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)本文敘述怎樣使用Freescale（以下稱為飛思卡爾）MCU設(shè)計(jì)血壓計(jì)，飛思卡爾供給數(shù)款針對(duì)醫(yī)療電子的MCU，包含MK53N512、MC9S08MM128和MCF51MM256，集成16bit的模擬數(shù)字變換器（ADC）、12bit的數(shù)字模擬變換器（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)還可以在辦理信號(hào)的時(shí)候履行DSP指令，MCF51MM系列產(chǎn)品則能履行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)施開(kāi)發(fā)人員，或許任何擁有醫(yī)學(xué)實(shí)踐并對(duì)血壓計(jì)工作原理感興趣的人供給參照信息。自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)的基來(lái)源理第一介紹動(dòng)脈壓力的生理學(xué)觀點(diǎn)以及血壓計(jì)的工作原理。1、動(dòng)脈壓力動(dòng)脈壓力（ArterialPressure）是指血液在動(dòng)脈血管中施加的靜水壓力hydrostaticpressure），這是左心室縮短產(chǎn)生的結(jié)果。動(dòng)脈縮短壓SystolicArterialPressure，SAP）是指心臟縮短的時(shí)候動(dòng)脈形成較高的血壓；舒張期動(dòng)脈壓（DiastolicArterialPressure，DAP）是指在心臟舒張的時(shí)候形成的最低血壓。正常成人歇息狀態(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（bloodflow）指的是在單位時(shí)間

3、內(nèi)（往常以mL/min表示）流經(jīng)隨意器官組織的血液流量，血液將氧和其余營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳遞給器官組織。血壓的大小直接影響血流量，由于血液老是從高壓的地區(qū)流向低壓的地區(qū)，兩個(gè)地區(qū)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)，血壓漸漸降低直到為0mmHg，此時(shí)血液回到右心房（rightatrium）。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（oscillometricmethod），在丈量過(guò)程中，示波法利用獲取的壓力脈沖信號(hào)來(lái)獲取血壓值。袖帶（occludingcuff）與氣泵和壓力傳感器相連，袖帶在

4、使用過(guò)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，然後袖帶才漸漸放氣。由於袖帶的放氣，當(dāng)脈搏壓力抵達(dá)必定數(shù)值的時(shí)候，就開(kāi)始出現(xiàn)脈動(dòng)（pulsation）。脈動(dòng)的大小代表了由於心臟縮短而產(chǎn)生的壓力變化，它被用於計(jì)算心跳的速率。脈動(dòng)的振幅漸漸增大到均勻動(dòng)脈壓（MeanArterialPressure，MAP），然後遲緩降落到零。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，示波法經(jīng)過(guò)獲取袖帶壓力來(lái)確定均勻動(dòng)脈壓MAP）的大小?？s短和舒張的數(shù)值能夠使用特別算法計(jì)算，不一樣的醫(yī)療設(shè)施開(kāi)發(fā)商有

5、不一樣的算法?；讹w思卡爾芯片的血壓計(jì)在計(jì)算收縮和舒張的數(shù)值主要依據(jù)以下原則當(dāng)脈沖的振幅為MAP的70%的時(shí)候，此時(shí)丈量獲取的壓力就近似為縮短壓力，而且袖帶壓力大於MAP；近似的，脈沖振幅為MAP的50%時(shí)，此時(shí)存放器內(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KinetisK53和FlexisMM系列MCU實(shí)現(xiàn)的血壓計(jì)，除了文章開(kāi)頭所提到的幾個(gè)構(gòu)成部分以外，在性能方面還擁有其余特色，比方K5X系列的產(chǎn)品還還支持包含MAC在內(nèi)的DSP指令會(huì)合，MCF51MM也擁有履行MAC指令的功能。飛思卡爾企業(yè)醫(yī)療用途的MCU可降低醫(yī)療設(shè)施的BOM成本，兼具最正確的辦理

6、能力。只要要少數(shù)的外面器件進(jìn)行壓力感覺(jué)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聯(lián)合使用。MED-BPM與MCU之間的通訊使用專用連結(jié)器，使用飛思卡爾配套推出的Tower系統(tǒng)更能夠迅速的制作出產(chǎn)品原型，加快產(chǎn)品的上市時(shí)間。MED-BPM的構(gòu)造見(jiàn)圖3。圖3MED-BPM的構(gòu)造（1）醫(yī)療連結(jié)器demo板塊中使用到的醫(yī)療器材連結(jié)器是標(biāo)準(zhǔn)器件，demo板塊的型號(hào)為TWR-9S08MM、TWR-MCF51MM和TWR-K53。連結(jié)器包含用於醫(yī)療用途的最重要的模擬周邊設(shè)施，以及I2C接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。表歸納了醫(yī)療連結(jié)器信號(hào)特征。（

