血壓計的原理和設(shè)計

1、血壓計的原理和設(shè)計本文講述如何使用Freescale（以下稱為飛思卡爾）MCU設(shè)計血壓計，飛思卡爾提供數(shù)款針對醫(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）、兩個可調(diào)增益運算放大器、兩個TRIAMPS、模擬比較器和Vref生成器。K50系列產(chǎn)品同時還能在處理信號的時候執(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)學工程師、醫(yī)療設(shè)備開發(fā)人員，或者任何具有醫(yī)學實踐并對血壓計工作原理感興趣的人提供參考信息。當然這需要具備模擬電路和數(shù)字電路的基

2、礎(chǔ)知識。一、血壓計的基本原理首先介紹動脈壓力的生理學概念以及血壓計的工作原理。1、動脈壓力動脈壓力（Arterial Pressure）是指血液在動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。動脈收縮壓（Systolic Arterial Pressure，SAP）是指心臟收縮的時候動脈形成較高的血壓；舒張期動脈壓（Diastolic Arterial Pressure，DAP）是指在心臟舒張的時候形成的最低血壓。正常成人休息狀態(tài)下的SAP和DAP分別是110mmHg和70mmHg，mmHg為壓強單位毫米汞柱。表1血流量（blood flow）

3、指的是在單位時間內(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，因為血液總是從高壓的區(qū)域流向低壓的區(qū)域，兩個區(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脈（aorta）并達到較高的血壓，隨著血液的流動，血壓逐漸降低直到為0mmHg，此時血液回到右心房（right atrium）。圖1表示血壓的變化。圖1血管壓力的變化2、血壓計的工作原理血壓計的工作原理主要基於示波法（oscillometric method），在測量過程中，示波法利用獲取的壓力脈沖信號來獲得血壓值。袖帶（occluding cuff）與氣泵和

4、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，當脈搏壓力到達一定數(shù)值的時候，就開始出現(xiàn)脈動（pulsation）。脈動的大小代表了由於心臟收縮而產(chǎn)生的壓力變化，它被用於計算心跳的速率。脈動的振幅逐漸增大到平均動脈壓（Mean Arterial Pressure，MAP），然後緩慢下降到零。圖2顯示了袖帶壓力與脈動（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候，示波法通過獲得袖帶壓力來確定平均動脈壓（MAP）的大小。收縮和舒張的數(shù)值可以使用特殊算法計

5、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在計算收縮和舒張的數(shù)值主要根據(jù)以下原則當脈沖的振幅為MAP的70%的時候，此時測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，此時寄存器內(nèi)的袖帶壓力就近似為舒張壓力，袖帶壓力小於MAP。二、血壓計的硬件實現(xiàn)使用飛思卡爾Kinetis K53和Flexis MM系列MCU實現(xiàn)的血壓計，除了文章開頭所提到的幾個組成部分之外，在性能方面還具有其他特點，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)備的

6、BOM成本，兼具最佳的處理能力。只需要少數(shù)的外部器件進行壓力感應(yīng)和袖帶控制。1、MED-BPM模擬前端電路MED-BPM模擬前端demo板針對血壓計而設(shè)計，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)療器械連接器是標準器件，demo板塊的型號為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接口進行數(shù)據(jù)通信。表1

7、概括了醫(yī)療連接器信號特性。（2）袖帶壓力控制MED-BPM使用示波法進行血壓的測量，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，檢測收縮和舒張動脈壓力。MCU的GPIO引腳控制氣泵給袖帶充氣，而另一個GPIO引腳則用於控制放氣閥門對袖帶進行放氣。因為USB端口提供的電流（500mA）不足以驅(qū)動氣泵和閥門（600mA），因此它們必須要由外部電源以得到足夠的電流進行驅(qū)動。這需要光耦器件用於MCU控制信號與驅(qū)動部件的連接，如圖4所示，光耦器件的輸出被連接到MOSFET，MOSFET相當於一個開關(guān)，它控制氣泵和閥門的動作。圖4MCU控制信號與驅(qū)動部件的連接電路（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信號控制外部的元器件。氣泵電機和閥門使用兩個AA電池進行供電，由於USB輸出不能提供足夠的電流驅(qū)動，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和溫度補償能力。MP3V5050的主要特性見表2，MP3V5050的輸出信號與輸入壓力信號成比例。在應(yīng)用電路中，此傳感器可直接與放大電路連接。表2（5）信號濾波和放大信號濾波和放大由三個濾波器、

