（机械电子工程专业论文）基于CF卡的指式24小时动态血压仪.pdf

摘要 摘要 血压是人体生命的重要参数之一，一直以来都是临床和医学研究关注和监测 的重要指标。根据血压波动性这一生理特性，对血压进行监测、特别是长时间连 续监测，意义重大。 指式2 4 小时动态血压仪的研究意义体现在： ( 1 ) 较之动态间断测量，长时间连续测量有利于对人体血压1 天波动情况 的研究； ( 2 ) 克服传统袖套加压对人体产生的不舒适感，更利于夜间血压稳定监测； ( 3 ) 体积小，方便携带。 本文致力于基于c f 卡的指式2 4 小时动态血压仪的研制。系统采用自行设 计的共模抑制比大于8 0 d b 的放大器对指端脉搏波信号放大，然后采用 m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机自带的1 2 位精度的模数转换器对信号进行采集，采样频率 为2 0 0 0 h z ，最后由微处理器控制c f 卡完成信号的文件格式存储。 使用读卡器在p c 机上读取c f 卡中的脉搏波数据，采用i i r 数字滤波器和 小波分析的方法对脉搏波去除噪声干扰和消除基线漂移。通过大量实验数据的采 集，采用逐步回归方法提取对血压影响显著的脉搏波参数，并建立他们与血压之 间的关系，从而完成血压的标定。血压监测实验结果表明，本系统能够用来实现 血压的2 4 小时动态监测。 关键词：脉搏波动态血压检测c f 卡脉搏波特征参数逐步回归分析 a b s t r a c t a b s t r a c t b l o o dp r e s s u r e ( b p ) ，w h i c hr e c e i v e dw i d ea t t e n t i o ni nc l i n i c a la n dm e d i c a l r e s e a r c h ，i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r so fh u m a nb o d y d u e t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fv a r i a b i l i t y , i ti so f g r e a ti m p o r t a n c ef o ru st od e t e c tb p i nl o n g t i m e t h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c ho nt h e2 4h o u r sa m b u l a t o r yb l o o dp r e s s u r e m o n i t o r i n g ( a b p m ) r e f l e c t si ns e v e r a la s p e c t s ： ( i ) l o n gt i m ec o n t i n u o u sm o n i t o r i n gi sm o r eb e n e f i c i a lt ot h er e s e a r c ho ft h e f l u c t u a t i o n so fb pi no n ed a yc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ld y n a m i ci n t e r r u p t e d m e a s u r e m e n t ； ( 2 ) i tm a k e sp e o p l em o r ec o m f o r t a b l eb yu s i n gt h ep h o t o e l e c t r i ct e c h n o l o g yb u t n o tb a s e do nt h ec u f f , w h i c hi sa l s oh e l p f u lt ot h em o n i t o r i n go fb p d u r i n g t h en i g h t 0 ) i ti ss m a l ls i z ea n dp o r t a b i l i t y t h i sp a p e rf o c u so nt h ed e s i g no ft h e2 4h o u r sf m g e ra m b u l a t o r yb l o o dp r e s s u r e m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nc fc a r d t h ep u l s ew a v es i g n a lf r o mt h ef i n g e rt i pi s a m p l i f i e da n ds a m p l e df i r s t l y , a n dt h e nt h ea dr e s u l ti st r a n s m i t t e dt ot h ec fc a r d 刃j es y s t e mi sw e l ld e s i g n e dw i t hm a n yc h a r a c t e r i s t i c sa sf o l l o w s 。