基于上气测量的电子血压计的设计与实现

2015-02-16 19:56:40来源: 《计算机系统应用》
    随着人口老龄化问题的加重,家庭医疗监护拥有越来越广泛的市场。而血压作为反映心血管系统和心脏状态的重要的生理参数,也就成为家庭医疗监护的重要内容。传统水银血压计虽然被认为是测量血压的金标准,但由于其测量需要经过培训且携带不方便,因此电子血压计受到广泛关注。

  电子血压计的测量方法包括:示波法、恒定容积法、柯氏音法、双袖带法、超声法、张力法、脉搏波速法、多参数回归法等[1]。在所有方法中,示波法由于其理论成熟且易于实现,成为血压仪制造商的首选。

  基于示波原理测血压的方法又可分为两大类:一类称为波形特征法,通过分析脉搏波包络的波形特征来判别血压;一类称为幅度系数法,通过分析脉搏波的幅度之间的比例关系来判别血压。由于波形特征难识别[2],故第二类方法要比第一类方法易实现。

  至今,示波法血压仪经历了三代技术革新。第一代,气泵给袖带快速加压到某一压力值,通过气芯按3~5mmHg/s的速度放气,在放气的过程中进行血压测量;第二代,较第一代,据被测者血压进行智能加压,气芯改为电子定速排气阀,放气速度更准确;第三代,气泵匀速加压,并在加压的过程中进行血压测量。前两代技术称为下气法,第三代称为上气法。国内主流做法是采用第一代技术,缺点是气芯放气不均匀,影响测量结果的准确性,以日本为主的国际主流做法是采用第三代技术,其优点是测量时间短,手腕感觉舒适,缺点是测量时有电机工作和袖带膨胀干扰,对滤波算法要求高[3]。

  基于计算量和测量精度的考虑,本系统采用幅度系数法及上气测量技术。因为血压测量过程中会产生脉搏波,因此除收缩压、舒张压外,心率也是本系统的一个重要测量参数。

  1.上气测血压的原理

  如前所述,上气测血压是在电机给袖带加压的过程中进行血压测量。在此过程中,利用传感器采集相应袖带压,此袖带压即认为是血压与脉搏波的混合信号。对混合信号带通滤波得到脉搏波,由于脉搏波的幅值比血压的幅值小的多,故混合信号可估计为血压信号,利用脉搏波幅值的比例关系得到血压信号对应的特征点为收缩压与舒张压。详细描述如图1所示,图中横轴表示时间,单位为s,纵轴表示袖带压,单位为mmHg。由于袖带压很小时很难滤得脉搏波,故加压过程可分为两个阶段。第一阶段(图中0~t1时间段),控制电机给袖带快速加压到约40mmHg,加压速度一般为10mmHg/s,得到图中OA直线表示的袖带压。第二阶段,控制电机给袖带慢速加压,加压速度一般为2~3mmHg/s,得到图中AB曲线段表示的袖带压。并通过滤波得到相应的脉搏波,即图中蓝色波动曲线。脉搏波波峰的最大值Am对应的袖带压记为平均压pm。脉搏波波峰的最大值的左边,峰值幅值为Ad=Am*kd(kd为舒张压特征系数)的脉搏波对应的袖带压pd记为舒张压。脉搏波波峰的最大值的右边,峰值幅值为As=Am*ks(ks为舒张压特征系数)的脉搏波对应的袖带压ps记为收缩压。心率的定义为每分钟得到的脉搏波的个数,由此阶段得到的脉搏波个数及所需时间,计算出心率。第三阶段,计算出收缩压、舒张压、心率后,快速放气[4]。

图1 上气测血压原理图

  在此需要强调的是,第二阶段只要加压到待测个体的收缩压,就可转到第三阶段放气。而下气测血压一般要加到160mmHg以上,远高于正常的收缩压范围。因此较下气测血压,上气测量方法所需时间缩短,被测者的舒适感增强。

