（电路与系统专业论文）野外探险救助信息采集技术的研究与实现.pdf

杭州电子科技大学硕十学位论文 摘要 随着人们生活水平的提高，野外登山探险活动逐渐增多，随之而来的野外遇险事件频发， 急需一种能够实时提供佩戴者生理信息、方向和姿态等信息的监护设备来对野外探险人员进 行监测和预警。本文针对野外探险救助信息采集这一市场需求，对野外探险救助关键信息采 集技术进行了研究，自主设计了应用于野外探险环境的新型动态电子血压计和数字指南针， 并以二者为核心，简单搭建了野外探险救助信息监测仪。 论文首先以野外信息监测和远程医疗监护为背景，介绍了国内外野外信息监测领域技术 的发展现状和背景，论述研究野外探险信息采集技术的必要性与现实意义。其次，详细介绍 了关键信号采集技术的各种实现方案，并在对比各方案优缺点后结合课题背景，提出本文关 键信号采集方案。对于本课题而言，需要采集的关键信号主要包括血压、心率、运动方向和 运动姿态等。其中血压和心率信号属于人体生理信号，通过采集体表信号经过计算获取，由 动态电子血压计来实现；运动方向和运动姿态主要由方向和姿态信息监测模块即高精度电子 指南针来实现。动态电子血压计选择基于脉搏波传输速度测量血压法来设计，而高精度数字 指南针决定以地磁导航为理论基础。 然后，讲述了动态血压计和数字指南针的软硬件设计过程及设计过程中遇到的各种困难 与解决途径。脉搏波信号的稳定采集及信号相位差的计算是动态血压计设计的主要困难，在 对比各种压敏传感器材料后，最终选用p v d f 膜作为脉搏信号采集材料，创新性的设计了差 分脉搏波传感器；指南针基于地磁导航理论，去除软硬铁干扰提高精度是其设计难点，最终 依靠自校准算法将其精度提高到2 。以内。 最后，以无创动态血压计和三轴数字指南针为基础，结合a r m 嵌入式开发平台，设计 了野外探险救助信息监测仪。在以$ 3 c 2 4 4 0 为核心处理器的嵌入式平台上，完成了图形化界 面的设计、菜单的叠加及各个模块之间实时数据的通信，并设计了数据传输格式与接口，为 将来实现远程通信打下基础。 系统实现了关键模块的自主设计，极大的降低了整体设计成本；采用了先进的前端信号 采集方案和合适的数字信号处理算法，保证了测量参数的精确度和实时性；选用了恰当的嵌 入式平台做到了动态数字化实时输出且具有友善的人机交互界面：设计了完善的数据输出格 式和硬件接口，为将来进一步实现无线传输，组建野外救助监护网络打下了良好的基础。项 目针对民用野外探险监护这一特定领域，无论是系统整体还是电子血压计和数字指南针两个 独立模块都具有良好的应用前景。 关键词：野外救助，信息采集，血压监测，地磁导航 a b s t r a c t a si r r l p r 0 v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，o u t d o o ra d v e n t u r ec l i m b i n gs p o r t 1 sb e c o m l n g m o r ea n dm o r ep o p u l a ri nc h i n a , b u tm a n ys a f e t ya c c i d e n t so c c u r r e do f fd u r i n gc l i m b i n g t h u s ， p e o p l e sa r ei nu r g e n tn e e do fm o n i t o r i n ge q u i p m e n t ，w h i c hc a np r o v i d er e a l - t i m ew e 撇sk e y p h y s i 0 1 0 9 i c a la n dg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n ，a n dc a na l s o e a r l yw a r ni m m e d i a t e l y i nt h i sp a p e r , t 锻e t i l l gm a r k e td e m a n do ni n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nf o r o u t d o o ra d v e n t u r er e s c u e ，w er e s e a r c h e dm e t e c h n 0 1 0 9 yo fk e yr e l a t e di n f o r m a t i o n c o l l e c t i o nf o ro u t d o o rr e s c u e ，a n dd e s i g n e dn e wm o d e i e l e c t r o i l i cs p h y g i 】m a n o m e t e ra n dh i g h p r e c i s i o nc o m p a s s ，w h i c hc o u l d b ea p p l i e di nt h eo u t d o o r a d v e n n 鹏f i e l d u n d e rc o m b i n a t i o nt o g e t h e rw i t ha b o