西ec o m m o n m o d er e j e c t i o nr a t i o ( c m r r ) o ft h ea m p l i f i e ri sg r e a t e rt h a n8 0 d b ，t h es a m p l i n g f r e q u e n c yi s 2 0 0 0 h zf o re a c hl e a dw i t hah i 班r e s o l u t i o no f1 2 - b i ta n dt h e a n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r t e ri se m b e d d e di nt h em c u 功ed a t ao fp u l s ew a v es i g n a l sa r er e a do np cf r o mc fc a r du s i n gt h ec a r d r e a d e r t h ei i rf i l t e ra n dw a v e l e ta r et h e nu s e dt oe l i m i n a t en o i s ea n db a s e l i n ed r i f t w eu s et h es t e p w i s er e g r e s s i o nm e t h o dt oe x t r a c tt h es i g n i f i c a n tp a r a m e t e r so ft h e p u l s ew a v e ，a n df i n dt h ec o r r e l a t i o n s b e t w e e nt h ep u l s ew a v ea n db e1 1 1 e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a nb ea b l et o r e a l i z et h el o n gt i m e c o n t i n u o u sm o n i t o r i n g k e y w o r d ：p u l s ew a v e ，a m b u l a t o r yb l o o dp r e s s u r em o n i t o r i n g ( a b p m ) ，c fc a r d ， c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fp u l s ew a v e ，s t e p w i s er e g r e s s i o na n a l y s i s h 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 形怒 第1 章绪论 第1 章绪论 本章首先介绍了血压的基本概念、血压正常的生理意义，以及高血压给人类 带来的严重危害。然后由血压波动性这一显著特点，引出了2 4 小时动态血压监 测的必要性和优越性，同时分析了现有动态血压监测技术的发展和现状，并在此 研究基础上，找到了本文工作的生长点。最后简单介绍了本文工作的主要内容以 及篇章安排。 1 1 血压概论【1 l 1 1 1 血压定义 血压( b l o o dp r e s s u r e ，b p ) 是指血液在血管内流动时，作用于单位面积血管 壁上的侧压力( 即压强) 。简而言之，血压就是血流对血管壁的侧压力。 血压随着心脏的节律性收缩和舒张而发生周期性变化。当心室收缩射血时， 大动脉内压力急剧上升，当升到最高值时称为收缩压( s y s t o l i cb l o o dp r e s s u r e ， s b p ) ，即通常所说的“高压 ，正常值是9 0 一1 4 0 m m h g 。当心室舒张时，大动脉 内压力下降，在舒张末期降到最低，这时的血压值称为舒张压( d i a s t o l i cb l o o d p r e s s u r e ，d b p ) ，即通常说的“低压”，正常值是6 0 - 9 0 m m h g 。我们定义收缩压 和舒张压的差值为脉压( p u l s ep r e s s u r e ，p p ) ，约为3 0 4 0 m m h g ，而把整个心动 周期中动脉血压的平均值称为平均动脉压( m e a n a r t e r i a lp r e s s u r e ，m a p ) ，其经验 公式是：平均动脉压= 舒张压+ 1 3 脉压。通常，平均动脉压反映的是心室每搏的 实际做功。一个心动周期的动脉血压各个部分如图1 1 所示： f 脉搏压 l 图1 1 动脉血压及其波形示意图 第1 章绪论 1 1 2 血压的生理意义 正常的血压是血液循环流动的前提，血压在多种因素调节下维持正常。