基于光电检测脉搏波的多功能电子血压计.pdf

I 0 I I仪 uI I UI 1 l强厂q 基于光电检测脉搏波的多功能 电子血压计 De s i gn o f a Mu l t i f u nc t i o n E e c t r o n i c Sph y gmo ma no me t e r Ba s ed o n Ph ot o el e c t r i c Det e c t i o n Pu l s e Wav e 引 言 近年来 由于我国社会经济的快 速发展和人们生活方式的转变 心血 管病发病率及相关危险因素呈不断上 升趋势 人们也越来越注意 自己的身 心健康 过去测量血压必须到医院 由医生用水银血压计检测才行 但随 着科技水平的发展 血压计正在迎来 电子血压计的新时代 只要拥有了家 用电子血压计 人们就可 以坐在家里 随时监测血压的变化 如发现血压异 常便可及时去医院就诊 心脏的问歇性射血产生从主动脉 根部出发沿着动脉管系传播的脉搏波 脉搏波到达之处 动脉管 内的力学参 量 如流量 压力 血流速度 血管 横截 面积等 将产生变化 在每个心 动周期中 心脏间歇性的舒张和收缩 将引起主动脉管壁时张时缩的振动和 主动脉血液压力时高时低的变化 这 种动脉管壁的振动称为动脉脉搏 动 脉脉搏波在主动脉近心端形成的同时 立即以波动的方式将所发生的血压 血流量和血管壁周期性的振动沿着动 脉树一直扩散到整个动脉系统 从而 形成整个动脉系统中血压时低时高 血流量时慢时快 血管壁时缩时张的 一 电子科技大学物理电子学院袁丹 波动 这三类脉搏波是相互伴随产生 的 因而可统称为动脉脉搏波 本多功能电子血压汁 采用光电 容积法进行测量 其原理是 光束通 过透射传送到光电接收器信号的不同 人体血液红细胞 中的血红蛋白 H b 与氧分子作 可逆性 结合 结合后 的 Hb称含氧血红蛋 白 Hb O2 两者 具 有不同的吸收 曲线 在红光谱 区 6 0 0 ri m 7 0 0 ri m 内血红蛋 白 Hb吸收 的光线较少 而Hb Oz 吸收的光线较多 在红外光谱区 8 0 0 n m 1 0 0 0 n m 内血 红蛋白 H b吸收的光线较多 而 Hb Oz 吸收的光线较少 在光路上 除了动 脉血红蛋白外 还有许多其它吸收体 将严重影响测量精度 因此红光和红 外光 L E D因尽可能相互靠近 通过人 体中的单一组织位置透射光线 并采 用时间复用处理来透射光线 同时在 检测端 将透过手指的透射光强转换 为电压信号 因此得到光电容积脉搏 波信号 最后基于光电传感器的检测 原理和 L a mb e r t B e e r 定律 可以将透 射光强与光电传感器的输 出电压相关 联 建立心血管系统参数收缩和舒张 压计算方法 设计无创连续血压测量 方法测试设备 其优点为 使用简单 方便 测量精度高 测量值便于记录 体积轻巧便于携带等 硬 系统总体结构 本多功能 电子血压计 的系统总 体结 构框图如 图 2所 示 主要包括 L P C1 7 8 8主控模块 电源及复位模块 L C D触摸屏模块 信号调理模块 光 电脉搏波传感器模块和选配的Z i g b e e 一 白 线 蛋 曲 红 光 血 消 图 万方数据 图2 系统总体结构框图 模块等六大模块 主控L P C1 7 8 8 主 控 采 用 N X P新 推 出的 基 于 A RMCo r t e x M3的 L P Cl 7 8 8微 处 理 器 它具有高性能 高集成度 低功 耗等的特点 广泛用于低功耗和处理 要求高集成度的嵌入式应用 非常适 合本方案的设计要求 它包括 高达 5 1 2 k B的 F l a s h存储 器 高 达 9 6 k B 的数据 存储器 4 k B的 E E P R OM存 储 器 一 个用 于 S D R AM和静态 存 储器存取的外部存储器控制器 一个 L C D面 板控 制 器 一个 8通 道 1 2位 AD C等 外部只需加入很少芯片就可 实现系统功能 充分满足了本设计的 需要 并可使整个系统体积减小 功 耗降低 控制了成本 提高了稳定性 光 电传感器 本系统采用了透射式双波长测量 法 传感器选用深圳美的连电子有限 公司生产的 S 0 0 1 2 A型指套透射式可 重复使用的血氧探头 透射式光电脉 