基于示波法的电子血压计系统设计

2.2.2 驱动电路设计

图6为气路驱动电路。HLPM30A气泵和HLV01A电磁阀的工作驱动电流分别为450 mA和75 mA，控制气泵和电磁阀工作的信号由LM3S1138控制器发出，而LM3S1138控制器的数字I／O输出电流不能满足要求。因此，为给气泵和电磁阀提供合适的驱动电流，采用可输出500 mA电流的达林顿管ULN2803驱动电路来驱动气泵和电磁阀工作，分别利用ULN2803的第1路、第2路来驱动电磁阀和气泵。



2.2.3 滤波放大电路

从压力传感器出来的信号是脉搏信号和静压信号的混合信号，还夹杂着来自外界的高频干扰和直流或低频分量。静压信号属低频信号，频率小于或等于0.04 Hz，脉搏信号频率一般约为1 Hz。虽然所选的压力传感器具有放大功能，但是对脉搏振荡信号的放大有限，因此主要是静压信号。将混合信号分为两部分接入LM3S1138控制器，一路直接连接A／D转换器进行模／数转换，得到静压信号数据；另一路通过带通滤波放大电路后进行模／数转换，得到放大的脉搏信号数据。

如图7所示，滤波器由2个决定截止频率的RC网络组成。这两个截止频率由以下公式计算。





考虑到低血压患者的血压、心率比正常人低，又要保证滤除干扰分量，故这里设定脉搏波频率为0.5～5 Hz，因此取R1=1 kΩ，C1=33μF，R3=1 MΩ，C2=0.33μF。

此电路不仅可以提取出所需的脉搏信号，还对微弱的脉搏信号进行了放大。脉搏信号的强度因人而异，但一般范围为1～3 mmHg。根据压力传感器MPXV5050GP的传递函数，这个压力信号转换的电压信号为12～36 mV。由于滤波器在1 Hz信号处衰减10 dB，因此振荡波信号变成3.8～11.4 mV。经过试验测试，将放大器的放大倍数设定为150，使得信号变化范围定位在LM3S1138的A／D转换灵敏度较高的区域，可以提高数据采集的精度。

3 系统软件设计

3.1系统工作主流程

系统工作主流程如图8所示，其中测量工作模式为默认模式。



血压测量模式下，完成血压的测量显示，并对测得的血压数据进行分析，若有异常(血压偏高、血压偏低、心率较慢、心率较快、错误测量等)，立即进行报警提示。报警条件：

①收缩压＞145 mmHg或收缩压＜95 mmHg；

②舒张压＞90 mmHg或舒张压＜45 mmHg；

③心率＞105或心率＜45。

测量完毕后，提示是否保存数据。系统最多可以对16组数据资料进行存储，每组可存331条记录。

查看记录操作模式下，可以调出16组血压数据列表或生成日、周、月血压情况的折线图，便于对某一段时期血压变化情况进一步的观察和分析。

　　3.2血压测量流程

血压测量采集和处理过程中，有以下几组重要的序列和数据。设原始静压信号序列为{statk_BP[ i]，i=0，1，…，n-1)，脉搏信号序列{pluse_BP[ i]，i=0，1，…，n-1}。经过归一化后，峰值序列{peak_BP[ i]，i=0，1，…，n-1}，峰值包络中最大值为max_peak。峰值时间间隔序列为{time_peak[ i]，i=0，1，…，n-1)。　

如图9所示，测量模式下，气泵自动加压进行充气，当袖带中压力至大于或等于200 mmHg，无脉搏信号出现时，停止充气，袖带中气体缓慢释放。每隔5 ms采集1次脉搏信号值，在检测到第1个峰值后，以周期为5 ms采集脉搏信号值和静压信号值，分别获得静压信号序列static_BP[ i]和脉搏信号序列pluse_BP[ i]，并判断采集的脉搏信号值是否为峰值。若是峰值，则记录此时的脉搏信号值和静压信号值，以及从上一个峰值到当前时刻的时间差，分别生成序峰值序列peak_BP[ i]和峰值时间间隔序列time_peak[ i]。一般，当袖带压力Pc≤60 mmHg时，脉搏信号峰值消失，当连续4 s内检测不到脉搏信号峰值，系统退出本次血压测量。



3.3血压和心率计算流程

示波法血压测量没有完善的理论推导，使得特征点的确定只能依赖采集样本的统计归纳，因而示波法测量血压是基于统计的方法，有一定的离散性。如图10所示，数据处理过程主要包括滤波处理、心跳周期的计算、平均压力位置的确定、收缩压和舒张压的计算4个重要部分。



滤波处理主要用于对峰值序列peak_BP[ i]中相邻跳变较大的数据进行滤除噪点处理优化，增加原始数据的线性度。

心跳周期，指2个脉搏波峰值的时间间隔。为提高结果的准确性，对放气过程中的峰值时间间隔序列time_peak[ i]取算数平均值，得到平均周期Ta，则心率为R=1／Ta。

平均压力值，指脉搏信号的包络的峰值位置对应的静压值。通过对滤波处理的峰值序列相邻数据进行比较，可以得到脉搏信号包络的峰值max_peak=peak_BP[a]，则血压的平均压力值Pm=static__BP[a]。

根据幅值系数法原则，Ps／Pm=Ks和Pd／Pm=Kd。由于收缩压和舒张压在静压曲线中位置由脉搏信号峰值包络确定，可得出：peak_BP[ b]／max_peak=Ks和peak_BP[c]／max_peak=Kd。对应的b和c的值，就是收缩压和舒张压在静压序列中的位置，即收缩压Ps=static_BP[ b]和舒张压Pd=static_BP[c]。其中，医学临床普遍采用的幅度系数数值，即Ks=0.48，Kd=0.58。