【血压、脉搏及心率测量装置的方案选择分析案例4800字】

血压、脉搏及心率测量装置的方案选择分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u15462血压、脉搏及心率测量装置的方案选择分析案例 1239381.1方案一：容积补偿法 1157291.2方案二：脉博波传导时间测定法 2168451.3方案三：光电容积脉搏波描记法 215984二、硬件电路的设计 322532.1硬件电路总体框图 342442.2传感器以及电路设计 334782.2.1传感器 3160582.2.2传感器电路设计 4172192.3STM32单片机及其电路设计 5318692.1.1STM32单片机 541622.1.2STM32单片机电路设计 61.1方案一：容积补偿法容积补偿法，也称其为恒定容积法，是由Penaz于1973年正式提出的。正常情况下血液会对血管产生一个向外的力，如果在血管外给予一定压力，当血管壁内外压力相等，血管内径便不再随着脉搏的搏动而变化，而就可以认为此时的血管处于恒定客积的状态。因此，只要能够测得保证血管处于恒定容积状态下所施加的外压力，便能够知道血压。要想实现这一测量首先需要设定一个合适的压力(理论上为平均动脉压，而Penaz则主张设定为测量血管容积的1/3)使血管最大限度的去负荷，随后快速调节外力使血管始终保持“恒定容积"状态，此时所施加的外力即为血压值。该法一般选取指端为测量部位，通过使用位于前臂的袖带和基于光电容积描记术，通过传感器测量血容量以测定瞬时血压(手指)。通过示波测量估计零透壁压力时的血量，然后连续地改变袖带压力，以通过快速伺服控制系统在整个心动周期中维持该血液体积施加的袖带压力，因此可以近似等于血压。基于恒定容积原理，手指血压测量系统最早于20世纪80年代正式问世，Yamakoshi带领的一个日本科研小组在应用容积补偿法进行血压测量方面进行了非常详细的探索，并不断优化该系统。21世纪以来，利用电子导纳技术的便携式指端血压测量仪已经可高效测量包括多种生理参数在内的血压数据，同时可将数据与电脑联动，实现血压数据的有效管理和分析。但是该技术也存在一定问题。(1)温度、循环血量等因素容易影响指端血压。(2)雷诺氏症、血管活性药物的使用也可以影响血压的测量。(3)长时间的指端加压、袖带尺寸错误都会使被测者产生不适感。(4)采用恒定容积法的测量装置测得的部分血压值离散度有些大，没有达到美国医疗仪器促进协会规定的指标，因此不能作为临床上的血压值测量方法，但是如果用于长期跟踪监测，血压数据的可信度还是相当可观的。1.2方案二：脉博波传导时间测定法传统的示波法、柯氏音听诊法其本质都是根据脉搏波的特性来反映血压变化。因此有人设想能否通过脉搏波的传导速度推算血压值。而这种方法的脉搏波传导速度一般是通过波动在一段动脉中由A点到B点的传递时间来计算的，因此通过脉搏波传导时间也可以推算出动脉血压。所以，基于PWTT或者PWV测量血压的方法包括以下3个步骤。(1)测量近端和远端动脉波波形。(2)从波形估计PWTT或者PWV。(3)将PWTT或者PWV转化为血压值。前两点通过技术手段很容易实现，动脉波形的测量可以使用经典波形测量方法(PPG)，即电生物阻抗、阻抗心电图和心电图联合测量法，或者是视频体积描记术(VPG)，而PWTT或PWV可以通过分析波形得出。因此，最困难的地方无疑是找寻PWTT或PWV与血压的具体联系。很多因素都可能影响到PWTT和血压，例如血液密度、血液黏度、血管顺应性、平滑肌的固有弹性(VE)和舒缩活动(VM)、动脉平均截面积等。早在1976年，BrainGribbin等就通过实验成功证实了PWV与血压的变化具有相关性，但仍然无法得出确切血压值。直到20世纪80年代，日本的科学家成功通过PWT推算出血压值，但是较高的离散程度极大地影响了用此种方法连续测量血压的精确性。我发现大多数研究基于多因素建立的血压与PWTT的线性回归方程，已经有了很好的准确度，而一些非线性函数模型也有较好的准确度。所以我认为随着越来越多的影响因素被发现并消除基于PWTT的连续无创血压测量精度将进一步提高。