皮喜田 李雙雙 劉洪英（重慶大學生物工程學院，重慶 400030）

2（重慶大學生物流變科學與技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400030）

引言

近年來，隨著生活水平的提高和生活壓力的增大，高血壓已成為人類的最大殺手。據(jù)世界衛(wèi)生組織預測，發(fā)達國家的高血壓患病率增加了23％，而發(fā)展中國家這類疾病增加了80％［1］。血壓是人們監(jiān)測心腦血管功能狀況的重要參數(shù)，血壓計給人們提供了直觀的血壓生理信息。目前，血壓計的測量技術(shù)發(fā)展成熟，市場上血壓檢測的新產(chǎn)品如雨后春筍。常用的血壓檢測設(shè)備都是基于單片機設(shè)計的，具有操作簡單、成本低廉等優(yōu)點，但是在處理速度、系統(tǒng)功耗、智能控制上還存在一定的缺陷。血壓檢測關(guān)注的是一段時期內(nèi)血壓的動態(tài)變化，需要連續(xù)動態(tài)地監(jiān)測患者的血壓信息，這對于檢測結(jié)果的存儲容量來說是一種考驗。對于那些長期受到心血管疾病困擾的患者來說，頻繁地奔波于醫(yī)院就診也是一種折磨。因此，研制一種能準確檢測人體血壓、低功耗、大容量且能進行遠程通信的血壓檢測設(shè)備來說，具有重要的經(jīng)濟和社會意義。嵌入式系統(tǒng)醫(yī)用電子中的廣泛運用，數(shù)字信號處理（digital signal prossing，DSP）其低功耗和高運算速度，而被日益廣泛地運用在便攜式醫(yī)療電子設(shè)備當中。本研究設(shè)計了一種基于TI公司的TMS320VC5402的新型血壓采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用5402 DSP的片內(nèi)資源和外圍電路的擴展功能，實現(xiàn)人體血壓的連續(xù)檢測、顯示和存儲等功能，還具有很強的電源管理和基線調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)硬件主要由電源部分、信號采集部分、外部RAM存儲模塊、USB接口電路［2］和顯示部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的主控芯片采用5402，其豐富的地址和數(shù)據(jù)總線可以方便的對外設(shè)（主機接口、直接存儲器訪問、多通道緩沖串行口等）進行存儲和訪問。信號采集部分包括信號采集、濾波放大和A/D轉(zhuǎn)換等部分。傳感器采集的壓力信號和脈搏波信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送DSP處理，處理后的數(shù)據(jù)送液晶屏顯示并可通過USB送PC機，用戶可以通過計算機把采集到的數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)生進行會診［3-4］。DSP處理核心模塊如圖2所示。

圖1 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The block diagram of hardware system

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 信號采集部分

人的心臟在射血過程中，主動脈的輸出能加速存在于血管中的整個血液的流動，而血液的慣性則阻礙這個過程，即加速作用只影響到主動脈起始段中的血液，并在此處使壓力升高，引起壓力與脈搏。因此，可以通過檢測人體某些淺表動脈處（橈動脈、頸動脈等）的脈搏波，用壓力傳感器的描記方法，檢測動脈血管直徑的變化，并配合袖套血壓計的收縮壓和舒張壓標定，達到無創(chuàng)傷提取動脈管內(nèi)血壓信息的目的，并計算出心率［5］。其信號采集原理為：當心臟射血時，血液流經(jīng)血管對管壁產(chǎn)生壓力和脈搏波，通過壓力傳感器和脈搏波血氧探頭，將壓力信號和脈搏波信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。兩路信號通過DSP控制的二選一開關(guān)選通后，經(jīng)放大濾波送A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送DSP處理，由此得到可以用計算機進行運算的血壓信息，信號采集部分如圖3所示。壓力傳感器選用美國IC SENSOR公司的無創(chuàng)測血壓傳感器，此傳感器采用恒流源和溫度補償方法，具有穩(wěn)定度高、精確度好、成本低和溫漂小的優(yōu)點。脈搏波信號通過橈脈壓力傳感器采集后經(jīng)濾波放大，再通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供DSP處理，采集到的脈搏波信號經(jīng)USB傳送到上位機顯示，如圖4所示。

圖2 DSP處理核心模塊Fig.2 DSP processing core module

圖3 血壓信號采集模塊原理Fig.3 The block diagram of blood pressure signal acquisition module

圖4 壓力脈搏波波形Fig.4 Pressure pulse waveform

1.2 電源部分

電源是硬件電路中最基礎(chǔ)也最重要的部分，其設(shè)計在一定程度上影響系統(tǒng)的性能，也決定一個產(chǎn)品的質(zhì)量。由于本系統(tǒng)基于手持式醫(yī)用電子檢測設(shè)備，電源部分的性能直接影響到系統(tǒng)工作的待機時間。系統(tǒng)電源通過一塊諾基亞電池BL-5F供電，由于電池的輸出電壓范圍為3.8～4.2V，所以需要LT1930組成的微型3.3V轉(zhuǎn)5V電源電路，將電池電壓升到5V給系統(tǒng)供電，LT1930輸入電壓范圍為2.6～16V。當對電池充電時，液晶顯示正在充電的提示信息，通過實時采集電池的輸出電壓，可以方便用戶對電池的電量進行實時了解，以棒圖形狀顯示電池的電量，給用戶一個宏觀的顯示。當電池電量不足時，系統(tǒng)可以提醒用戶對電池進行充電。