  2.硬件、软件整体设计

  2.1硬件整体设计

  硬件整体设计如图2,由于单片机ATmega128丰富的片上及外设资源,本系统在其上连接气泵、气阀、袖带、压力传感器来实现袖带压的采集。由单片机实现测量算法,单片机上连接显示设备及按键来增加人机交互功能,连接串口实现与PC机的通信。

  图2血压计硬件整体框图

    2.2软件整体设计

  软件测血压的关键算法流程图如图3,在此需要说明的是:第一,初始化包括对定时器、显示器、电机、压力传感器的初始化。初始化时,控制电机快速充气,快速充气到40mmHg时才转为慢充气。第二,判断采样时间是否达到,可通过设置相应TCNTn寄存器的初值与相应定时器溢出中断得到。第三,转为慢速充气后,前50个袖带压采样值滤波得到的脉搏波误差较大,因此将其置0。第四,并不是保存所有采样及滤波得到的袖带压和脉搏波,而只保存滤波后脉搏峰值所对应的袖带压及脉搏波,这两个数组的下标即为该脉搏峰值在所有峰值中的位置。根据这两个数组,应用上气测压原理即可求得收缩压、舒张压。第五,求心率通过计算第一个脉搏波峰值到第21个峰值之间的袖带压采样个数bp_count,然后应用心率的定义得到。通过实验,我们选采样周期100ms,故心率计算公式为:心率/60=20/(0.1*bp_count),即心率=1200/bp_count。

  图3血压计软件整体流程图

  3核心模块的实现

  3.1智能控制加压模块的实现

  对于上气法测量血压,一个关键技术是如何控制电机按要求的速度来加压充气。这里要用到ATMEGA128单片机的相应引脚的第二功能以及单片机的快速PWM工作模式。由图4可知引脚PB4的第二功能是T/C0的输出比较和PWM输出。工作于快速PWM模式时,比较单元可以在PB4引脚上输出PWM波形。具体产生波形的机理,可如图5所示,双缓冲的输出比较寄存器OCR0一直与T/C(TCNT0)的数值进行比较,OC0寄存器在比较匹配时清零,在计数器清零时置位,依据OC0控制PB4引脚来产生PWM波,以此波形控制电机工作的平均电压,使其按要求的速度加压充气。因此,所谓快、慢速充气,即是设置不同的OCR0寄存器值。

  图4ATmega128的引脚

  图5快速PWM模式时序图

    3.2滤波模块的实现

  和下气法测血压相比,上气法测血压是在电机加压的同时采集相应的袖带压。因此电机工作的扰动和袖带膨胀摩擦造成的干扰对采集数据影响较大。这就对其滤波算法要求更严格。由于低阶butterworth滤波器良好的线性相位特性、平坦的幅频响应特性、高度稳定性、快速的响应特性,本系统选用二阶butterworth滤波器。对于滤波器参数的选择,因为滤波器的作用是从袖带压和脉搏波及一些电机等的扰动的混合信号中滤得脉搏波信号。袖带压是低频信号,而脉搏波的频率范围0.5~60HZ,但九成多的脉搏波频率在5HZ以下。因此选用0.5~3.5HZ的二阶butterworth带通滤波器,从混合信号中滤得脉搏波信号。

  对滤波器的实现,通过硬件和软件实现均可,为简单起见,本系统选择软件实现。如2.2所述,在满足采样个数的前提下,选用采样频率fs为10HZ。又因为选用的是通带为0.5~3.5HZ的二阶butterworth滤波器。故可在matlab中如下设计滤波器:n=2;wn=[0.53.5]/(fs/2);[b,a]=butter(n,wn);[y,t]=impz(b,a);Result=conv(y,bp)。其中bp即为通过压力传感器采集到的袖带压,Result即为袖带压和设计出来的butterworth滤波器的系数y做卷积得出的脉搏波。matlab演示得图6所示袖带压及相应滤波得到的脉搏波。将matlab实验得到的butterworth滤波系数y保存,应用到本系统的程序中,与传感器采集到的袖带压做卷积,即实现滤波,得到相应的脉搏波信号,进而计算出收缩压、舒张压。