1.3方案三：光电容积脉搏波描记法光电容积脉搏波描记法（PhotoPlethysmoGraphy，下文简称PPG）是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时，光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器，在此过程中由于受到检测端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用，检测器检测到的光强度将减弱，其中皮肤肌肉、组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的，而皮肤内的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化，当心脏收缩时外周血容量最多，光吸收量也最大检测到的光强度最小；而在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强度最大，故光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化，将此光强度变化信号转换成电信号，便可获得容积脉搏血流的变化。由此可见，容积脉搏血流中包含有血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息。同时，容积脉搏血流主要存在于外周血管中的微动脉、毛细血管等微血管中，所以容积脉搏血流同样包含有丰富的微循环生理病理信息，是我们研究人体循环系统重要的信息来源。PPG信号中包含有人体循环系统、呼吸系统等许多生理病理信息。在人体血压、血流、血氧、脑氧、肌氧、血糖、脉率、微循环、血管阻力、呼吸率、呼吸量等参数的无创检测中都有很好的应用前景。虽然由于红光、红外光与人体组织相互作用的机理十分复杂，影响它的因素也比较多。但此方法也具有的无创性，且检测方便、操作简单、性能稳定、重复性好、安全无交叉感染等许多优点，使其不仅可用于医院中的临床检测、监护、急救体能测试，还可应用于社区和家庭医疗保健，并具备联网扩展功能，可以组建家庭社区和医院的医疗网络，在这些方面将都会有很好的应用前景。因此，在本文中选用此方案进行便携式家用血压、脉搏及心率监测仪的设计。二、硬件电路的设计2.1硬件电路总体框图图4-1电路设计框图2.2传感器以及电路设计2.2.1传感器心率血压采集模块MKB001属于微型结构心率血压采集模块MKB0803系列。心率血压采集模块MKB系列作为一类ICT产品的加强版，Sensym公司非常认可这类产品，也是被认定机构所检定合格代表类产品。价格便宜。所有心率血压采集模块MKBDO压力传感器所具有的精度都会限定到满量程范围内。其包含了可用、单一供电电压工作的特点。在设计和制作此种传感器时都以ISO9001标准为检验标准。这种类型的传感器应用环境是那些没有腐蚀性、不是电离环境的工作流体中，诸如空气与干燥气体都属于此种类型。组成这种特定的心率血压监测结构的几个部分是：1颗YK1801脉搏进行传感器设置的芯片、1颗能够完成模拟的前端MN8802脉搏芯片和1颗SFB9712算法芯片总共3种类型的芯片组成，主要的数据是通过单片机串口进行数据读取，波特率是115200。脉搏传感器芯片感应人体脉搏具体信息最终得到这些信息的原理其实是，利用了光电式容积脉搏波描记（PPG）这种类似的进行感应和提取人体新的，采用了前端芯片MN8802与计算算法的芯片SFB9712完成最终的血压、心率等串口信号的显现和输出。在这个血压监测功能模块里涵盖了一下几部分：正确采集本次所涉及的心率血压的计算、以及快速的进行各种显示和输出脉搏波与心电波形、进一步准确的确定人体是否佩戴的何种状态，另外还包括监测人体体表温度装置、HRV-PNN50（选装）、以及正确定制人体呼吸率等用到的人体不同部位的健康指标。2.2.2传感器电路设计心率血压采集模块电路如图4-2所示图4-2心率血压采集模块电路连接图其中，心率血压采集模块的1号端口接地；2号端口接STM32单片机的A10端口；3号端口接STM32单片机A11端口；4号端口接电源。