血壓計(jì)的原理和設(shè)計(jì)

1、.血壓計(jì)的原理和設(shè)計(jì)本文講述如何使用Freescale（以下稱為飛思卡爾）MCU設(shè)計(jì)血壓計(jì)，飛思卡爾提供數(shù)款針對(duì)醫(yī)療電子的MCU，包括MK53N512、MC9S08MM128和MCF51MM256，集成16bit的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、12bit的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）、兩個(gè)可調(diào)增益運(yùn)算放大器、兩個(gè)TRIAMPS、模擬比較器和Vref生成器。K50系列產(chǎn)品同時(shí)還能在處理信號(hào)的時(shí)候執(zhí)行DSP指令，MCF51MM系列產(chǎn)品則能執(zhí)行MAC（乘法和累加）指令。文章旨在為生物醫(yī)學(xué)工程師、醫(yī)療設(shè)備開發(fā)人員，或者任何具有醫(yī)學(xué)實(shí)踐并對(duì)血壓計(jì)工作原理感興趣的人提供參考信息。當(dāng)然這需要具備模擬電路和數(shù)字電路的

2、基礎(chǔ)知識(shí)。一、血壓計(jì)的基本原理首先介紹動(dòng)脈壓力的生理學(xué)概念以及血壓計(jì)的工作原理。1、動(dòng)脈壓力動(dòng)脈壓力（Arterial Pressure）是指血液在動(dòng)脈血管中施加的靜水壓力（hydrostatic pressure），這是左心室收縮產(chǎn)生的結(jié)果。動(dòng)脈收縮壓（Systolic Arterial Pressure，SAP）是指心臟收縮的時(shí)候動(dòng)脈形成較高的血壓；舒張期動(dòng)脈壓（Diastolic Arterial Pressure，DAP）是指在心臟舒張的時(shí)候形成的最低血壓。正常成人休息狀態(tài)下的SAP和DAP分別是110mmHg和70mmHg，mmHg為壓強(qiáng)單位毫米汞柱。表1血流量（blood flow

3、）指的是在單位時(shí)間內(nèi)（通常以mL/min表示）流經(jīng)任意器官組織的血液流量，血液將氧和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳送給器官組織。血壓的大小直接影響血流量，因?yàn)檠嚎偸菑母邏旱膮^(qū)域流向低壓的區(qū)域，兩個(gè)區(qū)域的血壓差越大，那麼血流量就越大。血液由左心室泵出到大動(dòng)脈（aorta）并達(dá)到較高的血壓，隨著血液的流動(dòng)，血壓逐漸降低直到為0mmHg，此時(shí)血液回到右心房（right atrium）。圖1表示血壓的變化。圖1血管壓力的變化2、血壓計(jì)的工作原理血壓計(jì)的工作原理主要基於示波法（oscillometric method），在測(cè)量過程中，示波法利用獲取的壓力脈沖信號(hào)來獲得血壓值。袖帶（occluding cuff）與氣泵

4、和壓力傳感器相連，袖帶在使用過程中緊箍手臂。給袖帶泵入氣體使其膨脹，直到壓力大於脈搏（systolic）的典型數(shù)值，然後袖帶才逐漸放氣。由於袖帶的放氣，當(dāng)脈搏壓力到達(dá)一定數(shù)值的時(shí)候，就開始出現(xiàn)脈動(dòng)（pulsation）。脈動(dòng)的大小代表了由於心臟收縮而產(chǎn)生的壓力變化，它被用於計(jì)算心跳的速率。脈動(dòng)的振幅逐漸增大到平均動(dòng)脈壓（Mean Arterial Pressure，MAP），然後緩慢下降到零。圖2顯示了袖帶壓力與脈動(dòng)（pulsation）之間的關(guān)系。圖2袖帶（cuff)壓力與心跳的關(guān)系在脈沖振幅最大的時(shí)候，示波法通過獲得袖帶壓力來確定平均動(dòng)脈壓（MAP）的大小。收縮和舒張的數(shù)值可以使用特殊算法