7、2）袖帶壓力控制MED-BPM使用示波法進(jìn)行血壓的丈量，這是一種無(wú)創(chuàng)傷（noninvasive）的方法，它使用外面袖帶緊箍病患者的手臂，檢測(cè)縮短和舒張動(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。由于USB端口供給的電流（500mA）不足以驅(qū)動(dòng)氣泵和閥門（600mA），所以它們一定要由外部電源以獲取足夠的電流進(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)零件的連結(jié)，如圖4所示，光耦器件的輸出被連結(jié)到MOSFET，MOSFET相當(dāng)於一個(gè)開(kāi)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)零件的連結(jié)電路（3）外面連結(jié)器在MED-BPM上

8、，除了光耦器件和開(kāi)關(guān)電路以外，還有外面氣泵的連結(jié)器、閥門和電池。這就同意使用MCU信號(hào)控制外面的元器件。氣泵電機(jī)和閥門使用兩個(gè)AA電池進(jìn)行供電，由於USB輸出不可以供給足夠的電流驅(qū)動(dòng)，圖5顯示連結(jié)器引腳的布局。圖5連結(jié)器引腳功能（4）壓力傳感器示波法的實(shí)質(zhì)就是丈量袖帶的壓力變化，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，此傳感器供給高輸出信號(hào)和溫度賠償能力。MP3V5050的主要特征見(jiàn)表2，MP3V5050的輸出信號(hào)與輸入壓力信號(hào)成比率。在應(yīng)用電路中，此傳感器可直接與放大電路連結(jié)。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、緩沖電路、同相放大器構(gòu)成，

9、見(jiàn)圖6。濾波器為一階RC無(wú)源電路，其截止頻次能夠由公式fc=1/2RC進(jìn)行計(jì)算。信號(hào)經(jīng)過(guò)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，主要為了除去高頻噪聲。之後，信號(hào)傳輸?shù)骄彌_電路，緩沖電路就是一個(gè)獨(dú)自的運(yùn)算放大器，它連結(jié)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)行丈量，然後信號(hào)再次由2.2Hz的RC高通濾波器進(jìn)行濾波辦理，移除高頻噪聲，獲取比較干凈的信號(hào)傳輸?shù)结崦娴姆糯箅娐贰Ｐ盘?hào)放大電路為同相放大器，包含二階運(yùn)算放大器、兩個(gè)電阻（100k和1k），形成101的增益，以便能更為有效的辨別袖帶的振動(dòng)。這部分電路之後，信號(hào)進(jìn)行10Hz的RC低通濾波電路，再次進(jìn)行高頻信號(hào)的過(guò)濾。

10、圖6濾波和放大電路2、功能描繪MED-BPMdemo板使用近似於示波法的丈量方法，即所謂的斜坡上漲Ramp-Up）方法，在袖帶充氣的過(guò)程中進(jìn)行丈量。ramp-up方法相同需要將袖帶密切的箍住左手臂，接著放氣閥門被封閉，氣泵開(kāi)始給袖帶充氣。見(jiàn)圖7，在充氣的同時(shí)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)袖帶的壓力，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，進(jìn)而獲取袖帶的壓力振動(dòng)。圖7壓力振動(dòng)電路連續(xù)監(jiān)測(cè)這些振動(dòng)，每個(gè)振動(dòng)獲取主要的袖帶壓力，而且保留振動(dòng)的幅度。但壓力抵達(dá)最大值的時(shí)候，電機(jī)停止充氣，閥門開(kāi)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。第一，檢測(cè)全部脈沖信號(hào)，而且找出幅度最大的脈沖信號(hào)，由于它代表MAP。在將這個(gè)脈沖信號(hào)被標(biāo)

11、志為MAP的時(shí)候，記錄袖帶的壓力。利用上述計(jì)算方法，計(jì)算出縮短脈動(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軟件貨倉(cāng)，能夠被視為USB通訊類器件（CDC）。演示板使用的狀態(tài)機(jī)（statemachine）每個(gè)周期履行一個(gè)狀態(tài)，防止CPU的挾持和仿真并行辦理。圖8顯示了軟件的模型。圖8軟件模型每個(gè)狀態(tài)機(jī)（statemachine）是MCU一定履行的任務(wù)。系統(tǒng)能夠履行幾個(gè)任務(wù)，只有目前任務(wù)在FIFO序列中達(dá)成以後，才能履行下一個(gè)任務(wù)。每個(gè)狀態(tài)機(jī)包含幾個(gè)子狀態(tài)機(jī)（sub-statemachine），這就同意將這幾個(gè)子狀態(tài)機(jī)中均勻分派CPU負(fù)荷。就像前面提到的那樣，軟件基於