心脏 不停的节律性跳动，为推动血液在心血管系统中循环流动提供动力。血液的循环 流动为机体的各种组织细胞提供赖以生存的物质，包括营养成分和氧气，也带走 组织细胞的代谢产物与二氧化碳；同时许多激素和其它信息物质也通过血液的运 输得以到达靶器官，以此调节整个机体的功能。 血压异常则是许多心脑血管疾病的危险因素。血压过低，即使血管尽量扩张， 血流量仍不能满足组织代谢的需要，影响大脑和心脏的血液供应，因此机体功能 大大下降，工作和生活质量也会随之降低。而且急剧短暂的脑缺血会导致晕阙， 时间过长则会发生脑组织变性坏死。高血压熟知的人类隐形杀手，危害性更 大。心脏向动脉血管供血原理如同水泵往管道里打水，如若管道内压力异常升高， 那么泵就需要更大的力量才能将水打入管道，久而久之，水泵将会因为过度损耗 而坏掉；同理，如果人体内血压过高，那么心脏也会因为长期超负荷供血而导致 左心室肥厚，进而衰竭，这就是通常意义的高血压心脏病、心力衰竭。同样，管 道内压力过高，脆弱硬化的部分会爆裂，如果发生在脑血管，就会发生出血性脑 卒中，即中风。肾脏是极丰富的毛细血管网，如果血压长期偏高将会导致其血管 硬化、狭窄、功能损害，从而使肾毛细血管网排出体内毒物的功能受损，有毒物 质驻留体内导致肾功能衰竭、尿毒症。以上即是长期患高血压对人体心、脑、肾 等重要器官的危害。另外，高血压还会导致人眼失明。 因此，称高血压是人类健康与生命的无形“杀手 ，不足为过。 1 1 3 高血压已成为全球性问题 南方周末新闻网一则报道数据显示： 南美如墨西哥以及北美，每3 名成年人中就有一人患有高血压，全美高血压 患者约有7 2 0 0 万人。西欧的情况也相当严重，英格兰、瑞典和意大利的高血压 比例为3 8 ，西班牙的高血压比例为4 5 ，而德国则最为严重，达到5 5 。 英国伦敦经济学院和美国纽约州立大学联合组成的专家组为全球1 5 6 亿人 到2 0 2 5 年的高血压危机作评估。研究发现全球患高血压的人数几乎有1 0 亿人， 到2 0 2 5 年，将还会有5 亿人会患上高血压。而且高血压正因为西方饮食结构和 生活方式进入发展中国家，使得发展中国家诸如中国的高血压人数急剧上升。中 国人食物的摄入从过去植物纤维和高碳水化合物食物向高脂肪高蛋白食物转移， 城市中的成年人有四分之一患高血压。 同时，高血压还存在“三高及三低”的特点，即患病率高、病死率高、残疾 2 第1 章绪论 率高和知晓率低、治疗率低、控制率低。根据2 0 0 2 年中国居民营养与健康状况 调查，我国成年人高血压患病率为1 8 8 ，估计全国患病人数为1 6 亿，比1 9 9 1 年增加了7 0 0 0 多万，而人群高血压知晓率、治疗率和控制率仅为3 0 2 、2 4 7 和6 1 。这些资料表明，我国已成为世界上高血压危害最严重的国家之一吲。 据 3 】数据显示，良好地控制高血压可以降低4 0 的脑中风和1 5 的心肌梗 死的危险，无创性2 4 h 动态血压检测能够较准确地反映日常活动中昼夜的血压变 化规律，且无白大衣效应，对临床准确诊断高血压具有良好的指导意义【3 j 。 1 2 指式2 4 小时动态血压仪的研究意义 血压是保证生命活动的基本要素之一，也是人体的一个重要生命特征。血压 的形成和维持是一个复杂的生理活动过程，并且会因为机体生理及环境等诸多因 素的影响而有明显的生物学节律性波动。血压的异常是许多心脑血管疾病的危险 因素，高血压的危害性更大，所以血压正常是身体健康的一个重要标志。因此， 对血压进行长期监控，对于家庭保健和医生判断病理及药物疗效，都有非常重要 的意义。 2 1 1 血压的生理特性【1 】 1 、血压的波动性 波动性是人体血压最显著的一个特性。人体生理活动、昼夜变化、季节变化、 年龄因素、体位因素等都会使血压波动，其中昼夜血压的波动最为典型，对其研 究对于高血压的预防和监护意义重大。通常血压在昼夜2 4 小时内会出现一种生 理节律性波动，如图1 2 所示。用2 4 小时动态测压仪记录血压的波动可知：正 常人在上午9 时1 0 时血压较高，以后逐渐下降，下午3 5 点血压亦较高，夜晚 睡眠后血压较低。由图可知，早上醒来血压会突然升高，所以这可能是冠心病、 心脏猝死等多半发生在早上的原因。2 4 小时内血压的波动范围可达2 0 ( 3 0 4 - 1 5 ) m m h g 。 ： j 一 首： 季 l o 1 21 1 61 82 02 22 424 68i o 1 2 时向( h ) 图1 2 正常血压者血压昼夜波动规律 茹邀 1j1j11j 加 ；昌舯酏 第1 章绪论 2 、不同动脉段的血压 不同动脉段的血压水平也不一样，如图1 3 、1 4 所示。当血液离开心脏流到 全身毛细血管末梢时，血压逐渐降低：随着血管总横截面积增大，血压逐渐下降， 最后以极低的压力返回心房。同一个体的左右上臂、上下肢血压值也有差别。一 般右上臂略高于左上臂，下肢高于上肢。与大动脉血压相比，外周动脉的s b p 较高，d b p 较低，p p 较大。所以每次测量血压应固定同一部位。 