v e m e n t i o n e dt w op a r t st e c h n o l o g yw eb m l t t h em o n i t o rf o ro u t d o o ra d v e n t u r er e s c u e t h ep a p e ri ss e ti no u t d o o ri n f o r m a t i o nm o n i t o r i n ga n d r e m o t em e d i c a lc a g e ，a 1 1 dt 1 1 e ns h o w s t h er e c e n td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ln e wt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n db a c k g r o u r i dm 0 u t d o o ri n f o m a t i o nm o i l i t o r i n ga r e a m o r e o v e r , e x e c u t i o np r o p o s a l o fk e ys i g n a js a m p l i n g t e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d ，a i l dc o m p a r e dw i t ha d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fd i f f e r e n tp r o p o s a l ，m o r d e rt op u tf 0 刑删ak e ys i g n a ls a m p l i n gp r o p o s a li nt h ep a p e r i n f o r m a t i o nc o l l e c t l o n 1 st h ec o r e t e c h n o l o g yo fo u t d o o rr e s c u e ：a n dm o n i t o r i n ge q u i p m e n t a c c o r d i n g t ot h et o p i ca n dr e q u i r e m e n t1 n 舭p a p e r ，t h ek e ys i g n a lt ob ec o l l e c t e d i n c l u d e sb l o o dp r e s s u r e ，h e a r tr a t e ，m o v e m e n td l r e c t l o na i l d m o v e m e n tp o s t u f ea n ds oo n s i g n a l so fb l o o dp r e s s u r ea n dh e a r tr a t e a r ep h y s i o l 0 9 1 c a ls l g n a l s ， w h i c hc a nb ed e t e c t e db yd y n a m i c e l e c t r o n i cs p h y g m o m a n o m e t e r ；m o v e m e n td i r e c t i o n a n d m o v e m e n tp o s n 鹏a r eg e o g r a p h i cs i g n a l s ，w h i c h c a nb ed e t e c t e db yg e o g r a p h l ci n t o 锄a t l o n m o n i t o r i n gm o d u l ei e h i g h p r e c i s i o ne l e c t r o n i cc o m p a s s d y n a m i ce l e c t r o n i cs p h y g m o m a n o m e t e r i sd e s i g n e db a s e do nb l o o dp r e s s u r em e a s u r e m e n tt h r o u g h m e a s u r e m e n to fp u l s ew a v e 仃a i l s m l s s l o n s p e e d 缸dh i g h p r e c i s i o nc o m p a s si sd e s i g n b a s e do ng e o m a g n e t i cn a v i g a t i o nm e o 阱 t h e n h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g np r o c e s so f t h ed y n a m i ce l e c t r i c a ls p h y g m o m a n o m e t e r 8 n d d i g i t a lc o m p a s s ，孤i ae n c o u n t e r e dd