心率血压采集模块功能优点：体积非常小：客户能够根据自己喜好尺寸定制适合于自己的PCB板，最小可达；功耗极小，所有功能的功耗要小于7mA，可以全天候、长时间监测心率血压，同时还能够兼容别的功能；往外显现的内容：包括了诸如心率、血压、脉搏波与提前设置好的心电波形、识别出是否佩戴以及当前的温度数据等；导出的方式：医生通过串口uart信号能够非常方便的得到有关心率血压的具体数值；功能反应比较敏感，瞬时之间就能够给出测量者的心率和血压等数据；使用相当容易，客户能够在不同平台上无需复杂操作即可使用；灵敏度非常高：对于哪类人群不论哪个人体部位都会给出精确的测试数据；系统使用到的电路相当少，仪器周围几乎没有别的器件，这对于整个功能的开发和设计来讲非常方便、简单；系统使用环境能够有客户随意选择，包括是主动监测或者长期监测都可进行设置；为了提供后期的数据分析，系统同时提供了运动条件下对人体部位的实时监测；客制化功能：心率监测，脉搏波分析，动态血压监测。MKB001引脚功能，如表4-1所示：表4-1MKB001的引脚功能2.3STM32单片机及其电路设计2.1.1STM32单片机单片机其实和我们经常说的小型计算机基本一样。通常情况下在控制领域中使用。是微型计算机中不可或缺的必要的一部分。在大家的日常生活里经常使用到它来进行各种控制。单片机的构成其实主要是集成电路而组成的。在其内部其主要包括了cpu处理芯片，这种芯片也被称为中央处理器，另外一个就是常说的IO与处理器。对于我们来讲，仅仅把对应的编译器用程序来实现就可以控制外围相关的器件。相对于单片机来讲，通常会以STM32C8T6核心板来进行重点选型设计。STM32单片机具体的特点是：电压低、微处理性能非常高，能够迅速檫除不需要的字节。而对于我们来讲，这种方式是十分简单、易用的。通常被广泛用于医疗机构与工业生产中，能够实时控制各种器械、停车场的运用、计算机外围设备进行各种控制，通信设备所相关的不同领域都使用到了这种单片机。STM32F103单片机是一款低功耗、高性能的微控制器，STC公司在创立之初以工业控制为目的而创造的性能单一的单片机。它能够操作不同类型的传感器与外设，并通过自己单独计算而获得某种数据与信号，继而给出相对应的操作，这使得具体的工业生产有了指挥的大脑。打个比方，和平常我们用到的电脑作比较，那么单片机就只够叫做微乎其微级别的电路集成系统，也使得它的作用不是很大，造就了只是可以完成一些非常容易的控制功能。生活中，使用单片机的领域非常多，大部分电器其实都是受单片机所控制，在我们家庭中，无论大家电还是小家电，像冰箱、空调、洗衣机、电视机，还有遥控器、鼠标、键盘、闹钟等等这些电子产品，都离不开一个或多个单片机的控制。在仪表仪器领域，单片机被使用的更为广泛，比如航空航天，家用电器以及医用设备上都要用到这种单片机。通常情况下，现在所有智能设备没有单片机就不会被称作智能化，如今出现的多样化的传感器也对单片机有了一些菲比寻常的要求，这也就造成了很多的更加智能的单片机越来越多的出现了。对于本次设计，我们采纳了STM32F103C8T6单片机作为我们的专业单片机。这个单片机与51系列相对照，增加了非常多的功能，其运行的速度要比后者快上好几倍，与此同时，自身也对外提供了2个AD转换器，当我们完成设计烟雾与CO时，不必要额外添加与之相对应的外表的ADC来进行此种转换，十分方便；STM32所具有的通信和控制作用不是一般性功能可以比拟的。根本不需要拿51单片机和它进行对比。由于51单片机仅仅内置了1个串口来完成通信，对于STM32单片机来讲，它内置了5个串口来完成通信，因此，对那些必须使用串口完成通信的功能组来讲，其本身不必用到通过CD4052等双串口功能来具体转换，因此，这一典型特点可以在市场上快速而且广泛得到运用，32单片机由于其自身能够完成不同种类时钟模数并且在此基础上进行各种工作，因此，这个功耗通常情况下会在对于能耗要求严格的产品里占有相当大的市场份额。STM32优点如下：1.STM32C8T6系列器件中所包含的起振晶组件使用到了RTC，其负载很低，不会出现过去那种比较廉价的圆柱晶振。2.引脚个数为48个。1.工作频率为72MHZ。2.单片机具有3个普通定时器和1个高级定时器。5.单片机具有2个2位/16通道的ADC模数转换。6.使用了1.3V稳压芯片，可以保证最大输出300MA电流。7.支持ST-LINK和JTAG调试下载。8.存储资源为64kbbyteFLASH和20byteSram。STM32实物图如图4-3所示：图4-3STM32F103C8T6实物图2.1.2STM32单片机电路设计要使用这种单片机完