5、計(jì)算，不同的醫(yī)療設(shè)備開發(fā)商有不同的算法?；讹w思卡爾芯片的血壓計(jì)在計(jì)算收縮和舒張的數(shù)值主要根據(jù)以下原則當(dāng)脈沖的振幅為MAP的70%的時(shí)候，此時(shí)測(cè)量獲得的壓力就近似為收縮壓力，并且袖帶壓力大於MAP；類似的，脈沖振幅為MAP的50%時(shí)，此時(shí)寄存器內(nèi)的袖帶壓力就近似為舒張壓力，袖帶壓力小於MAP。二、血壓計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)使用飛思卡爾Kinetis K53和Flexis MM系列MCU實(shí)現(xiàn)的血壓計(jì)，除了文章開頭所提到的幾個(gè)組成部分之外，在性能方面還具有其他特點(diǎn)，比如K5X系列的產(chǎn)品還還支持包括MAC在內(nèi)的DSP指令集合，MCF51MM也具有執(zhí)行MAC指令的功能。飛思卡爾公司醫(yī)療用途的MCU可降低醫(yī)療設(shè)備

6、的BOM成本，兼具最佳的處理能力。只需要少數(shù)的外部器件進(jìn)行壓力感應(yīng)和袖帶控制。1、MED-BPM模擬前端電路MED-BPM模擬前端demo板針對(duì)血壓計(jì)而設(shè)計(jì)，與飛思卡爾的醫(yī)療專用MCU結(jié)合使用。MED-BPM與MCU之間的通信使用專用連接器，使用飛思卡爾配套推出的Tower系統(tǒng)更可以快速的制作出產(chǎn)品原型，加速產(chǎn)品的上市時(shí)間。MED-BPM的結(jié)構(gòu)見圖3。圖3MED-BPM的結(jié)構(gòu)（1）醫(yī)療連接器demo板塊中使用到的醫(yī)療器械連接器是標(biāo)準(zhǔn)器件，demo板塊的型號(hào)為TWR-9S08MM、TWR-MCF51MM和TWR-K53。連接器包括用於醫(yī)療用途的最重要的模擬周邊設(shè)備，以及I2C接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。表

7、1概括了醫(yī)療連接器信號(hào)特性。（2）袖帶壓力控制MED-BPM使用示波法進(jìn)行血壓的測(cè)量，這是一種無創(chuàng)傷（noninvasive）的方法，它使用外部袖帶緊箍病患者的手臂，檢測(cè)收縮和舒張動(dòng)脈壓力。MCU的GPIO引腳控制氣泵給袖帶充氣，而另一個(gè)GPIO引腳則用於控制放氣閥門對(duì)袖帶進(jìn)行放氣。因?yàn)閁SB端口提供的電流（500mA）不足以驅(qū)動(dòng)氣泵和閥門（600mA），因此它們必須要由外部電源以得到足夠的電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這需要光耦器件用於MCU控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)部件的連接，如圖4所示，光耦器件的輸出被連接到MOSFET，MOSFET相當(dāng)於一個(gè)開關(guān)，它控制氣泵和閥門的動(dòng)作。圖4MCU控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)部件的連接電路（3

8、）外部連接器在MED-BPM上，除了光耦器件和開關(guān)電路之外，還有外部氣泵的連接器、閥門和電池。這就允許使用MCU信號(hào)控制外部的元器件。氣泵電機(jī)和閥門使用兩個(gè)AA電池進(jìn)行供電，由於USB輸出不能提供足夠的電流驅(qū)動(dòng)，圖5顯示連接器引腳的布局。圖5連接器引腳功能（4）壓力傳感器示波法的本質(zhì)就是測(cè)量袖帶的壓力變化，這使用的傳感器MP3V5050芯片內(nèi)部集成了雙極運(yùn)算放大器電路和薄膜電阻網(wǎng)路，此傳感器提供高輸出信號(hào)和溫度補(bǔ)償能力。MP3V5050的主要特性見表2，MP3V5050的輸出信號(hào)與輸入壓力信號(hào)成比例。在應(yīng)用電路中，此傳感器可直接與放大電路連接。表2（5）信號(hào)濾波和放大信號(hào)濾波和放大由三個(gè)濾波器

9、、緩沖電路、同相放大器組成，見圖6。濾波器為一階RC無源電路，其截止頻率可以由公式fc=1/2RC進(jìn)行計(jì)算。信號(hào)經(jīng)過10Hz的低通濾波電路（LPF），這個(gè)濾波電路由電阻和電容構(gòu)成，主要為了消除高頻噪聲。之後，信號(hào)傳輸?shù)骄彌_電路，緩沖電路就是一個(gè)單獨(dú)的運(yùn)算放大器，它連接信號(hào)與傳感器。在緩沖電路的輸出端對(duì)動(dòng)脈壓力進(jìn)行測(cè)量，然後信號(hào)再次由2.2Hz的RC高通濾波器進(jìn)行濾波處理，移除高頻噪聲，得到比較潔凈的信號(hào)傳輸?shù)结崦娴姆糯箅娐?。信?hào)放大電路為同相放大器，包括二階運(yùn)算放大器、兩個(gè)電阻（100k和1k），形成101的增益，以便能更加有效的識(shí)別袖帶的振動(dòng)。這部分電路之後，信號(hào)進(jìn)行10Hz的RC低通濾波電