i f f i c u l t i e sa n d s o l u t i o na r ed e s c r i b e d t h es t a b i l ea c q u l s l t l o no f p u l s ew a y es i g n a l sa n dc a l c u l a t i o no fs i g n a lp h a s ed i f f e r e n c ea r et h em a i n d i f f i c u l t i e si nt h ed e s l g n o fd y n 锄i ce l e c t r i c a ls p h y g r n o m a n o m e t e r w i t hc o m p a r i s o no fd i f f e r e n tp r e s s u r e s e n s i t i v e s e n s o r m 删a 1 p v d fm e m b r a i l ei ss e l e c t e da sp u l s es i g n a la c q u i s i t i o nm a t e r i a l ，a n df i n a l l yd i f f e r e n t i a l p u l s ew a v es e n s o ri si n n o v a t e dd e s i g n e d d i g i t a lc o m p a s si s b a s e do ng e o m a g n e t i cn a v i g a t i o n o 觚dr e m o v a lo fh a r da n ds o f ti r o ni n t e r f e r e n c ei s i t sd e s i g nc h a l l e n g e ，a n dt h ea c c u r a c y1 s i n c r e a s e du l t i m a t e l yw i t h i n2 0t h r o u g hs e l f - c a l i b r a t i o na l g o r i t h m f i n a l l v ，t h em o n i t o rf o ro u t d o o ra d v e n t u r e r e s c u ei sd e s i g n e db a s e do nt h en o n - m v a s l v e s p h y 鲫o m a n o m e t e ra n d3 - a x i se l e c t r o n i cc o m p a s s ，w h i c hi sa l s oi m p l e m e n t e da n d d e v e l o p e db y c o i 姗啪c a t l o n b e 眦e nv a r i o u sm o d u l e si sr e a l i z e db a s e dt h ee m b e d d e dp l a t f o mw i t h t h ec o r e p r o c e s s o rs 3 c 2 4 4 0 i na d d i t i o n ，t h ed a t at r a n s m i s s i o nf o r m a t a n dt h ei n t e r f a c ea r ed e s i g n e df o r r e m o t ec o m m u n i c a t i o ni nt h ef u t u r e f i r s t , t h ec 印1 t a lc o s ti sr e d u c e dg r e a t l yt h r o u g ht h ei n d e p e n d e n td e s i g no f t h ek e ym o d u l e s s e c o n d ，t h ea d v 觚c e ds l g n a ls a m p l i n gs c h e m ea n dt h eo p t i m a l d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i m m a r eu s e dt og u a r a n t e et h ep r e c i s ea n dr e a l - t i m em e a s u r e m e n t o fd i f r e r e n tp a r a m e t e r s a n dt h e nt h e o p f i m 甜锄b e d d e dp l a t f 0 1 t ni ss e l e c t e dt or e a l t i m eo u t p u tt h e d i g i t a li n f o r m a t i o nd y n 锄i c a l l y 甜1 d t oa 咖e v ea 衔e n d l y i n t e r a c t i v ei n t e r f a c e i na d d i t i o n ，t h ed a