图1 3 主动脉和外周动脉的血压和血流量 图1 4 体循环中各部位的血压 4 d 0 0 o o o o 佗 m 8 6 4 2 q雹g目避茸 第1 章绪论 2 1 22 4 小时动态血压监测的应用 上世纪六十年代动态血压监测仪开始进入人们的视线，随着传感技术和电子 计算机的迅猛发展，其性能也在很大程度上得到了改进。动态血压监测( t h e a m b u l a t o r yb l o o dp r e s s u r em o n i t o r i n g a b p m ) 逐渐被人们接受，并在临床中取得 了广泛的应用。动态血压监测较之传统的血压测量，有许多优点 5 q 0 1 ： ( 1 ) 能够提供2 4 小时或者更长时间日常生活状态下的血压总体水平、各时 间点血压状况和昼夜节律变化规律，能够更真实地反映血压变化，为临床特别是 高血压的诊断治疗和研究提供很有价值的血压信息。 ( 2 ) 可以严密监测诊室外血压变化情况从而避免白大衣高血压，并为研究 血压的波动性，正常及异常的血压调节机制及低血压临床意义等提供有价值的血 压数据。 ( 3 ) 动态血压测量较之传统的血压测量，能够更客观地反映2 4 h 血压波动 情况，能够更好地评价高血压药物治疗的昼夜血压情况，对合理控制夜间高血压， 清晨高血压、保护靶器官和预防心血管疾病至关重要。 ( 4 ) 动态血压测量与传统的血压测量相比，能更好地评价高血压靶器官损 害，与高血压导致的左心室肥大、微量蛋白尿、动脉粥样硬化以及心血管事件的 相关性均较传统血压测量好，而且动态血压测量能发现许多临床高血压类型，对 单纯收缩期高血压、低血压、“勺型”和“非勺型 高血压的诊断和治疗监测均 优于传统血压测量。 ( 5 ) 动态血压测量能够发现夜间血压不降低的高位的“非勺型 高血压。 动态血压监测早已在欧洲、美国等发达国家推广使用，并视其作为高血压诊 断和指导治疗的有效手段。动态血压监测的范围相当广泛：正常血压高值者伴 靶器官损害；评价难治性高血压；发作性高血压；白大衣性高血压；降 压药引起的低血压症状；夜间心绞痛和肺水肿时血压的改变；自主神经功能 障碍；颈动脉窦昏厥和起搏综合症等【l 。 2 1 3 背景技术 动态血压测量技术可以分为间断不连续性测量和连续性测量两大类。动态间 断不连续性测量大多是基于柯式音法和示波法。柯式音法是基于声音的算法来测 定收缩压和舒张压，使用声音传感器和微处理器来实现袖带的充放及血压的自动 测量。示波法也是用袖带来阻断动脉血流，检测动脉血流产生的气压振动波。波 幅最大处对应的袖带压力即是平均压，收缩压和舒张压由各种算法得到。断续性 测量的主要缺点是：首先，基于袖套加压会给人体带来不舒适感，而且长期佩带 第l 章绪论 袖套，使佩带部位血流不流畅，影响血压测量的精度；其次，在测量过程中由于 是基于声音的方法获得信号，容易受杂音和心率失常的干扰，进而无法准确地给 出血压值：最后，由于袖套加压的周期大约一分钟左右，因而无法准确获得每搏 血压的变化l 圮一引。 连续性动态血压监测较之间断不连续性动态血压监测有着无法比拟的优越 性，主要有上世纪六十年代出现的张力测定法和七十年代提出的容积脉搏补偿 法，这两种方法现在比较成熟。张力测定法的基本原理是：当一个具有内在压力 的血管被外部物体部分压扁时，其血管壁内的周应力将发生变化，当外力达到某 一特定值时，内外压力相等，这时测得的外压即为动脉血压。张力法的测量精度 比较高，但同时对于传感器的定位要求也很高，所以，对于长时间测量而言，始 终保持传感器测量位置这一点比较困难。容积补偿法是通过预置的参考压力使动 脉处于去负荷状态，同时采用伺服系统补偿因动脉内压的变化引起的动脉容积变 化，使动脉容积维持去负荷动脉容积，此时袖套内压等于动脉内压。但是基于袖 套加压，长时间测量将阻断血流，尤其当佩带袖套部位一直保持高压，将影响舒 适度；而且当血管收缩节律较大时，将影响脉搏波描记器的输出波形，致使参考 压的设置困难，影响测量精度；如果是在夜间使用，加压也会影响使用者休息1 1 4 j 。 如果能够有一种血压仪，能够摆脱袖套加压的原理，这无疑会给使用者带来 很大的舒适和便捷。随着人们对于脉搏波特征研究的进一步深入，出现了许多无 创血压动态连续测量的新思路，我们定义伴着心脏的间歇性收缩与舒张的节律性 活动，血流压力、血流速度和血流量的脉动以及血管壁的变形和振动等在血管系 统中的传播为脉搏波【1 5 】。从传感器结构上来看，出现了指环型传感器【1 6 】，采用 光电信号获取指端脉搏波，一个是没有袖套加压的不舒适感，第二个也符合成人 佩戴戒指的习惯，甚至在高血压发病率较高的地点，如浴室洗澡的时候可以佩戴。 对于如何完成脉搏波和血压之间的标定，这是个难题，也是影响指式血压计 精度的关键所在。1 9 7 6 年，b r a i ng r i b b i n 等【l 刀通过实验说明脉搏波传播速度 ( p w v ) 可以准确地跟随血压的变化，因而可以用来连续测量血压。1 9 8 6 年f j c a l l a g h a n 【1 8 】等又通过实验确定了脉搏波传播速度( p w v ) 与血压是否存在线性 关系。