一種便攜式心血管無創(chuàng)檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯一種便攜式心血管無創(chuàng)檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)-技術(shù)方案目前對心血管健康狀況的檢測方法大多數(shù)是應(yīng)用于醫(yī)院的臨床診斷，有的是有創(chuàng)傷性的，給人體帶來痛苦甚至感染；有的需要醫(yī)生操作，檢測過程非常繁瑣。特別是大多數(shù)心血管功能參數(shù)的檢測儀器比較笨重，價格不菲，不適用于普通家庭用戶的使用。

本文利用半導(dǎo)體壓力傳感器獲得橈動脈處的脈搏波信號，壓力傳感器是工業(yè)實踐中為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)，下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應(yīng)用。另有醫(yī)用壓力傳感器。壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場變化微小（也就說壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。

1檢測原理

人體血液循環(huán)系統(tǒng)包括心、血管系和淋巴系，它是人體內(nèi)一套封閉的連續(xù)管道系統(tǒng)，分布于身體各部。心血管系由心、動脈、靜脈和連于動、靜脈之間的毛細(xì)血管組成，其中有血液循環(huán)流動。心有節(jié)律的收縮，是血液循環(huán)的動力，它將血液射入動脈，流經(jīng)龐大的毛細(xì)血管網(wǎng)，再經(jīng)各級靜脈流回心。血液在毛細(xì)血管內(nèi)流動緩慢，經(jīng)過極薄的毛細(xì)血管壁與周圍的組織和細(xì)胞進行氣體交換和物質(zhì)交換。組織間隙內(nèi)的水分和代謝產(chǎn)物等，除由毛細(xì)血管回收，沿靜脈回流入心外，還有第二條回流渠道，即由淋巴系回流入心。淋巴系由淋巴管道、淋巴器官和淋巴組織構(gòu)成，起于器官和組織內(nèi)呈盲端的毛細(xì)淋巴管，借其回收一部分組織液而成為淋巴液，沿淋巴管回流，由淋巴導(dǎo)管匯入靜脈。血液循環(huán)系統(tǒng)是血液在體內(nèi)流動的通道，分為心血管系統(tǒng)和淋巴系統(tǒng)兩部分，一般我們所說的循環(huán)系統(tǒng)指的是心血管系統(tǒng)。它又由體循環(huán)和肺循環(huán)構(gòu)成。圖1給出了彈性腔分室網(wǎng)絡(luò)理論的示意圖。

2儀器設(shè)計

2.1硬件設(shè)計

心血管功能參數(shù)無創(chuàng)檢測儀的系統(tǒng)框圖如圖2所示。該儀器以32位ARM單片計算機LPC2114為，ARM（AdvancedRISCMachines）是微處理器行業(yè)的一家企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等。ARM（AdvancedRISCMachines）是微處理器行業(yè)的一家企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等。包括傳感器、充/放氣自動控制電路、信號調(diào)理電路、液晶顯示器LCD、外部存儲器、實時時鐘（RTC）電路、鍵盤、電源管理、USB接口等幾部分。

2.1.1嵌入式處理器

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的，是控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元。范圍極其廣闊，從初的４位處理器，目前仍在大規(guī)模應(yīng)用的８位單片機，到的受到廣泛青睞的32位，64位嵌入式CPU。目前世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經(jīng)超過1000種，流行體系結(jié)構(gòu)包括MCU，MPU等30多個系列。鑒于嵌入式系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景，很多半導(dǎo)體制造商都大規(guī)模生產(chǎn)嵌入式處理器，并且公司自主設(shè)計處理器也已經(jīng)成為了未來嵌入式領(lǐng)域的一大趨勢，其中從單片機、DSP到FPGA有著各式各樣的品種，速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64kB到16MB，處理速度快可以達到2000MIPS，封裝從8個引腳到144個引腳不等。常見的嵌入式處理器的比較如表1所示。

考慮到本系統(tǒng)有低成本、低功耗、便攜式的要求，所以選用ARM處理器。ARM處理器的特點是處理速度快、超低功耗、開發(fā)資源豐富、價格低廉易購買，非常適合本系統(tǒng)的要求。具體芯片選擇PHILPS公司的32位ARM處理器LPC2114。ARM處理器是一個32位元精簡指令集（RISC）處理器架構(gòu)，其廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。

2.1.2傳感器

能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)采用兩種傳感器：一個是專門用于血壓測量的壓阻式傳感器。另一個是半導(dǎo)體應(yīng)變片式壓阻傳感器，用于采集腕部的脈搏波。半導(dǎo)體式傳感器[5]主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之廣泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。

血壓傳感器選用臺灣生產(chǎn)的壓阻式傳感器MPS3100，其特性包括：氣壓范圍0-300mmHg，工作溫度范圍-40℃～85℃，易用、易安裝于OEM設(shè)備、低價位SMD封裝，工作電源5V，因此MPS3100是一款非常適合于血壓測量的傳感器。具體電路如圖3所示。

