎! ! ! ! ! ! 塑垄苎堑堕墨竺墅堕 【0 0 1 】 ( a ) l o n g i t u d i n a ld i r e c t i o “ ( b ) n o r m a ld i r e c t i o n 【1 0 1 】 图3 1 2 利用e b s d 测得的1 4 t 强磁场作_ l = i j 下1 0 。c ，分钟冷却试样的链状铁素体的反极图 f l g 3 1 2e b s d i n v e r s ep o l e 如g u r e so f a l i g n e d f e r r i t eg r a i n s f o r m e di n 1 4 ta tac o o l j n gr a t eo f 1 0 。c ，m i n 闰3 1 3 试样在8 8 0 。c 保温3 3 分钟后在1 4 t 外加磁场作_ 【_ | jf 以4 6 。c ，分钟的速 度冷却后的显微绢织( 热轧方向为幽面竖直方向) f i 2 3 1 3m i c r o s t r u c t u r eo f t h es p e c i m e nh e a t e da t8 8 0 。cf o r3 3 m i na n dc o o l e d a t 4 6 。c ，m i nw i t ham a g n e t i c 如e l do f1 4 t ( t h em a g n e t i c 矗e l dd i r e c t i o na n dh o t r o l i j n g d i r e c t i o na r ev e r t i c a l l nt h ep ；c t u r e ) 3 5 2 讨论与分析 对于任何相变及转变过程，新相的形成均包括两个阶段，即形核与核心的长大。 由于母相与生成相的磁化强度不同，外加磁场有可能对这两个过程均产生影响。比 4 8 - x 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 各个模块功能简介如下： 通讯模块：这是系统关键模块，根据系统设定的通讯协议，实现准确快 速、可靠地传送信息数据。 读取数据：进行数据的读取，并保存数据。 指令模块：在测量前对系统校零和校准。 数据模块：这罩主要是对下位机上传的数据进行处理。 波形显示：把数字信号转换为图形信号，并在界面上显示。 波形比较：比较两个传感器测试值的舒张压、平均压和收缩压。 接收控制：控制数据的保存和关闭数据的接收 5 2 基于w i n d o w s 操作平台设计 此上位 x 哈尔滨工业大学丁学碗士学位论文 ( 3 ) 数据包格式数据包的组成同指令是类似的。由包头，数据字段， 校验字三部分组成。包头标示不同的数据类谓i 黧划髓若簦翼蓑蝇秒i 靳岍。 髓辨裂翳明彗骢f & ；搿强蠼一= 3 _ = | 蹬姆澄暖：毯蓊鹑螋v ! 够勤i 瓣国蜉酥 “i i 始甄鞭虻墓科鞋始羁鸦拍j 溺以铂潲南缩擅黼善 i j 艇坠i f 爆惜气涵喇 希潞瞄：瓣庵芬别为一淄薷唑；羹萎蠢：分别为：6 0 0 。c 和6 5 0 0 c 。保温时间均为6 0 分钟，冷却速度均 为4 0 0 c 分钟。对于磁场回火，所加磁场为1 4 t 。磁场在试样的加热、保温及冷却过 程中保持恒定。为了进行对比，磁场回火与非磁场回火均在同一热处理炉内分别进 行，使其保持相同的加热、保温及冷却条件。 5 2 2 显微组织结构分析与力学性能测试 沿着上述被处理试样的长度方向分别切出扫描电镜、透射电镜样品及力学性能 $ ，则拒绝h 。表示两个母体有显著差异：既准确性差。 图5 3 所示为准确性分析流程图。 i 到5 3 准确性分析流科图 f 1 9 5 3f 1 0 wc h a r to f a c c u r a c ya n a l y s i s 哈尔滨t 业人学t 学缺i 学位论文 5 3 系统实验结果及分析 实验的目的是检验压力系统是否能很好的模拟脉动压力，其次检验测量板 是否能准确的测量压力值，以及两通道的测量值是否相同即测量系统是否稳 定。实验是在室温下进行的，此实验在外加压力不同的情况下测量了三组数 据，每组数据测量一个小时，在一个小时内统计测量结果3 6 0 次。通过试验统 计相关数据，统计的数据有比较两通道的舒张压( d i a s t o l i c ) 、平均压 ( m e a n ) 和收缩压( s y s t 0 1 i c ) 测量是否准确的次数，分别统计3 组数据。