t a 仃锄s m i s s i o nf o m a t 觚d t h e 硫e 妇e a r ed e s i g n e df o rt h er e m o t ec o m m u n i c a t i o na n d n e t w o r kc o n s t r u c t i o no fo u t d o o ra d v e n 嘶r e s c u e l nt h e f i n a l l y ，t h ew h o l es y s t e mf o c u s e so n t h ea p p l i c a t i o ni nt h eo u t d o o ra d v e n 嘶r e s c u e a r e a ，m o 瑚v e r ，d y n a i n j ce j e 咖n j cs p h y g m o m a n o m e t e ra n d h i g h - p r e c i s i o ne l e c t r o n i cc o m p a s sc 锄 b eu s e d 脚e p e n d e n t l ya sw e l l ，a n di tm u s t h a v ev e r yg o o da p p l i c a t i o n p r o s p e c t k e yw o r d s o u t d 0 0 rr e s c u e ，i n f o r m a t i 。n c o l l e c t i 。n ，b l 。o dp r e s s u r e m o n i t 。一n & g e o m a g l l e t i c n a v l g a t m n 1 1 1 杭州电子科技大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 背景与意义 近年来，出于提高体质、丰富业余生活等原因，野外登山探险活动逐渐流行，尤其是受 到了年轻人的欢迎，成为了人们业余生活的主要运动项目之一。登山探险等户外活动有益于 人体健康，从医学的角度来讲，它可以达到放松眼部肌肉、缓解视觉疲劳、改善心肺功能、 提高四肢协调能力、消耗体内多余脂肪和延缓人体衰老等多种效果【l l ；从心理学的角度讲， 它也可以缓解心理压力，调节人体紧张情绪。 但是由于大多情况下野外探险者面对的是陌生的环境和可能超负荷的运动量，登山探险 活动也伴随着各种危险，去除各种不可避免的意外情况，迷失方向无法判定正确前进路线是 导致野外遇险事件的一个主要原因，为了保障人们在野外登山探险活动中的生命安全，从上 个世纪中叶开始，各种野外导航指向设备层出不穷，如机械惯性导航系统、多普勒导航设备、 地磁导航系统和g p s 全球定位系统等等【2 】，它们可以提供精确的方位信息；但是仅仅依靠导 航是远远不够的，资料表明近1 5 的野外遇险死亡事件是由包括高山病、身体疲劳在内的各 种野外病症引发的1 3 1 。以高山病为例，它是指人体对高山低氧环境适应能力不足而引起的各 种临床表现的总称，也称之为高山适应不全症，它可以很好的通过血压值进行预警，当血压 值超过1 4 0 9 0 毫米汞柱后会头晕眼花，经过适应后血压仍不降者，不适合进行户外登山探险 活动。随着近年来针对各种生理参数的便携式监护仪的出现，让实时监测野外生理参数成为 了可能。 导致野外遇险死亡事件的另一个主要原因是无法在遇险事件发生时得到及时的救助，如 果遇险者能够在第一时间发送求救信号并将自身遇险位置和身体状况告知搜救部门将大大提 高搜救行动成功率。 本课题讵是出于上述理由，以前端信号采集技术为主要研究对象，并在实现关键信号采 集的基础上搭建便携式野外救助信息综合监测仪，它应该具有以下三个功能： 实时显示携带者的血压、心率、姿态和行进方向参数。 在身体参数超出阈值后对设备携带者进行预警，尽量避免出现各种野外病症。 在遇险情况下实现呼救，并实现与执行遇险者各项参数的发送。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 野外探险救助信息监护是远程监护的主要研究方向之一，远程监护是一种对包括生理参 数在内的各种参数进行远距离监测，来研究对象生理功能的方法。2 0 世纪7 0 年代，美国航 天局最早将远程监护应用于对太空中的宇航员进行生理参数监测。在阿波罗登月计划中，所 有宇航员都携带有生物传感器，将生理参数时刻传回地面接收站【4 】。随后远程监护设备应用 杭州电子科技大学硕士学位论文 于医疗急救领域，用来对病人生理参数和身体状况进行远距离监测，一旦病情出现变化，可 以及时发现并提供数据方便医护人员进行紧急处理。它的出现，可以在病人到达医院之前将 病人的各项生理指标提供给大夫，极大的缩短了急救时间，增加了病人得到及时救治的机会， 因此远程监护设备逐渐成为现代医疗急救设备的重要组成部分。 随着电子技术尤其是嵌入式技术的发展，远程监护发展迅速，便携化、网络化和模块化 成为了监护设备的发展趋势，远程监护设备也不再局限于医疗领域，国内外针对不同应用环 境各具特点的各种监护设备层出不穷，主要有家庭社区远程监护、战地单兵监护和野外探险 监护等几个发展方向。 家庭监护设备是应用于家庭环境，针对在家中的残疾人、高发病人和术后恢复病人等的 远程监护系统。