国内陆渭明【1 9 】等也在1 9 9 1 年探讨了影响脉搏波传播速度( p w v ) 与血压 之间线性关系的因素，指出血管壁平滑肌的固有弹性和舒缩活动，特别是舒缩活 动通过影响血管弹性来间接影响脉搏波传播速度。英国生产的b p 一5 0 型全自动血 压测量仪基于此原理【1 3 】，并采用建立回归方程的方法，用脉搏波传导时间来计算 收缩压和舒张压，能够实现2 4 小时血压的动态测量，只是精度不是很高。 为了进一步指式血压仪的提高测量精度，1 9 9 5 年国内胡章和叫j 等通过提取 与脉搏波有关的特征值( q ) ，采用统计分析原理，建立收缩压、舒张压和a 之 6 第1 章绪论 间的回归方程监测孕妇血压，取得了成功。国外专利中也提到了利用脉搏波特征 和血液动力学特征来快速测量血压的方法【2 l 】，以及脉搏波传导时间发( p w t t ) 用于动态血压监测【翻。 近年来，罗志昌【2 3 】等研究了脉搏波波形与生理因素的关系，经理论分析和大 量实验证实，提出脉博波特征量k 值 k = ( p r o p d ) ( p s p d ) ，其中p s 、p d 分别为 收缩压和舒张压，p m 为平均压1 能较好地反映人体心血管系统中血管外周阻力、 血管壁弹性和血液粘度等生理指标。孔谙【2 4 l 等人对心血管系统参数与脉搏波波形 进行数字仿真；焦学军、房兴业【1 3 】提出的利用脉搏波特征参数来连续测量血压的 方法，并用实验证明具有较高的测量精度。 1 3 论文的主要工作及创新点 本论文致力于基于c f 卡的指式2 4 小时动态血压仪的研究，主要工作集中 在以下三方面： 首先，构建了指式2 4 小时动态血压仪的实验平台。利用光电传感器提取指 端脉搏波信号；运用m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机控制c f 卡长时间存储脉搏波数据；采 用数字信号处理的方法对脉搏波进行滤波、时频分析( 小波分析) 方法检出脉搏 波波形。 其次，根据血液动力学原理，借鉴国内焦学军【1 3 】等以脉搏波参数连续测量血 压的方法，进行血压标定。具体过程是，先选择与动脉血压相关的脉搏波参数， 并将其作为回归变量，作逐步回归分析，挑选出影响最为显著的参数，建立血压 与这些参数之间的回归方程，从而完成血压的标定。 本文的创新点：采用光电指式传感器，可以避免长时间测量由袖套加压给病 人带来的不舒适感，而且仪器较之臂式、腕式血压计轻便，方便携带：采用c f 卡可以实现长时间的脉搏波信号的存储，另外它提供非常标准的电器接口协议， 方便在p c 机上存读数据，满足血压仪对于数据处理的要求；采用时频分析的方 法检出脉搏波形，提高了血压标定的精度。 1 4 论文的篇章安排 根据研究的过程，本论文分为以下几部分： 第一章主要介绍了血压的基本概念、高血压的危害、2 4 小时动态血压仪的 研究现状以及指式2 4 小时动态血压仪的研究意义和主要工作。 第二章首先从整体上说明了基于c f 卡的指式2 4 小时动态血压仪的总体结 7 第1 章绪论 构，然后详细叙述了动态血压仪的各个部分设计，包括数据采集、放大、c f 卡 存储读取，以及相关的应用程序。 第三章阐述了利用i i r 滤波器和小波分析的方法对脉搏波信号去噪。 第四章根据血液动力学原理，通过建立血压与脉搏波参数之间的回归方程， 进而揭示脉搏波与动脉血压之间的关系，完成血压信号的标定。 第五章对本文工作进行了总结与展望。 第2 章基于c f 卡的指式2 4 小时动态血压设计 第2 章基于c f 卡的指式2 4 小时动态血压仪设计 本章首先介绍了指式动态血压仪的总体结构；然后详细论述了各个组成部分 和关键技术：指式光电传感器的驱动设计、前置放大电路设计、数据采集与存储 硬件的选取、c f 卡文件存储格式的关键技术，以及电源电路的设计；最后完成 了指式动态血压仪硬件平台的搭建。 2 1 动态血压仪总体结构 指端压不等同于我们通常说的血压，它受血管收缩、微循环障碍等因素影响 大。所以指式动态血压仪设计的难点主要体现在以下几个方面： 首先，由于指端压信号微弱，并且极易受到肌电、接触噪声、仪器噪声和 5 0 i - i z - r 频等噪声污染，而且这些信号强度基本都大于指端压信号。所以检测和 识别都非常困难。因此就要求指式动态血压仪采用具有高共模抑制比和高输入阻 抗的放大器，以及高采样精度的模数转换器。 其次，由于生理活动和睡眠的影响，正常人的血压表现为昼高夜低的节律变 化，在2 4 小时a b p m 趋势图上表现为夜间降低程一低谷，在清晨及下午升高呈 双峰单谷状的“长柄杓 型。高血压病患者由于长期持续的血压增高导致脑、心、 肾等靶器官的血容量，启动心血管的调节机制，抑制夜间血压下降来防止这些器 官的血容量进一步减少【2 5 1 。为了更好地确诊高血压患者以及判断药物疗效，需要 2 4 小时连续监测，因此，也要求仪器尽可能便携、低功耗，并且舒适不影响患 者休息。 最后，血压升高的时间是无法预知的，所以要对患者进行实时监测。于是就 要求信号的传输速率快，并且能对信号作出实时处理和分析。 为了满足动态血压计的连续检测的要求，本文设计了基于c f 卡的指式2 4 小时动态血压仪。