10、路，再次進(jìn)行高頻信號(hào)的過濾。圖6濾波和放大電路2、功能描述MED-BPM demo板使用類似於示波法的測(cè)量方法，即所謂的斜坡上升（Ramp-Up）方法，在袖帶充氣的過程中進(jìn)行測(cè)量。ramp-up方法同樣需要將袖帶緊密的箍住左手臂，接著放氣閥門被關(guān)閉，氣泵開始給袖帶充氣。見圖7，在充氣的同時(shí)，通過檢測(cè)袖帶的壓力，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，從而得到袖帶的壓力振動(dòng)。圖7壓力振動(dòng)電路持續(xù)監(jiān)測(cè)這些振動(dòng)，每個(gè)振動(dòng)獲得主要的袖帶壓力，并且保存振動(dòng)的幅度。但壓力到達(dá)最大值的時(shí)候，電機(jī)停止充氣，閥門開啟對(duì)袖帶進(jìn)行放氣。在袖帶放氣的同時(shí)，MCU對(duì)壓力數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。首先，檢測(cè)所有脈沖信號(hào)，并且找出幅度最大的脈沖信號(hào)，因?yàn)樗?/p>

11、代表MAP。在將這個(gè)脈沖信號(hào)被標(biāo)記為MAP的時(shí)候，記錄袖帶的壓力。利用上述計(jì)算方法，計(jì)算出收縮脈動(dòng)壓力和舒張脈動(dòng)壓力。三、軟件模型MED-BPM演示板基於飛思卡爾的USB軟件堆棧，可以被視為USB通信類器件（CDC）。演示板使用的狀態(tài)機(jī)（state machine）每個(gè)周期執(zhí)行一個(gè)狀態(tài)，避免CPU的劫持和仿真并行處理。圖8顯示了軟件的模型。圖8軟件模型每個(gè)狀態(tài)機(jī)（state machine）是MCU必須執(zhí)行的任務(wù)。系統(tǒng)可以執(zhí)行幾個(gè)任務(wù)，只有當(dāng)前任務(wù)在FIFO序列中完成以後，才能執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)。每個(gè)狀態(tài)機(jī)包含幾個(gè)子狀態(tài)機(jī)（sub-state machine），這就允許將這幾個(gè)子狀態(tài)機(jī)中均勻分配C

12、PU負(fù)荷。就像前面提到的那樣，軟件基於飛思卡爾的USB堆棧和PHDC。MED-BPM演示板的軟件分為三部分初始化；與電腦的通信；執(zhí)行測(cè)量。1、初始化運(yùn)行MED-BPM演示板的第一步是對(duì)所需的周邊設(shè)備進(jìn)行初始化。在main函數(shù)，首先調(diào)用的函數(shù)Init_Sys對(duì)USB工作時(shí)鐘和中斷進(jìn)行設(shè)定，然後AFE和軟件計(jì)數(shù)器所需的周邊設(shè)備同樣進(jìn)行初始化以進(jìn)行初次運(yùn)轉(zhuǎn)。USB被設(shè)定為CDC（通信類器件），從而啟動(dòng)USB與主機(jī)之間的通信。之後，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入無限循環(huán)執(zhí)行狀態(tài)。（圖9）圖9初始化2、與電腦的通信電腦通過USB與器件連接，器件的工作被設(shè)定為CDC，并且器件的動(dòng)作被視為電腦的虛擬端口來使用。（1）接收指令函

13、數(shù)SerialComm_PeriodicTask是通信類器件的虛擬comport子程序，它被主程序調(diào)用。這個(gè)函數(shù)持續(xù)監(jiān)測(cè)USB輸入緩沖器以便接收數(shù)據(jù)。在接收到數(shù)據(jù)包以後，函數(shù)檢查接收到的數(shù)據(jù)包是否符合通信協(xié)議。如何符合協(xié)議，函數(shù)檢查請(qǐng)求指令并開始執(zhí)行。圖10顯示了SerialComm_PeriodickTask函數(shù)的執(zhí)行流程。圖10圖10SerialComm_PeriodicTask函數(shù)流程圖（2）執(zhí)行指令MED-BPM對(duì)四個(gè)請(qǐng)求命令進(jìn)行辨別。BpmStart/StopMeasurementReq啟動(dòng)或者停止血壓測(cè)量；BpmStart/StopLeakTestReq啟動(dòng)或者停止袖帶氣體漏的測(cè)試