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進行計算。信號經(jīng)過10Hz的低通濾波電路（LPF），這個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，信號傳輸?shù)骄彌_電路，緩沖電路就是一個單獨的運算放大器，它連接信號與傳感器。在緩沖電路的輸出端對動脈壓力進行測量，然後信號再次由2.2Hz的RC高通濾波器進行濾波處理，移除高頻噪聲，得到比較潔凈的信號傳輸?shù)结崦娴姆糯箅娐?。信號放大電路為同相放大器，包括二階運算放大器、兩個電阻（100k和1k），形成101的增益，以便能更加有效的識別袖帶的振動。這部分電路之後，信號進行10Hz的RC低通濾波電路

10、，再次進行高頻信號的過濾。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行測量。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，通過檢測袖帶的壓力，并對信號進行放大，從而得到袖帶的壓力振動。圖7壓力振動電路持續(xù)監(jiān)測這些振動，每個振動獲得主要的袖帶壓力，并且保存振動的幅度。但壓力到達最大值的時候，電機停止充氣，閥門開啟對袖帶進行放氣。在袖帶放氣的同時，MCU對壓力數(shù)值進行計算。首先，檢測所有脈沖信號，并且找出幅度最大的脈沖信號，因為它代

11、表MAP。在將這個脈沖信號被標記為MAP的時候，記錄袖帶的壓力。利用上述計算方法，計算出收縮脈動壓力和舒張脈動壓力。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（state machine）每個周期執(zhí)行一個狀態(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軟件模型每個狀態(tài)機（state machine）是MCU必須執(zhí)行的任務(wù)。系統(tǒng)可以執(zhí)行幾個任務(wù)，只有當前任務(wù)在FIFO序列中完成以後，才能執(zhí)行下一個任務(wù)。每個狀態(tài)機包含幾個子狀態(tài)機（sub-state machine），這就允許將這幾個子狀態(tài)機中均勻分配CP

12、U負荷。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)行測量。1、初始化運行MED-BPM演示板的第一步是對所需的周邊設(shè)備進行初始化。在main函數(shù)，首先調(diào)用的函數(shù)Init_Sys對USB工作時鐘和中斷進行設(shè)定，然後AFE和軟件計數(shù)器所需的周邊設(shè)備同樣進行初始化以進行初次運轉(zhuǎn)。USB被設(shè)定為CDC（通信類器件），從而啟動USB與主機之間的通信。之後，狀態(tài)機進入無限循環(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，并且器件的動作被視為電腦的虛擬端口來使用。（1）接收指令函數(shù)

13、SerialComm_PeriodicTask是通信類器件的虛擬comport子程序，它被主程序調(diào)用。這個函數(shù)持續(xù)監(jiān)測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對四個請求命令進行辨別。BpmStart/StopMeasurementReq啟動或者停止血壓測量；BpmStart/StopLeakTestReq啟動或者停止袖帶氣體漏的測試。

14、無論執(zhí)行上述哪一個指令，都會根據(jù)通信協(xié)議生成確認數(shù)據(jù)包，以此來表明這個指令已經(jīng)被接收到。在執(zhí)行啟動請求的時候，確認數(shù)據(jù)包同時還包含其是否成功執(zhí)行的信息。圖11顯示了請求指令的流程。圖11請求命令流程圖（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。數(shù)據(jù)包被創(chuàng)立的同時，被存儲在輸出緩沖器中，此時數(shù)據(jù)計數(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，它就會檢查數(shù)據(jù)技術(shù)變量的大小。如果這個變量不為零，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顯示了這個函數(shù)的執(zhí)

15、行流程。圖12SerialComm_SendData函數(shù)流程圖3、測量在執(zhí)行BpmStartMeasurementReq函數(shù)的時候，調(diào)用Bpm_StartMeasurement函數(shù)，它對Bpm進行初始化并執(zhí)行測量。這個函數(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測量數(shù)據(jù)對動脈壓力計算沒有意義，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)定為測量狀態(tài)，以此表明測量的BPM狀態(tài)機已經(jīng)開始執(zhí)行。軟件計時器此時開始每隔10ms獲取ADC采樣。在Bpm_StartMea

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