该系统具有如下特征： ( 1 ) 采用自行设计的高共模抑制比和高输入阻抗放大器对指端血压进行前 端信号处理，以滤除并抑制仪器噪声和接触噪声等各类噪声，同时将信号放大到 合适的范围，以方便后续模数转换处理。 ( 2 ) 采用t i 公司推出的低功耗单片机m s p 4 3 0 f 4 4 9 ，工作电压为1 8 - 3 6 v ， 有正常工作模式和5 种低功耗模式。内部集成1 2 位a d 转换模块，该模块具有 高速通用的特点，最高采样速率可达2 0 0 k b p s ( 3 ) 考虑长时间监测数据量比较大，因此选择现在比较流行的闪烁存储卡 9 第2 章基于c f 卡的指式2 4 小时动态血压设计 ( c o m p a c tf l a s hc a r d ) 作为存储媒介。c f 卡是一种容量大、体积小、质量轻、 功耗低且可靠性高的可移动数字信息存储产品。 ( 4 ) 由于需要进行实时数据处理、显示和打印结果等工作，普通处理器无 法实现，所以就直接使用p c 机来实现相应功能，即通过读卡器将c f 卡中的数 据读入p c 机中处理。对于p c 机如何识别c f 卡中的信号，此处有个技术难 点，即要求存入c f 卡中的数据必须是文件格式，与p c 机中的文件格式兼容。 动态血压仪的系统框图如图2 1 所示。指式传感器提取出指端血压信号首先 经过前端信号放大器进行放大、滤波，并将幅值调整到a d c 的输入范围之内。 然后a d c 将采集到的模拟信号转换成1 2 位的数字信号。最后m s p 4 3 0 f 4 4 9 将 模数转换结果先通过缓存器缓存，然后再传输到c f 卡中。p c 机通过读卡器读 取c f 卡中的数据，完成实时数据处理和标定。 2 2 指式光电传感器 图2 1 系统结构框图 容积脉搏血流是指存在于外周血管中的微动脉、毛细血管和微静脉内流过的 血流。该部分微血管的血液在心脏搏动下呈脉动性变化。当心脏收缩时血液容积 最大，而在心脏舒张时容积最小。血液容积的这种变化，反映出心搏功能、血液 流动、外周血管和微循环等诸多心血管重要信息。 为获取指端脉搏信号，本系统的采用的传感器是b c i 的成人指夹式血氧探 头，如图2 2 所示。该探头结构设计合理，能够避免外界光源对接收管的干扰， 已经在临床上广泛的应用。传感器由红光发光二极管( l e d ) 和光敏二极管( p d ) 组成。发光二极管发出的红光照射到血管上，部分光经血管反射被光敏二极管接 收并转换成电信号送到检测电路，测出血流状态。当心脏收缩挤压血管扩张时， 血管中的血流量增多，红细胞和血红蛋白增多，红光透过组织被光敏二极管接收 的光强度大；而当心脏舒张血管收缩时，血管中的血流量减少，血红细胞和血红 蛋白数量相对减少，p d 管接收的红光强度减小。光强度的变化对应着心脏节律 性的脉动变化，即反映着血流、脉搏信息。 第2 章基于c f 卡的指式2 4 小时动态血压设计 2 2 1 红光驱动电路 囝2 2b c i 成人血氧探头 图2 3 红光驱动电路 第2 章基于c f 卡的指式2 4 小时动态血压设计 为了进一步提高电路的稳定性和减少噪声的来源，我们还考虑在今后的产品 中设计发光二极管的驱动电路为恒流源电路，如图2 4 所示： v 0 图2 4 红光驱动恒流源电路 v e 分析电路我们可以知道，d 为稳压管，作为恒流源加在晶体管q l 的基极上， 由于基极偏压稳定，集电极电流i c - i e ，由公式i c , i e - - ( v 0 v b e ) r 2 知，即使 电源电压变化，i c = i e 也不会改变，所以发光二极管的发光稳定。 2 2 2 红光接收电路 由于信号比较微弱，所以系统中我们先用一个放大器将信号转化为电压信 号，如图2 5 所示为红光接收电路，此处选用具有低失调电压、低失调电流和低 漂移的超低失调运算放大器o p 0 7 ，性能价格比优良，各项技术指标均满足要求。 电源电压范围+ 3 v - + 1 8 v ，此处选用+ 5 v 。输入电压范围o 一1 4 v 。负载r 2 经实 验选定1 0 k ，输出电压为v o l = i d l r 2 。 1 2 第2 章基于c f 卡的指式2 4 小时动态血压设计 2 3 前置放大电路 图2 5 红光接收电路 指端光电脉搏信号十分微弱，并且容易受到肌电和工频信号等噪声的干扰。 前端信号放大电路用来把指端传感器得到的微弱的指端脉搏信号放大到可以被 a d c 转换的程度，同时进行噪声抑制，以提高信噪比。 为了提高检测灵敏度，减小温度漂移，系统中有两路信号放大器。一路是参 考放大器，将其中1 个传感器接收管置于密闭盒中。另一路是指端脉搏波信号放 大器。 各种干扰，如环境光对脉搏传感器测量的影响，人体肌电信号的干扰，检测 电路的噪声，5 0 h z 工频干扰等，都会引起差分管两管电流的同时增大或减小， 也就是说这些干扰是以共模信号的形式出现的。所以要求放大器具有较高的共模 抑制比，而且有较高的输入阻抗，故放大器选用l f 3 4 7 。l f 3 4 7 是一种场效应 管与双极性管相容的单片四运放，具有高输入阻抗，高速的性能，具有内部失调 电压，低失调电流、低谐波失真、低噪声等特点，可广泛应用于高速积分、快速 d a 转换、采样保持电路及一般放大电路中。