统 计结果如图5 4 所示。 有创血压剃4 鼙准确性统计图 嗽 4 0 0 鼎 3 5 0 苫 3 0 0 2 5 0 蕊 2 0 0 1 5 0 粤 1 0 0 豁 5 0 0 l23 统计数组 图5 4 有创血乐测量准确性统计图 f i g5 - 4a c c 哦c ys t a t i s t i c a ic h a no fi b pm e a s u r e m e n t 每组统计3 6 0 次判断，准确性都在9 8 咀上，从统计结果可以看出两通道 测量值相对准确性很好，从测量结果可以反映板卡测量值是准确和稳定的，测 量三组数据的结果都满足要求。在测量过程中，压力模拟系统可以稳定的产生 可以调节频率的脉动压力，测量系统能连续、可靠的测量传感器的脉动压力， 上位机软件可以连续的处理测量值。整个系统达到了预期的目标。 5 4 本章小结 本章既是一个人机交换的界面，也是论文整体 作的总结。首先对通讯协 哈尔滨t 业人学t 学坝i j 学位论支 议进行研究，实现了对下位机数据的接收。在接收上传数据的基础上，实现了 数据值的实时显示、压力值的波形显示和压力值的分析。通过压力值的显示可 以精确得到压力的测量值，通过压力波形的显示可以直观的观察到压力的变化 趋势，通过压力值的分析可以比较传感器两通道测量值是否相符。整个上位机 软件实现了预定计划。最后在此系统的基础卜对信号测量的准确性进行实验测 量，经实践检验系统能够较好的完成系统测量的要求。 哈尔滨工业大学t 学硕十学位论文 结论 有创血压传感器测量是人体血压测量的一种重要方式，它为更全面、更准 确的掌握病危患者病情，提高医疗服务质量提供了更可靠的保障，在今后的血 压测量中，它将发挥重要作用。随着医疗技术的发展，有创血压传感器测量将 会在国内医院得到广泛的应用。 本文在研究有创血压传感器的基础上完成了血压模拟、信号测量电路设计 和压力测量信号处理，具体工作内容概括如下： ( 1 ) 血压模拟平台研制研究了血压信号的产生机理，基于医用标准 i e c 6 0 6 0 1 2 3 4 的基础上规划出血压模拟平台的设计思路。在单片机 a t 8 9 c 2 0 5 1 的处理基础上，通过c 5 1 编程来控制直线式步进电机。系统可以 成功的模拟了脉动的血压变化，并可以方便的调节脉动的频率，为测试有创血 压的动态性能提供了很大的支持，对有创血压测量的研究有着重要的作用。 ( 2 ) 信号检测电路设计此电路设计是在基于传感器芯片的研究上设计 的。通过分析压阻式传感器芯片的输出电压信号，设计信号处理电路，此信号 处理是基于单片机s i c 3 3 2 0 9 的基础上设计的。信号放大处理使输出的u v 级信 号通过医用放大器a d 6 2 3 得到放大，因为单片机内置的l o 位a d 不能满足分 辨率要求，所以外加模数转换器a d s l 2 5 4 。整个检测电路的设计很好的完成了 信号的处理，为整个测量系统奠定了基础。 ( 3 ) 测量信号数据处理此信号的处理是指上位机对从下位机接收数据的 处理，下位机完成了数据的数字滤波和数据采集处理，传上来的值由两部分组 成，分别为动态压力值和收缩压、平均压、舒张压。上位机完成了数字图形转 换，把测量值以波形多方式显示；此外，上位机完成了测量数据的处理，通过 测量收缩压、平均压和舒张压的值，它可以方便的判断压力传感器的准确性。 本文完成的工作取得了预期的效果。然而产品的功能和性能的提高是永无 止境的，针对本文的工作内容，作者认为可以在如下方面继续改进： ( 1 ) 血压模拟信号进一步改进现在系统的模拟压力只是实现了频率和压 力大小的模拟，只是模拟出压力的大体波形，它实现的功能满足了本课题的研 究，但是随着对血压的更深研究，可能需要更精确的血压模拟，以后可以在此 平台的基础上进行改进。 ( 2 ) 测量数据处理多样化此信号的处理在图形转换方面是比较好的，它 不仅可以显示动念的波形，而且可以实现压力值的动态循环比较。然而如果要 ! ! i ：堡三兰垒兰三兰竺：! ：竺丝兰 更深入的研究压力传感器的测量，需要对更多的数据进行处理，如：测试系统 测量的稳定性，性号检测的误差分析和传感器测量灵敏度分析等传感器和电路 的检测，需要对上他机得到的数据进行更多的算法处理，上位机的测量在此基 础上改进会更加完善。 