由于面临社会老龄化等问题，家庭监护逐渐成为了降低社会医疗成本，保证 国民生命质量的重要途径，得到了各国政府的重视，发展非常迅速。国外已经拥有有了很多 成熟的解决方案和产品，如p h i l i p s 公司的h o m e b a s et e l e m o n i t o r i n gs y s t e m 、d e e pb r e e z el t d 公司的b r e e z e h o m e 系统和爱沙尼亚d o c o b o 公司的d o e h o m e d 系统等等。国内相对起 步较晚，但近年来发展迅速，取得了一定的成果。如清华大学设计的“心电血压远程监护系 统在清华园和澳门的小范围内进行了试验，取得了一定的成功，但由于缺少大规模适用经 验，与国外水平还有一定差距。 战地监护是远程监护的另一个重要应用方向，在现代战争中，战场情况复杂多变，各种 高科技设备被大量运用，在这种情况下，需要及时了解士兵的各种信息才能减少伤亡，控制 战场局势。因此，近年来各国都在大力研制野外单兵远程监护设备，其中以美军的单兵生命 体征监测系统( w p s m ) 系统为代表。w p s m 是美军未来部队勇士装备的重要组成部分，由多 种生理、体表医学传感器组成，用来收集和监测士兵的体温、脉搏、血压、呼吸、睡h 民情况、 身体的姿势与承受压力及工作强度等生命体征信号，同时当士兵出现受伤、极度疲劳和突发 疾病等异常情况时，它还可以将士兵的状况发送给远端指挥中- 1 二, 1 6 - r l 。 野外探险救助信息监控技术是应用于野外探险环境的远程监护技术，根据采集信号的不 同大致可分为方向和姿态信息采集技术和生理信息采集技术两类。其中方向和姿态信息包括 经纬度、运动方向、行进姿态等信息，而生理信号主要包括血压、心率、心电和各种体表信 号。这些信息的正确采集是野外探险监控设备研发的关键，其中地磁导航作为最古老的导航 方式有着其独有的低能耗、低成本、全天候等优势 s l ，结合g p s 定位技术，并能够与其形成 互补，提供全天候，高性能的导航数据，非常适合作为野外探险导航设备使用。而野外生理 信息采集由于被采集者无法保持良好的测量姿态，造成诸多难题需要解决。关于地磁导航和 野外生理信息采集技术的技术背景和具体实现方案将在第二章节做详细介绍。 1 3 论文主要内容与创新点 1 3 1 论文的主要内容 本文是在具体工程项目基础上展开的，通过对脉搏波传输时间理论和血压标定算法的研 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 究，利用p v d f 柔性压敏材料、高精度a d 采样芯片和高性能d s p i c 处理器自主研制了无创 动态血压计，设计了标定算法来提高精度，并利用传统水银血压计获得的数据进行精度分析； 通过对地磁导航理论、磁阻传感器和m e m s 传感器原理的研究，利用h m c l 0 5 2 1 0 5 1 磁阻传 感器组和a d x l 2 1 3 双轴加速度传感器研制了具有体积小、功耗低、响应时间短和精度高等 特点的三轴电子指南针，并在此基础上结合a r m 嵌入式平台设计了野外探险救助信息采集 终端。它能够同时获取终端佩戴者的血压、心率、姿态和运动方向等信息，并将它们通过友 善的人机界面数字化输出给佩戴者，甚至可以在佩戴者遇险后将上述参数随求救信号一起发 送出去。因此论文的主要内容及相关工作包括以下几个方面： 1 查阅相关文献，调研电子血压计无创动态监测和导航技术的发展方向的相关技术资 料。 分析各种动态血压监测方法，研究脉搏波传输理论，讨论利用脉搏波传输时间法 测量血压的可行性； 研究地磁导航理论、g p s 定位理论和m e m s 传感器理论，结合上述理论来分析 设计，输出包括姿态、运动方向和方向和姿态位置信息在内的方向和姿态信息监 测模块的可行性。 2 提出电子血压计和数字指南针的设计方案，制定相应产品预计指标。 电子血压计的大致方案是采用p v d f 柔性压敏材料设计差分脉搏波传感器，选用 m i c r o c h i p 公司的高性能d s p i c 3 0 f 6 0 1 4 作为核心处理器，自主设计模拟电路进 行小信号的放大和去噪，拟定数据格式和输出接口，并设计t t f 液晶屏接口独立 数字化输出数据； 数字指南针的设计方案采用h o n e y w e l l 公司的h m c l 0 5 2 作为磁阻传感器， m e m s i c 公司的a d x l 2 1 3 e 作为加速度传感器，设计小信号放大滤波电路，采 用m i c r o c h i p 公司的p i c l 8 f 4 5 2 作为核心处理器，并拟定了数字指南针与外界 通信的协议，通过液晶显示的方式输出数据。 3 掌握相关硬件知识，绘制电子血压计和数字指南针的原理图、p c b 图，同时完成制版、 元器件焊接和测试工作。 4 熟练使用d s p i c 处理器配套的集成开发环境m p l a b ，并在其上完成主程序、a d 采 集程序、软件滤波程序、显示程序和通信程序等的开发，同时通过软硬件的联调测试，真正 实现了血压计和数字指南针的功能。 5 对血压计标定算法和指南针校准算法进行研究，讨论如何更准确的根据血液流速换算 成水银汞柱血压值以及更有效、便捷的实现指南针自校准功能。 