基于示波法的电子血压计系统设计

医疗检测设备家庭化逐渐成为趋势，其中家用血压计就是典型的家庭医疗检测设备。目前较为常用的血压计是水银血压计，对普通用户，特别是中老年人来说，使用比较困难。过去人们必须到医院测量血压，十分不方便。测量准确、操作简单、携带方便的血压计有利于人们尽早发现和鉴别各类血压病症，及时就医。电子血压计具有成本低、小型化、功耗低、自动化程度高的优点，在使用上带来了便携和易操作的特点，弥补了水银血压计的不足。本文介绍采用LM3S1138作为控制核心、压力传感器MPXV505GP作为信号采集器的电子血压计的设计方法。

1 示波法原理

示波法又称为压力振荡法，其工作过程是先将袖带充气以阻断动脉血流，然后在放气过程中检测袖带内的气体压力并提取微弱的脉搏波。如图1所示，当袖带压力P远高于收缩压时，脉搏波消失，随着袖带压力下降，脉搏开始出现。当袖带压力从高于收缩压降到收缩压Ps以下时，脉搏波会突然增大，在平均压Pm时幅值达到最大。然后脉搏波又随袖带压力下降而衰减。示波法血压测量就是根据脉搏波幅度与袖带压力之间的关系来估计血压的。脉搏波最大值对应的是平均压，收缩压Ps和舒张压Pd分别由对应脉搏波最大幅值的比例来确定。



测量血压时，随着袖带压力的下降血管由阻断变导通，这一过程会在袖带中产生一系列的小脉冲。将小脉冲拾取出来，将其峰值连成曲线，得出包络线，如图2所示。



利用示波法判定收缩压和舒张压的具体方法很多，主要可以归纳为两种：波形特征法和幅度系数法。波形特征法基本原理是利用脉搏波包络线的拐点测量血压，上升时拐点对应的静压力为收缩压，下降时拐点对应的静压力为舒张压。这种方法测量的个体适应性较差，测量精度不稳定，已逐渐被幅度系数法所替代。

幅度系数法又称“归一法”。它是将脉搏波振动信号的幅值与信号的最大幅值相比进行归一化处理，通过确定收缩压和舒张压的归一化系数来识别收缩压与舒张压，如图3所示。其中，As为收缩压对应的脉搏波幅度，Am为平均压所对应的脉搏波的幅度，Ad为舒张压对应的脉搏波幅度，As／Am为收缩压Pd的归一化值，Ad／Am为舒张压Ps的归一化值，Pc为袖带压力，横坐标代表放气过程中袖带内压力的不断减小。As／Am=C1，Ad／Am=C2，分别对应收缩压和舒张压的位置。根据测得的脉搏波幅值和对应的静压力，就可以得出收缩压Ps、舒张压Pd和平均压Pm。一般收缩压的幅度系数为0.46～0.64，舒张压的幅度系数为0.43～0.73。



收缩压判据的确定：在充气过程中脉搏波幅度包络线的上升段，当某一个脉搏波的幅度Ui与最大幅度Um之比Ui／Um=Ks时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。即Ps=P∣Ui=Ks·Um。

舒张压判据的确定：在脉搏波幅度包络线的下降段，当某一个脉搏波的幅度Ui与最大幅度Um之比Ui／Um=Kd时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。即Pd=P∣Ui=Kd·Um。

心率指心脏每分钟搏动的次数。由于心脏与脉搏搏动一致，所以在测量血压的同时可以测得心率。测定心率的关键是判断脉搏波的峰值，然后根据一定时间内有多少个脉搏波计算出心率。

2 系统硬件设计

2.1系统总体结构

如图4所示，系统硬件主要包括：LM3S1138控制器、气泵、滤波放大电路、报警电路、存储模块、键盘模块及液晶显示模块等。



气动电路主要完成对外界施加压力的控制及压力信号数据的采集；放大滤波电路主要完成从混合血压信号中滤出脉搏信号，并对脉搏信号进行放大；存储模块主要用于测量记录的存储；报警电路用于异常情况下的声光报警提示；显示模块用于显示血压测量数据及血压历史记录；键盘模块用于系统设置参数的输入。

2.2 气动电路

气动电路由袖带、气泵、压力传感器和放气阀构成，它们构成一个四联通的结构。压力传感器输出的两路信号分别与主控制器两路A／D相接，完成静压信号和脉搏信号的测量；气泵和放气阀由主控制器经驱动芯片直接控制，完成测量时候的充放气。

2.2.1 压力传感器

人体生理信号的特点是低频小信号，一般是μV～mV级的，频率范围是0～300 Hz，信噪比低，因此选择一个性能良好的传感器就非常重要。

MPXVS050GP压力传感器内部含有信号运放和信号调节功能，具有良好的线性度，输出电压与所加压力成正比关系，可以进行片上补偿，并且其温度补偿特性能克服半导体压力敏感器件存在的温度漂移问题。它可以直接将动脉血液对血管壁的压力转换为0～4.7 V的电信号，对应的血压值为0～375 mmHg，与血压计的设计要求非常匹配，因此特别适合示波法压力测量。图5为MPXV5050GP压力传感器输入、输出线性对应关系。