以上是本文研究内容的总结。本课题完成了公司绘定的任务，压力模拟平 台可以模拟需要的压力，测量系统可以测量压力信号，并能进行一定的数据处 理。此课题研究为有创血压测量进一步研发提供了一定的基础。 堕丝堡三些查：三兰堡圭兰堡篓三 参考文献 l齐颁扬，医学仪器高等教育出版社，1 9 9 0 ：3 1 0 3 1 8 2 s 。b i a n c h i ，r b 远a z z j ，gb a l d a r i ，e ta 1 d i u r n a l m a t i o j l so fb 1 0 0 dp r e s s u r ea n d m i c r o a l b m i n 耐ai ne s s e n t i a lh y p e n e n s i o n a mjh y p e n e n s 1 9 9 9 ，( 7 ) ：2 3 - 2 9 3 甄斌周永进，王素品示波法血压测量的实现与讨论生物医学工程学杂 志1 9 9 9 ，1 6 ( 1 ) ：4 2 4 5 4 a c ，g u y t o n ，j e h a l l h 啪a 1 1p h y s i o l o g y 趾dm e c h a n i s m so fd i s e a s e p h i l a d e l p h i a ，s a u n d e r s ，2 0 0 3 ：s s 5c f s m a l l i m d l i c a t i o n sf o rb 1 0 0 dp r e s g u r em e a s u f e m e n tc r i t e r i aa i l dc u f rs i z e s e l e c t i o n j b i o m e d 。e n g 。2 0 0 1 ，( 15 l2 7 9 2 8 2 6 常润英临床高血压诊断与治疗北京医科大学中国协和医科大学联合出版 社，1 9 9 9 ，( 5 ) ：2 3 3 7 7 廖湘庆，传感器技术在监护仪中的使用医疗卫生装备2 0 0 4 ，( 6 ) 8d p e r l o 仃t h ep r o g n o s t i cv a l u eo fa i n b u l a t o r yb l o o dp r e s 蛐r e j a m a 1 9 8 3 ： 2 7 9 2 8 1 9 潘景韬，绍建华，潘其兴心血管病诊疗新技术山东科学技术出版社， 1 9 9 2 ：i 2 0 1 2 5 lo a s a p i n s k i s t a n d a r da l g o r i m mo fb 1 0 0 dp r e s s u r cm e a s u r 咖e n tb yt h e o 虬i l l o m e t r i cm c t h o d m e db i o le n gc o m p u t 1 9 9 2 ，3 0 ( 6 ) ：6 7 l 撕7 5 11c s c h e m n i m a n u e lb 柚c h i a m b u l a t o r y b 】o o dp r c s s l l r en o m l a l 崎a t l d c o m p a r s i o n 丽t l l o t h e rm e a s u r 锄e n t s h y p e n e n s i o n 1 9 9 9 ，3 4 ：8 l8 8 2 5 1 2 黄登鹏，彭卫平有创血压在危重症救治中的应用，中国急救医学，2 0 0 4 ， 2 4 ( 9 ) ：7 0 3 1 3张政波，吴太虎无创血压测量技术与进展中国医疗器械杂志，2 0 0 3 ， ( 3 ) ：5 6 5 7 14j e r l a n g e an e wh 1 s t m m e n tf o rd e t e n _ 1 1 i n i n gm em i i l i m 啪a n dm 谢m 啪 b l o o d - p r e s s u r ei nm a l l i e e ep r e s s 1 9 9 7 ( 2 ) ：5 8 6 3 15j g b d d e s ai n d i r e c tm e a l lb l o o dp r e s s u r eo nt l l ea n e s t h e