6 基于天嵌公司丌发板t q 2 4 4 0 平台设计人机交互界面，对前端数据进行协议解析和数 据处理，设计数据输出接口协议。 7 系统整体调试，设计统一电源系统为多个模块同时供电，最终输出血压、脉率、方位、 和姿态等信息，并测试通过无线网卡与上位机通信的功能。 3 杭州电子科技大学硕十学位论文 1 3 2 重难点与创新点 1 动态无创电子血压计的设计是本文的重点，其中脉搏波传感器的制作和微伏级小信号 的放大为主要难点，经过多次试验制板，提出了具有创新性的差分传感器的设计方案，完成 了脉搏波信号的稳定采集，为最终实现血压的动态测量打下了良好的基础。 2 设计数字指南针，精确输出运动方向和运动姿态数据是本文的另一个重点，提高指南 针输出精度是系统性能的关键，采取的措施主要包括：在硬件电路设计时将硬铁干扰降到最 低，注意差分信号线的布线技巧；利用软件算法，校正软硬铁干扰，进行倾斜补偿等等。 3 将电子血压计、数字指南针和g p s 模块结合到一起，完成各模块的通信，设计友好 的界面将数据输出是本文的重点之一。 1 4 论文章节安排 根据课题内容，论文章节安排如下： 第一章绪论部分主要说明了本课题研究的目的和意义、当前野外探险救助信息采集技术 的研究背景和国内外相关领域的发展趋势，并给出论文的主要研究内容、重难点和创新点。 第二章分析当前各种体表信号、方向和姿态位置信息采集手段与方法。在对各种方案进 行比较后制定本系统设计方案，并对相关理论算法做详细介绍。 第三章详细介绍了动态无创电子血压计的软硬件设计过程及在设计中遇到的困难与解决 方案，例如如何实现脉搏波的稳定检测。 第四章详细介绍了数字指南针的软硬件设计过程及积累的经验。包括磁阻传感器的选择、 自校准算法的提出和p c b 绘制注意事项等等。 第五章以天嵌t q 2 4 4 0 开发板为平台，结合无创血压计、三轴数字指南针和g p s 定位模 块等搭建了野外探险救助信息综合监测仪，主要介绍了系统的软硬件设计方案、q t 图形界面 的设计和各个模块通信的实现。 第六章根据实际的工作结果，给出了主要研究成果的测试数据和实物图，包括电子血压 计、数字指南针和整体的野外探险救助信息采集仪，并对误差进行了分析。 第七章对本文的工作进行总结，提出了本课题的研究成果存在的不足，明确了项目下一 步的工作方向并做了展望。 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 第2 章野外探险救助信息采集技术原理 野外探险救助信息采集系统设计与研发的核心是前端信号采集技术，其采样精度与速度 直接决定了系统的最终性能。本课题设计的野外探险救助信息采集系统需要采集的信号主要 包括血压、心率、运动方向与姿态等。下面分别对相关采集技术的发展背景和测量原理来进 行介绍，并陈述本课题最终选择的测量技术方案。 2 1 动态血压测量与心率采集原理 2 1 1 血压测量技术的发展概述 血压是指血管内血液在单位面积血管壁上的垂直作用力，它是人体重要生理参数之一， 能够反映人体心血管健康状况和血流动力学状态，是现代医学诊断疾病、观察治疗效果的重 要依据，也是人们日常生活中判断自身健康状况的重要指标之一。血压信号是随着心动周期 变化的动态时间函数，而且血液循环系统中各个部位测量到的血压值是不同的，临床上通常 测量的是动脉压。心脏收缩时所达到的最高压力为收缩压s p ( s y s t o l i cp r e s s u r e ) ，它把血液推 到主动脉，并维持全身循环。心脏舒张时所达到的最低压力称为舒张压d p ( d i a s t o l i cp r e s s u r e ) ， 它使血液回到右心房 9 1 。 最早的血压测量是英国生理学家s 黑尔斯于1 7 3 3 年在马的股动脉中接以铜插管再连以 长玻璃，当打开肱动脉结扎时，马的动脉血液冲入玻璃管内的血柱高达2 5 m ，并随马心脏的 搏动而上下搏动【io l 。这种测定方法是直接测定法，虽然目前做了很大改进，但它属于创伤性 的测量方法，目前只运用于急性动物试验中，不适合运用于人体血压测量。 1 9 0 5 年俄国军医克洛特科夫( k o r o t k o f f ) 创立了柯氏音血压测量法，又称听诊法是无创血 压测量的开始，至今仍应用广泛，该方法认定动脉或完全受压的动脉并不产生任何声音，只 有当动脉不完全受阻时才会发出声音，这样就可以用声音的变化来测量人体的血压，图2 1 为柯氏音间接测量血压原理图，整个装置包括可充气的袖带，水银压力计和听诊器。该方法 可以测量收缩压和舒张压，但是对第五柯氏音较弱或者听不到的人群不适用【l l 】。 在俄国军医克洛特科夫( k o r o t k o f f ) 创立听诊法之前，法国生理学家马瑞( m a r e y ) 发现对手 臂施压时会引起脉搏波振动幅度发生相应变化，他根据这个原理提出了依据脉搏振动幅度对 血压测量的方法，叫“测振法 或“示波法”，它可以弥补听诊法的不足，对于柯氏音较弱的 人也可以澳i i i ! i 血压，但一直没有得到应用，直到2 0 世纪7 0 年代，随着微电子技术的发展， 利用压力传感器和充气袖带的自动测量技术，才形成实用的测量方法和装置，使“示波法” 无创血压测量技术得以应用。如今在家庭保健、临床医疗监护及动态血压测量中成为主导方 法。示波法测量血压通过简历收缩压、舒张压、平均压与袖带动脉压力波的关系来判别血压。 