  图6 0.5~3.5HZ的二阶butterworth带通滤波

  3.3收缩压、舒张压计算模块的实现

  因为选用的血压计算方法是幅度系数法,所以计算模块的关键是特征系数ks、kd的选择。对此,不同的机构选择不同。复旦大学的包旭鹤选ks=0.5,

  kd=0.8[5];上海医用仪表厂选ks=0.58,kd=0.77[6];国立交通大学的博士Chin-TengLin利用分析器,产生标准的平均压MAP=90mmHg、SP=120mmHg、DP=80mmHg、对应的脉搏波-袖带压(OA-PC)曲线,在OA最大值OA_MAX对应的PC曲线处标定为MAP(90mmHg),依据此标定刻度,按比例在PC曲线上找出SP、DP,并记下SP、DP对应的OA曲线上相应脉搏波的幅值OAS、OAD,记ks=OAS/OA_MAX,kd=OAD/OA_MAX。重复此过程多次,得到特征系数均值为ks=0.55,kd=0.7[7];JMoraes提出据平均压的大小,决定ks、kd,具体如下表[8]。TakashiUsuda在基于上气的示波法测量中,给定ks=0.5,0.55<=kd<=0.69[9]。可见,系数选择均是经验总结,我们选用的是上气测量,因此在TakashiUsuda研究的基础上,根据测量结果调整系数,进而计算出收缩压、舒张压。

  表1 JMoraes总结的ks、kd据平均压的分布

  3.4单片机与PC端通信模块的实现

  为分析实验测得的袖带压及滤波得到的脉搏波,需要实现单片机与PC端的通信。在此,选择串口通信。因为PC串口输出电压为RS232电平(可高达15V),单片机应用的是TTL电平(5V以内),两者直接相连,会烧坏单片机。因此应用MAX232芯片提供电平转换,具体原理图如图7。MAX232芯片只需要四个外接电容及一个+5V电源,就可提供两路(图中只用了一路)TTL到RS232电平的转换。

图7 单片机与 PC 端通信原理图

  搭建好硬件连接后,软件只需实现串口初始化、传送数据的函数,就可在PC机上利用串口助手接收相应的数据,接收效果图如图8。需要注意的是,串口助手设置的波特率、校验位、数据位、停止位要和串口初始化函数中相应的设置一致,否则会出现乱码。

  图8串口接收效果图

    4.结果验证

  最终我们利用此上气测量方法与听诊法对20名患者同时进行血压测量,测量结果如表2。表2中数据均采用平均值士标准差的表达形式。由表可知,两种测量方法的收缩压、舒张压、心率的误差的平均值与标准差依次为(3.3士4.40)mmHg和(2.1士4.9)mmHg、(-3.8士4.1)次/分。可见误差平均值<5mmHg,误差标准差<8mmHg,符合AAMI标准[10]。

  表2 测量结果比较

  5.结语

  为解决下气测血压加压的最大值过高、加压时间过长的缺点,设计并实现了基于上气测量的血压仪,经验证,该系统测量时间可缩短到30s,加压的最大值只需加到个体的收缩压范围(120mmHg左右),而传统下气测量测量时间一般多达1分钟,加压的最大值多达160mmHg。测量精度符合AAMI标准。下一步工作,将具体研究如何对测量中由一些扰动产生的伪脉搏波进行剔除,来提高系统的抗干扰能力。

  作者:王维维,蒲宝明,贺宝岳,李生金

  (中国科学院研究生院,北京 100049)

  (中国科学院沈阳计算技术研究所,沈阳 110168)

 


 

关键字:设计  实现

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2015/0216/article_5527.html
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