14、。無論執(zhí)行上述哪一個(gè)指令，都會(huì)根據(jù)通信協(xié)議生成確認(rèn)數(shù)據(jù)包，以此來表明這個(gè)指令已經(jīng)被接收到。在執(zhí)行啟動(dòng)請(qǐng)求的時(shí)候，確認(rèn)數(shù)據(jù)包同時(shí)還包含其是否成功執(zhí)行的信息。圖11顯示了請(qǐng)求指令的流程。圖11請(qǐng)求命令流程圖（3）發(fā)送數(shù)據(jù)包函數(shù)SerialComm_SendData將數(shù)據(jù)包發(fā)送到主機(jī)。數(shù)據(jù)包被創(chuàng)立的同時(shí)，被存儲(chǔ)在輸出緩沖器中，此時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)變量增加顯示出輸出緩沖器的容量改變。一旦SerialComm_SendData函數(shù)被調(diào)用，它就會(huì)檢查數(shù)據(jù)技術(shù)變量的大小。如果這個(gè)變量不為零，那麼就表示輸出緩沖器中仍然有信息需要發(fā)送。這個(gè)函數(shù)調(diào)用CDC接口、USB堆棧部件和PHDC來發(fā)送數(shù)據(jù)包。圖12顯示了這個(gè)函數(shù)的

15、執(zhí)行流程。圖12SerialComm_SendData函數(shù)流程圖3、測(cè)量在執(zhí)行BpmStartMeasurementReq函數(shù)的時(shí)候，調(diào)用Bpm_StartMeasurement函數(shù)，它對(duì)Bpm進(jìn)行初始化并執(zhí)行測(cè)量。這個(gè)函數(shù)首先重置所有參數(shù)確立初始化的狀態(tài)，然後設(shè)定ADC的分辨率為12bit。由於首次ADC測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)脈壓力計(jì)算沒有意義，因此這些采樣數(shù)據(jù)可以被忽略。BpmIgnoreSamplesCounter和一定數(shù)量的采樣一起加載。BpmActualState函數(shù)被設(shè)定為測(cè)量狀態(tài)，以此表明測(cè)量的BPM狀態(tài)機(jī)已經(jīng)開始執(zhí)行。軟件計(jì)時(shí)器此時(shí)開始每隔10ms獲取ADC采樣。在Bpm_StartMe

16、asurement函數(shù)中，BPM狀態(tài)機(jī)從待機(jī)狀態(tài)中脫離出，并且開始進(jìn)行測(cè)量。在執(zhí)行下個(gè)狀態(tài)機(jī)時(shí)候，調(diào)用StateMeasuring函數(shù)，圖13顯示了這個(gè)函數(shù)的流程。在ramp-up階段，為了避免袖帶過度膨脹對(duì)人體造成傷害，就需要不斷的檢查袖帶壓力，并且將這個(gè)壓力與最大參考值進(jìn)行比較。由於40mmHg以下獲得的第一個(gè)采樣信息沒有參考價(jià)值，所以這些采樣信息在第一個(gè)sub-state中可以忽略不計(jì)。采樣計(jì)數(shù)器被預(yù)先設(shè)定，用來顯示被忽略的采樣數(shù)量。圖13StateMeasuring函數(shù)流程在第一個(gè)采樣被忽略之後，程序搜索主袖帶壓力的振動(dòng)。通過前後兩個(gè)采樣之間的比較，程序得出每個(gè)脈沖較高的數(shù)據(jù)。如果新的采樣比前一個(gè)采樣大，那麼新的采樣就被設(shè)定為實(shí)際脈沖的較高點(diǎn)，一直到更高采樣點(diǎn)的出現(xiàn)。如果在五個(gè)采樣之後，新的采樣點(diǎn)比前一個(gè)小，那麼可以認(rèn)為這個(gè)脈沖正在下降，此時(shí)將進(jìn)入尋找最低點(diǎn)的過程。在最大和最小脈沖都被確立之後，計(jì)算出它們的振幅，振幅和同時(shí)測(cè)量獲得的主袖帶壓力一起存儲(chǔ)在數(shù)