由于脉动压力波与血压有较为稳定的相关性，所以利用示波法测量血压，其结果比听诊法更 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 为准确【12 1 。 手动冤气琢 图2 1 柯氏音法血压测量原理图 无论是“听诊法 还是“示波法 都是定时测量，只能在预定的时间内进行，两次测量 之间的时间段上出现的血压突变就会被遗漏，因此血压的动态测量能够在血压监护中获取更 有价值的应用，成为血压测量的发展趋势。 所谓动态血压测量，也就是在每个心动周期完成血压的测量，也称之为逐拍无创血压测 量。动态血压测量的方法有很多，但都在探索中，都尚待临床认可，主要包括动脉张力测量 法、动脉容积钳制法和本文采用的脉搏波传递时间法三种： ( 1 ) 动脉张力测量法 动脉张力法测量血压的基本原理如图2 2 所示，当一个具有内在压力p 的动脉血管被外在 物体施加力f 时，部分压扁其动脉管壁，使其周边应力t 发生变化，方向是与外力f 正交的 方向，该方向的力相互抵消。当外力达到某一定值时，内压力p 等于外压力f ，这样通过测 量外力f ( 已知其作用面积为a ) 便可计算动脉血压数值【1 2 1 。动脉张力法需要选择底部贴近 坚硬骨组织的浅表动脉进行血压测量，常用来测量的动脉主要有桡动脉、颈动脉和股动脉。 这个方法的主要问题是压力传感器要足够小而且要精确定位在被测动脉被压扁部分的正上 方，这个要求不便于便携式测量，严重影响了该测量方法的推广。 f l + 卜t p 图2 2 动脉张力测量法示意图 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 动脉容积钳制法 动脉容积钳制法测量血压的方案最早由p e n a z 于1 9 7 3 年提出，它认定当施加于血管壁外 的压力与血管内的压力相等时，血管壁的截面积就不再随着血压的改变而变化，应该处于恒 定容积状态。相应的当血管的横截面积，就此实现血管压力的动态监测。该方法需要有一个 随动压力监测装置，使系统可以根据血压变化及时调整外加压力，从而使血管壁处于恒定容 积状态，这种情况下测量所得外加压力大小即为动态血压数值。该方案的难点在于如何设定 随动压力系统的标定值，即如何判定血管是否处于恒定容积状态，这具有很大的难度，影响 了动脉容积钳制法的应用推广1 1 3 j 。 无论是动脉张力测量法还是动脉容积钳制法都能够进行血压的动态测量，但它们使用的 设备仪器较为复杂，对传感器的要求很高，也不适合进行长期的动态血压监测。为此，学者 开始寻求新的血压动态监测方法，脉搏波传输速度法就是其中之一，这正是本文最终选用的 动态血压测量方法。下面来对该方法进行详细介绍。 2 1 2 基于脉搏波传输速度测量血压原理 脉搏波是由心脏的周期性收缩、舒张和射血产生，它从动脉根部出发，沿着动脉网传播。 脉搏波传输速度( p u l s ew a v ev e l o c i t y ，p w v ) 是指脉搏沿动脉传导的速度，也就是指脉搏波 从动脉的一特定点沿管壁传播至另一点的速率，如图2 3 所示。相关研究证明，脉搏波传输 速度与血压相关，美国专利5 , 6 4 9 ，5 4 3 、5 , 8 6 5 ，5 4 3 和6 , 5 9 9 ，2 5 1 以及其它很多相关专利中都公 开论述了利用脉搏波传输时间或者脉搏波传输速度来间接测量血压的方法。 图2 3 脉搏传输速度不恿图 早在19 7 6 年，b r a i ng r i b b i n 等第一次提出利用脉搏波传播速度来监测动态血压变化的方 案。经过试验证明，脉搏波传输速度可以可靠地跟随血压变化，但无法得到血压的绝对值【i 4 1 。 随后k i n g d 等证明了脉搏波传播速度和平均压之间良好的相关性，并进行了通过脉搏波传输 速度测量平均压的试验i l 引。2 0 0 5 年，p a y n e 等人进行了用动脉插管法验证脉搏波传导时间和 血压关系的试验，他们利用药物改变了人体血压。最终试验结果表明脉搏波传输时间与试验 者的收缩压有良好的线形关系，但舒张压及平均压与脉搏波传输时间的相关性不大【1 6 1 。事实 也证明目前基于脉搏波传输时间法的血压测量产品的舒张压测量精度有待提高。 脉搏波传输速度法测量血压关键点是脉搏波传输速度的获取和脉搏波传输速度与血压关 系方程的建立。只要解决了这两个问题就能够实现高精度的血压动态监测。下面对这两个问 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 题分别做介绍。 2 1 2 1 脉搏波传输速度的测量 实际应用中，直接测量脉搏波传输速度是困难的，通过测量固定距离的脉搏波传输时间 来间接获取脉搏波传输速度，也就是说在两个采集点位置不变，即脉搏波传输距离s 不变的 前提下，这段距离上的脉搏波传输时间t 是和脉搏波传输速度v 线性相关，如式( 2 1 ) 所示： v = s 址 ( 2 1 ) 这样就把问题转换为测量脉搏波传输时间差即两路脉搏波波形的相位差，但是由于脉搏 波包含很多次谐波，波形较为复杂，再加上人体肌肤的阻隔，脉搏波的检测并不容易。常用 的采样脉搏波信号的方法有光电容积法和压敏传感器直接测量法。 ( 1 ) 光电容积法 在人体血液循环周期内，当心脏收缩射血时，血液经动脉到达人体外周血管中的毛细血 管、微动脉等微血管网，使得微血管网血液容积达到最大，相应的在心脏舒张期，血液流回 心脏，微血管网血液容积达到最小。