l f 3 4 7 的供电电压一般为+ 1 2 v ， 其差模电压增益为1 0 0 d b ，输入失调电压3 m v ，共模抑制比为1 0 0 d b ，输入电阻 第2 章基于c f 卡的指式2 4 小时动态血压设计 1 0 6 欧姆，转换速率1 3 v u s ，单位增益带宽为4 m h z ，满足系统设计要求。 图2 6 是本检测系统所设计的前端信号放大电路图。放大器选用l f 3 4 7 ，高 信噪比，低偏置电流，并可通过调节r w l 使共模抑制比最大。a 1 和a 2 构成高 共模同相并联输入电路，电压增益为a d l = i + 2 r 1 r 0 ，a 3 构成差动放大电路，强 烈地抑制共模信号，电压增益为a d 2 = ( i + 2 r 1 r 0 ) r 5 r 3 ，第一级仪用放大可以将 信号放大5 0 倍。 经过仪表放大电路放大后的信号，再经后一级放大送a d 进行采样。后级放 大电路采用可变增益反相放大器，整个放大电路的总电压增益为a d 3 = ( i + 2 r 1 r 0 ) ( r 5 r 3 ) ( r 9 瓜8 ) ( i + r w 2 r 1 0 ) 。a 4 放大器的放大倍数可通过r w 2 改变，可 放大1 0 5 1 0 倍，所以整个放大电路的放大倍数是从5 0 0 2 5 5 0 0 。 图2 6 前端信号放大电路图 由图2 6 知，电路具有较好的对称性，所以能够很好地解决增益与零点漂移 之间的矛盾。在理想的情况下，电源电压变化或者环境温度变化，此电路将会很 好的消除。但是实际电路并不可能完全对称，所以不会全部消除，但是电路的对 称性还是使得漂移大幅减小。采用差动电路的另一个显著特点就是放大差模信 号，抑制共模信号。各种干扰，如电源电压与温度的变化，外界电磁干扰等，都 引起差分两管电流的同时增大或减小，也就是说这些干扰是以共模信号的形式出 现的。因而差分放大器的共模增益越小越好，差模增益越大越好。全面衡量差分 放大器对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力的参数是共模抑制比 c m r r 。它定义为放大器的差模增益与共模增益之比，显然c m r r 越大越好。 提高共模抑制比最根本的办法是消除输出端的共模电压，主要有两种方案 1 4 第2 章基于c f 卡的指式2 4 小时动态血压设计 【2 6 】：一种方案是提高放大器内部的共模抑制比。提高放大器内部的共模抑制比即 要求输入端信号进入放大器后，不出现或者尽可能少的出现在输出端，我们可以 采用提高放大器输入阻抗和采用浮动电源法的方法。提高输入阻抗会使由输入共 模电压引起的差模电压很小；浮动电源法一般用在差动放大器中，尤其是多极放 大系统中。把正负电源的公共点接地，产生的共模电压反馈到放大器的电源上， 通过公共点改变放大器的电源电位，从而改变放大器各级的偏置，即调整偏置和 相位关系使得输出端的共模电压与原来的共模电压反向，达到削弱输出端原有共 模电压的目的。另一方案是直接在放大器输入端减少共模电压的输入，通常可以 采用信号源激励和输入引线屏蔽层激励的方法。信号源激励是把输出的共模电压 反馈到产生共模信号的信息源内；输入引线屏蔽层激励可以有效地消除电磁干 扰，在一些精密医疗设备中广泛应用。仪用放大电路中，两输入端引线对地会构 成一定的电容，两端电容不匹配会严重影响共模抑制比的提高，但是加入输入屏 蔽层激励，就可以使得共模信号在输入过程中得到衰减。这种方法与浮动电源法 类似，即在共模信号输出端、放大端以及作用点等都与地相接。本系统就是采用 了这种方法。 本系统采用输入引线屏蔽层激励的方法提高共模抑制比，使两路放大器的共 模抑制比均大于8 0 分贝，有效地滤除了大部分共模噪声。输入信号通过放大器 后，信号噪声得到很大的衰减，调整输出信号的范围为1 0 v - 1 0 v ，满足a d c 的 输入量程范围。 2 4 数据采集及缓存 第二部分是数据采集单元，定时器控制采样频率为2 0 0 0 h z 。a d 转换的结果 先保存到缓存器，然后再从缓存器倮存到c f 卡中。因为系统用于2 4 小时动态 监测，考虑其便携、长时间供电等因素，所以硬件的选择遵循低功耗、轻巧的原 则。 2 4 1 微处理器芯片m s p 4 3 0 f 4 4 9 2 7 2 8 】 近年来，电子产品的低功耗技术越来越受人们的重视和青睐；随着现代电子 技术的发展，为了使系统功耗进一步降低，许多厂商也开始研究超低功耗单片机， 较为熟知的有：t i 公司的m s p 4 3 0 系列1 6 位单片机和e m 公司的低功耗8 位f l a s h 单片机e m 6 8 1 2 等。 超低功耗单片机相对于普通单片机和低功耗单片机而言有许多优点，主要体 现在需要的工作电压和工作电流上：一般普通单片机的工作电压是4 5 5 v ：低 第2 章基于c f 卡的指式2 4 小时动态血压设计 功耗单片机的工作电压拓展到3 - 6 v ，工作电流也降到毫安级，当在休眠方式下 时电压可以降到微安级；而超低功耗单片机则在低功耗单片机的基础上，耗电更 加少，可以在低电压下工作，采用多种节能工作模式，工作电流也从毫安级降到 了微安级，一般在零点几微安到几百微安，而且可以在较低频率下工作。