搏传感器包括光发射和光电接收两部 分 对于光发射 电路 探头内部选择 4 田士 z n n 1 0一 一 一 了 9 4 0 n m的红外发光二极管和波长为 6 6 0 n m的红色发光二极管以头尾相接 的方式并联作为脉搏检测电路的光源 接收电路的核心元件是光敏二极管 为了获得最佳的信噪 改善比 要求前置放 大器的设计采用低噪 声放大器设计原则 尽量降低输入级的噪 声 因此选用低噪声 光敏器件 以获得最 小的噪声系数 信 号 调 理 放 大 和滤波 脉 搏 波 是 以 心 脏搏动为动力源 是 一 种微弱低频的生理 信号 具有频率低 信号弱和阻抗高等特 点 因此应用于人体 生理信息测量的模拟 电路因能够有效地提 高输入阻抗和共模抑 制比 抑制温度漂移 以及随机噪声 本系 统中 选用了低功耗高精度的仪用放 大器 A D6 2 0 它被广泛应用于生物医 学测量以及那些提供微弱信号而共模 干扰较大的场合 脉搏 波的主要频 率分量一般在 0 1 H z l 5 H z之间 既要频带合适 以便得到信号检出时的最大保真度 又要要滤除各种干扰 如 5 0 H z 工频 干扰 各种外界中高频噪声 为与数 据采集电路适配 输出端的输 出阻抗 要低 模拟信号的极性 状态信号的 电平和幅度的动态范围等都必须符合 配接的规定 本设计采用 Ma x i m公司 的 MA X2 6 7 它 是 Ma x i m众 多 开 关 电容滤波器 S C F 芯片 中较简洁的 一 种 内部包含两个已经固定成带通 型 并且使用相同的 Q参数和频率变 换比例的二阶 S CF和 一个运放 通 图3 程序流程图 万方数据 D e s i g n Ap p l i c a t i o n s吸 丌 1 1 图4 血压 计算流程图 过选择适当的反馈电阻和 Q参数 能 够组成不 同波纹 率的 B u t t e r wo r t h或 C h e b y s h e v滤波器 这样就大大减少 了外围电路 且使用灵活 性能远远 优于采用集成运放组成的滤波电路 非常适合于本设计 软件设计 程序流 程 软件部分程序流程如图 3所示 系统启动后 由 U b o o t 引导启动嵌入 式 L i n u x 初始化相关硬件和程序并 进入主菜单 1 个人信息 可输入 自己的年龄 身高 体重 性别等信 息 方便系统对每个人的测量数据分 别进行管理和针对性的进行健康情况 分析 2 血压检测 血 压 计进 入 检 测页 面 并开始检测过程 3 数据查询 可在 L CD 上查看以往测量结果 包括高压 低压 平均 并 由机器进行简单 的 健康情况 分析 4 系 统 设置 可 对 系 统 时间 网络参数等进 行设置 并可对系统 固件进行升级 电 子 血 压 计 检 测 模 式流程 测量人体血压的 过程分为血压校准和 血压实际测量两个阶 段 血压校准阶段的 主要任务是提取光电 容积脉搏波的四个血 压特征参量 t 心动周 期 V 容积脉搏波信 号的最低 幅度值 V 容积脉搏波信号的最 高幅度值和 K脉搏波波形特征量 完成校准参数 M 动脉常数和 V 人体 在零血压值状态下所对应的容积脉搏 波信号幅度值的计算 为血压实际测 量阶段奠定基础 在血压实际测量阶 段 基于血压校准阶段 中的校准参数 即M 和V o 垸 成人体动脉血压的计算 数据库 系统 的设计 本 设计的数据管理采用 S QL it e 嵌入式数据库 它是一种中小型嵌入 式数据库 虽然体积大小只有几千字 节 但仍然实现了一个完全适应严峻 环境的数据库 可以较为方便地运用 于嵌入式系统中 具有数据库处理事 务的原子性 一致性 隔离性及持久 性这 4个基本特征 提供了对 S QL 9 2 的大多数支持 包括索引 事务 视图 多表 触发和一系列的用户接 口及驱 动 经过对需求的分析和优化 可设 计出数据库系统的 E R图如图5所示 全面准确的反应了用户的功能需求 实体类型的个数和所含属性个数少 实体类型间无冗余 系统的界面设计 本 设计的应用程序窗 口界面采 用 QT编写实现 它是一个跨平台的 C 图形用户界面应用程序框架 被 广泛地应用于各种嵌入式产品中 如 图 6所示为采用轻量级跨平台集成开 发环境 Qt Cr e a t o r 所设计的界面 轻 按触摸屏发 出各项命令 再