这种血液容积随着心脏搏动而产生的波动信号称为容积 脉搏波。容积脉搏波的测量方法已经较为成熟，一般通过光电容积法获得。这种方法基于动 脉血液对光的吸收量随动脉容积的变化而变化的原理，采用光电传感器获取容积脉搏波，信 号较为稳定。但是由于遮光等原因该方法有只能采集部位位置的容积脉搏波信号，目前最常 见的采集位置为指端( 1 7 】。 现有的利用光电容积脉搏波测量血压的方法是选取一路指端光电容积脉搏波信号和一路 心电图( e c g ) 信号进行比较测量脉搏波传输延时，如图2 4 所示。这种方案的问题是采集心电 信号设备较为复杂，不适合本课题便携式的要求。 a e l 始尊k k 童玎d b 瞳m 嘲r n o r 曩 图2 4 光电容积法测血压 ( 2 ) 压敏传感器直接测量法 这种方法是最直接的脉搏波测量方法，人体动脉血管网在人体某些部位离体表较近，能 够利用压力传感器直接采样脉搏波，例如手腕桡动脉、手臂肱动脉和颈部颈动脉等，虽然受 到表皮组织干扰，但是如果能够选用合适的压敏材料，经过的恰当的模拟电路的处理还是能 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 够取得较为稳定的脉搏波信号，再取任意两点取得脉搏波信号后计算相位差即可获取脉搏波 传输时间。综合各种方案，本文最终还是选用了压敏传感器直接测量法。具体设计方案在第 三章进行详细介绍。 2 1 2 2 脉搏波传输时间与血压的关系 脉搏波的传播速度能够有效的反映动脉血管壁的紧张程度，当血压高时动脉血管壁紧张， 反之血管壁松弛。讨论脉搏波传输时间和血压的关系时，首先需要解释血管跨壁压的概念， 动脉壁的跨壁压指的是动脉内压力p i 与动脉外压力p o 的差值。由于动脉壁通过皮肤组织与 体表的大气压相连。而具体到某一地点大气压短时间内不会有大的变化，因此可以认为跨壁 压就是血压【1 8 】。 h u g h e s 等证明了血管跨壁压和血管弹性模量之间有以下关系： e = e o e 伊( 2 2 ) 其中e 为杨氏弹性模量，岛是压力为o 时的弹性模量，r 为表征血压特征量，而p 即为 血压值。 1 8 0 8 年英国物理学家托马斯杨提出了理想流体的弹性管内波传播速度公式： c o = 偿 ( 2 3 ) 其中h 为管壁厚度，d 是管内径，p 为管内流体密度。1 8 7 8 年莫恩斯进一步提出了波速 公式【1 9 1 ： “k 偿 ( 2 4 ) 其中，k 被称为莫恩斯常数，是一个无量纲经验值，通常认定人体主动脉为0 8 ，而橡皮 管是0 9 。在一定距离内脉搏传导时间和脉搏传导速率成反比，如式( 2 5 ) 所示： c2 = 1 ( 2 5 ) 这里，将式( 2 5 ) 和式( 2 2 ) 带入式( 2 3 ) 中，经过简单的化简可以得到： p = 专c 加等乞拊， 亿6 ， 如果忽略一些常数和基本不变的量，上式可以简化，经过两边同时求导可得血压与传输 时间的关系如式( 2 7 ) 所示： p = 一二r ( 2 7 ) y z 因此可以认为血压变化量和脉搏波传导时间变化量成正比。这样也就可以根据脉搏波传 输时间的变化量来估算出血压的变化量。假设血压为p ，传输时间为t ，则可得下式： 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 式( 2 9 ) n - - i 以简化为： a p = a a t 尸一忍= a ( t - t o ) p = a t 一( a t o + p o ) p = a t b ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 至此可以看出血压和传输时间大致是一次线性关系，而人体的血管壁厚度等参数可以认 为短时间内是不会变化的，那么就可以通过一次或者多次的传统血压测量来获取参数a 、b ， 然后由式( 2 1 0 ) 计算动态血压值。 经过实际测试证明该方法计算收缩压是可行的，具有较高的精度，但是对于舒张压无法 保证精度，仍需考虑更为精确的脉搏波传输模型和计算校准方案。 2 1 3 本文血压测量与心率计算方案 经过对血压监测原理尤其是动态血压监测技术的学习和在此基础上进行的大量的前期可 行性论证试验，考虑到野外探险环境下必须采用动态无袖带的血压测量方案，和脉搏波计算 心率的便捷性，最终决定以脉搏波传输速度法为理论基础，来设计野外探险救助信息采集系 统中血压监测模块。 具体方案为：选用p v d f 柔性材料自主设计差分脉搏波传感器，分别采集手腕桡动脉和 手臂肱动脉处脉搏波信号，由高性能d s p i c 处理器根据2 1 2 节所叙述理论进行血压计算，如 图2 5 所示，详细软硬件设计细节和校正标定算法将在第三章独立介绍。需要强调的是，这 里选取同侧手腕桡动脉和手臂肱动脉为脉搏采集点。原因是这两点信号较为稳定，尤其是在 采用自制的差分脉搏波传感器后，过去不易获取稳定信号的肱动脉采集点也能稳定采集信号， 而且适合脉搏波传感器的固定。 p v l ) f 膜 图2 5 动态血压计方案不意图 2 2 方向与姿态信息数据的采集 方向和姿态信息是野外救助信息的重要组成部分，是指携带者的运动方向( 航向) 和姿 态数据。这些信息通过数字化的输出告知携带者正确的行进路线，并在遇险后，