12、飛思卡爾的USB貨倉(cāng)和PHDC。MED-BPM演示板的軟件分為三部分初始化；與電腦的通訊；履行丈量。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)施進(jìn)行初始化。在main函數(shù)，第一調(diào)用的函數(shù)Init_Sys對(duì)USB工作時(shí)鐘和中止進(jìn)行設(shè)定，然後AFE和軟件計(jì)數(shù)器所需的周邊設(shè)施相同進(jìn)行初始化以進(jìn)行初次運(yùn)行。USB被設(shè)定為CDC（通訊類器件），進(jìn)而啟動(dòng)USB與主機(jī)之間的通訊。之後，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入無(wú)窮循環(huán)履行狀態(tài)。（圖9）圖9初始化2、與電腦的通訊電腦經(jīng)過(guò)USB與器件連結(jié)，器件的工作被設(shè)定為CDC，而且器件的動(dòng)作被視為電腦的虛構(gòu)端口來(lái)使用。（1）接收指令函數(shù)SerialComm_Periodi

13、cTask是通訊類器件的虛構(gòu)comport子程序，它被主程序調(diào)用。這個(gè)函數(shù)連續(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)包能否切合通訊協(xié)議。怎樣切合協(xié)議，函數(shù)檢查懇求指令并開(kāi)始履行。圖10顯示了SerialComm_PeriodickTask函數(shù)的履行流程。圖10圖10SerialComm_PeriodicTask函數(shù)流程圖（2）履行指令MED-BPM對(duì)四個(gè)懇求命令進(jìn)行鑒別。BpmStart/StopMeasurementReq啟動(dòng)或許停止血壓丈量；BpmStart/StopLeakTestReq啟動(dòng)或許停止袖帶氣體漏的測(cè)試。不論履行上述哪一個(gè)指令，都會(huì)依據(jù)通訊

14、協(xié)議生成確認(rèn)數(shù)據(jù)包，以此來(lái)表示這個(gè)指令已經(jīng)被接收到。在履行啟動(dòng)懇求的時(shí)候，確認(rèn)數(shù)據(jù)包同時(shí)還包含其能否成功履行的信息。圖11顯示了懇求指令的流程。圖11懇求命令流程圖（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)辦的同時(shí)，被儲(chǔ)存在輸出緩沖器中，此時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)變量增添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。假如這個(gè)變量不為零，那麼就表示輸出緩沖器中仍舊有信息需要發(fā)送。這個(gè)函數(shù)調(diào)用CDC接口、USB貨倉(cāng)零件和PHDC來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)包。圖12顯示了這個(gè)函數(shù)的履行流程。圖12SerialComm_

15、SendData函數(shù)流程圖3、丈量在履行BpmStartMeasurementReq函數(shù)的時(shí)候，調(diào)用Bpm_StartMeasurement函數(shù)，它對(duì)Bpm進(jìn)行初始化并履行丈量。這個(gè)函數(shù)第一重置全部參數(shù)確定初始化的狀態(tài)，然後設(shè)定ADC的分辨率為12bit。由於初次ADC丈量數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)脈壓力計(jì)算沒(méi)存心義，所以這些采樣數(shù)據(jù)能夠被忽視。BpmIgnoreSamplesCounter和必定數(shù)目的采樣一同加載。BpmActualState函數(shù)被設(shè)定為丈量狀態(tài)，以此表示丈量的BPM狀態(tài)機(jī)已經(jīng)開(kāi)始履行。軟件計(jì)時(shí)器此時(shí)開(kāi)始每隔10ms獲取ADC采樣。在Bpm_StartMeasurement函數(shù)中，BPM狀態(tài)機(jī)

16、從待機(jī)狀態(tài)中離開(kāi)出，而且開(kāi)始進(jìn)行丈量。在履行下個(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，為了防止袖帶過(guò)分膨脹對(duì)人體造成損害，就需要不停的檢查袖帶壓力，而且將這個(gè)壓力與最大參照值進(jìn)行比較。由於40mmHg以下獲取的第一個(gè)采樣信息沒(méi)有參照價(jià)值，所以這些采樣信息在第一個(gè)sub-state中能夠忽視不計(jì)。采樣計(jì)數(shù)器被早先設(shè)定，用來(lái)顯示被忽視的采樣數(shù)目。圖13StateMeasuring函數(shù)流程在第一個(gè)采樣被忽視之後，程序搜尋主袖帶壓力的振動(dòng)。經(jīng)過(guò)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)。假如新的采樣比前一個(gè)采樣大，那麼新的采樣就被設(shè)定為實(shí)質(zhì)脈沖的較高點(diǎn)，向來(lái)到更高采樣點(diǎn)的出現(xiàn)。假如在五個(gè)采樣之後，新的采樣點(diǎn)比前一個(gè)小，那麼能夠以為這個(gè)脈沖正在降落，此時(shí)將進(jìn)入找尋最低點(diǎn)的過(guò)程。在最大和最小脈沖都被確定之後，計(jì)算出它們的振幅，振幅和同時(shí)丈量獲取的主袖帶壓力一同儲(chǔ)存在