2.1.3信號調(diào)理電路

由于脈搏波信號屬于微弱、低頻信號，幅度只有10mV左右，所以需要設(shè)計兩級信號放大電路。本儀器采用程控放大電路，并根據(jù)采集到的信號大小，利用軟件控制不同的放大倍數(shù)，使信號輸出的幅度在0.8V左右，具體電路如圖4所示。在采集脈搏信號時，必須施加預(yù)壓力，因此檢測到的脈搏信號中包含一直流分量。為了提取到有用的脈搏波信號，在二級放大電路前加了一個電容來濾掉這個直流分量，由IC9高精度運算放大器再次將經(jīng)IC8放大的已經(jīng)不含直流分量的信號放大，并且通過IC7來控制信號的增益。

2.1.4鍵盤和液晶顯示

顯示部分選用青云公司的液晶顯示屏LCM192641，大小為120mm×62mm×12.5mm，其供電電源為5V，帶有背光，控制器是KS0107，STN黃藍(lán)模式。測量之前要求輸入個人的資料，例如：身高、體重、年齡以及時間的調(diào)整以及測量操作需要按鍵。

本設(shè)計采用薄膜鍵盤，它具有外形美觀、防水防塵防腐蝕、壽命長、性能穩(wěn)定、按鍵反應(yīng)靈敏、操作力均勻、無短路現(xiàn)象以及裝配方便的特點。儀器的鍵盤為28矩陣鍵盤，包括10個數(shù)字鍵0～9，4個方向鍵（上、下、左、右），“返回”和“確定”鍵。采用掃描輸入方式。如圖5所示，行線Key1、Key2的一端通過電阻接正電源，另外一端作為輸出端接LPC2114的I/O口。列線DB0～DB8作為輸入端接ARM的I/O口。這樣，當(dāng)沒有鍵按下時，兩路輸出均為高電平。若行線輸出為低電平，一旦有鍵按下，則對應(yīng)輸入的列線電位就會被拉低，通過讀入線的狀態(tài)就知道是否有鍵按下。

2.1.5電源管理

系統(tǒng)采用電池和電源適配器兩種方式供電。供電電池采用四節(jié)1.5V堿性電池，電源適配器采用輸出為6V的適配器，使儀器的使用更加方便。其電路如圖6所示。圖中，P8為電源適配器接口，電源適配器可通過D2和IC17將電壓穩(wěn)定在6V，然后對電池BAT進行充電。

儀器電源的開關(guān)由鍵POWER控制。未開機前，三極管TR16截止，系統(tǒng)內(nèi)部沒有電源供應(yīng)。POWER鍵為點動開關(guān)，按下時Vbat經(jīng)R122和D7接地，三極管TR16導(dǎo)通，電源開始給LPC2114及外圍電路供電。程序運行的過程中，LPC2114始終將VCON置高電平，使TR17導(dǎo)通。雖然此時POWER鍵斷開，但因為TR17導(dǎo)通，使三極管TR16的B極電位拉低，TR16導(dǎo)通，電源仍然正常供電。圖6中，OPEN接到LPC2114的一個外部中斷口，儀器在運行的過程中，按下電源鍵POWER并放開，OPEN產(chǎn)生上跳沿，引起中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中設(shè)置VCON為低電平，使三極管TR17截止，同時三極管TR16也隨之截止，從而切斷電源，實現(xiàn)關(guān)機的功能。

2.2軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、軟件的可移植性并且便于日后升級，32位ARM單片計算機采用嵌入式操作系統(tǒng)是非常必要的。本系統(tǒng)采用源代碼公開的μC/OSII操作系統(tǒng)，μC/OSII具有內(nèi)核小、結(jié)構(gòu)簡單、可移植性和可裁剪性好等優(yōu)點。應(yīng)用程序中包括若干個任務(wù)：液晶顯示、鍵盤掃描、USB通訊、外部存儲、充/放氣控制、測量任務(wù)、打印等，在測量任務(wù)中實現(xiàn)脈搏波和血壓的測量。脈搏波信號和血壓信號是通過兩個獨立的傳感器分別采集處理的，首先采集脈搏波信號，并對其放大、濾波、平均化、歸一化等處理后，計算脈搏波的特征點的特征值并保存；然后采集血壓信號，在放氣過程中，提取脈搏波的峰值組成的包絡(luò)線，利用示波法計算血壓和心率；通過血壓、心率、個人信息和已存的脈搏波特征值推算心血管參數(shù)。

3測試結(jié)果

將本儀器用于人體心血管多參數(shù)的測量，共測量了56例無明顯心血管疾病病史的在校教師和學(xué)生，其中男生30例女生26例；年齡