比如 e m 公司的e m 6 8 1 2 系列单片机可以在2 5 v 电压下工作，工作频率最低可以为 3 2 k h z ，工作电流为o 1 6 , - , 1 2 0 u a ；而t i 公司的m s p 4 3 0 x 4 4 x 的工作电压可以降 到1 8 v ，在l p m 3 方式下，振荡器处于3 2 k h z ，- 1 作电流只有o 1 2 8 0 u a 。 因为本系统采用的是锂电池供电，而且需要长时间动态测量血压，所以对于 单片机的要求是功耗尽可能低，使用时间尽可能长。通过比较，我们决定选用 t i 公司的m s p 4 3 0 系列超低功耗类型的1 6 位单片机。它采用了r i s c 内核结构， 特别适合于应用电池的场合或手持结构，满足便携要求。同时，该系列单片机将 大量的外围模块( 如液晶驱动器、看门狗、a d 转换器、硬件乘法器、模拟比较 器等) 集成到片内，特别适合于设计片上系统。在超低功耗方面，m s p 4 3 0 还能 够实现在1 8 3 6 v 电压和1 m h z 的时钟条件下运行，耗电电流( 0 1 , - 4 0 0 u a 之间) 因不同的工作模式而不同，如在4 k h z ，2 2 v 条件下工作消耗电流为2 5 u a ；在 1 m h z ，2 2 v 条件下工作消耗电流为2 8 0 u a ；在只有r a m 数据保持的低功耗模 式下工作消耗电流只有o 1 u a 。在运算速度方面，此系列单片机能在8 m h z 晶体 的驱动下实现1 2 5 n s 的指令周期。1 6 位的数据宽度以及采用多功能的硬件乘法 器( 能实现乘加) ，能实现数字信号处理的某些算法，如f f t 等。 从系统将来扩展的角度，即片上信号处理、实时数据液晶显示等考虑，本系 统最终选用的是t i 公司推出的一种新型单片机m s p 4 3 0 f 4 4 9 ，实现对电路各部 分的控制。其内部机构框图如图2 7 所示，封装形式为1 0 0 引脚的 p l a s t i c l 0 0 p i nq f p , 其引脚如图2 8 所示。该微处理器具有如下特征： ( 1 ) 低工作电压可选用1 8 3 6 v ， ( 2 ) 内部集成1 2 位a d 转换器， 描特性； 有正常工作模式和5 种低功耗模式； 并带有内部参考源、采样保持、自动扫 ( 3 ) 1 6 位精简指令结构( s c ) ，1 2 5 n s 指令周期，方便简化编程，容易上 手，提高效率； ( 4 ) 带有1 0 个捕获l l 较器的1 6 位定时器：定时器a 和定时器b ，方便时 序设计； ( 5 ) 2 个串行通讯模块u s a r t 0 1 ，可软件选择u a r t s p i 模式，方便通讯 方式的选择； ( 6 ) 片内比较器配合其它器件可构成单斜边a d 转换器； ( 7 ) 可编程电压监测器( s v s ) ； 1 6 第2 章基于c f 卡的指式2 4 小时动态血压设计 舶i n j r 住m ( 8 ) 可在线串行编程，不需要外部编程电压； ( 9 ) 驱动液晶能力可达1 6 0 段： ( 1 0 ) 可编程的保险熔丝可保护设计者代码； ( 1 1 ) f l a s h 内存多达6 0 k b ，r a m 多达2 k b 。 d q c c l 趟3 i a b p 6 4 填4 p 6 5 a s 6 臆6 p 8 7 , 6 , 7 堪v s i “ v 只e f x l n x o u t ，t c l k v a r e f + 、再e f 舶r e f p 5 1 _ i s o 陟，0 j 宴1 s 2 8 3 s 4 s 5 s 6 s 7 s 旦 9 1 0 8 1 i 5 1 2 s 1 3 图2 7m s p 4 3 0 f 4 4 9 结构框图 图2 8m s p 4 3 0 f 4 4 9 引脚图 1 7 五& 叶 p 2 4 ，u t x d o p z 5 ，u r x d o p 2 6 ，c a u u t p 27 臆d c l 2 c 【k p 3 0 ，s t e 0 p 3 s i m 0 0 p 3 2 ，8 0 m 1 0 p 3 3 ，u c l k o p 3 4 i b 3 p 了, , b i t 日4 p 3 6 ，r b g p 3 7 盯b 6 口j 0 n j l y d l p 4 q j 只x d l d v - 绉2 o v c 瞪 p 5 ”r 3 3 p s 6 ，r 2 3 p s 5 用1 3 r 0 3 p 5 4 ，c o m 3 p 5 a ，o 。m 2 p 5 2 ，c 。m 1 c o m o p 4 2 ，s t e l ，s a 口 = 憎一 第2 章基于c f 卡的指式2 4 小时动态血压设计 2 4 21 2 位a d 采样【2 8 】 m s p 4 3 0 f 4 4 9 自带1 2 位模数转换模块，能够实现1 2 位精度的模数转换， 具有高速和通用的特点