所用的電源需分別給模擬電路和數(shù)字電路供電。單就5402 DSP電源電路的設(shè)計來說，需要兩路供電電壓，即I/O電壓3.3V、內(nèi)核電壓1.8V。對DSP的內(nèi)核電壓和I/O電壓的上電順序也有嚴格的要求，不同的DSP上電順序是不同的［6］。與大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計一樣，本系統(tǒng)也采用+5V作為主供電系統(tǒng)，因此模擬電路的集成芯片供電用+5V。DSP的+3.3V和+1.8V從+5V經(jīng)過調(diào)壓電路得到，電源管理芯片采用TI公司的TPS73HD318集成芯片。該芯片不僅能提供DSP所需的兩路電壓，而且還能提供一個脈寬為200ms的低脈沖復位信號，供電系統(tǒng)上電復位。為了起到系統(tǒng)自動電源管理的作用，DSP通過XF引腳來控制TPS73HD318芯片的使能腳EN。通過對模擬部分輸入AD數(shù)據(jù)的閾值判斷，初步設(shè)定閾值為0x4d8H。如果ADC采樣的數(shù)據(jù)大于該閾值則表明用戶正在進行測量；如果小于該閾值，系統(tǒng)工作5min后通過DSP的通用I/O引腳XF發(fā)高電平，關(guān)斷電源輸出，達到降低功耗的作用，提高電池的待機壽命。

1.3 血壓測量

采用示波法測量血壓。示波法（oscillometric method）也稱為測振法或振動法，與其他無創(chuàng)測量方法相比，具有操作簡單、實時性強和人為干擾因素少的優(yōu)點［7］。圖5所示的是對袖套充氣加壓到160mmHg、再進行緩慢放氣時出現(xiàn)的脈搏，脈搏波的最大幅值對應為平均壓，收縮壓和舒張壓由對應脈搏波最大振幅的比例而定。此時測得的血壓值與理想值的偏差會較大，需要進行校正，而且隨著測量的進行，溫度會影響測量電路造成漂移，使采集到的波形信號相應地發(fā)生漂移；雖然在元器件選擇和電路設(shè)計上都考慮到了溫度變化所造成的影響，但在實際測量中，溫度的變化還是會對測量造成不小的影響。

圖5 收縮壓和舒張壓對應脈搏波最大振幅的比例Fig.5 The ratio of the maximum amplitude pulse wave corresponds to systolic and diastolic blood pressure

1.3.1 壓力校正

在血壓計算過程中，最主要的就是通過算法找到脈絡(luò)中幅值的最高點，即脈搏波峰峰值Pm。在計算收縮壓和舒張壓時，需要根據(jù)經(jīng)驗值來對各自的系數(shù)進行定標。在計算之后，將測得的結(jié)果與水銀柱血壓計測得結(jié)果進行對比試驗，重復測量1 000次，記錄試驗結(jié)果，利用統(tǒng)計學軟件SPSS15對兩組數(shù)據(jù)進行分析對比，有

式中，Ps為收縮壓，Pm為平均壓，Pd為舒張壓，a、b為對應收縮壓和舒張壓的經(jīng)驗系數(shù)。

重新修正式（1）和式（2）中的經(jīng)驗系數(shù)a、b得到的計算結(jié)果在標準誤差之內(nèi)。

1.3.2 溫度補償

在血壓測量時，脈搏波信號容易受到外界溫度的影響，如血壓計校正之后出現(xiàn)溫度變化，會影響血壓計測量的準確性。因此，這一過程在減小外界干擾、提高血壓測量準確度方面具有很重要的意義。溫度對血壓的影響主要體現(xiàn)在溫度對脈搏波傳播的影響，如果在測量前知道了受試者的體溫信息，就可以在原來的算法上補償溫度對血壓測量造成的誤差。這時，假設(shè)在短時間內(nèi)用戶的血壓平穩(wěn)，且沒有情緒上的波動，則測試時的不同溫度是造成血壓變化的顯著因子。在測量血壓之前，先測定受試者的溫度，然后立即測量記錄其血壓值；再人為改變外部溫度，測量并記錄對應的血壓信息。在300次試驗后得到一組試驗數(shù)據(jù)，利用SPSS15軟件對溫度與血壓之間的關(guān)系進行分析，得到溫度補償后的血壓計算公式即

式中，c和d為對應式（1）和式（2）的溫度補償系數(shù)，T為環(huán)境溫度。

經(jīng)過校正和溫度補償，得到血壓計測量的最終結(jié)果，在液晶屏上會顯示所測得的收縮壓、舒張壓與心率值。

1.4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計是基于TI公司專門設(shè)計的DSP編程環(huán)境CCS3.3，軟件是在軟件平臺上用C++語言編寫的，可移植性強。系統(tǒng)軟件由初始化、A/D轉(zhuǎn)換、LCD顯示、USB通信及電源管理部分構(gòu)成。初始化是通過DSP的Bootloader，完成對DSP的外部中斷、A/D轉(zhuǎn)換設(shè)置、I/O口及LCD顯示的設(shè)置；電源管理通過定時來設(shè)置電源芯片的工作狀態(tài)，使其在一定時間的閑置后關(guān)閉系統(tǒng)的電源，可外部中斷EINT0來喚醒DSP控制系統(tǒng)重新復位工作。通過觸摸屏液晶上的相關(guān)操作，可完成數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示及USB通信。系統(tǒng)控制流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.6 The block of software system

2 系統(tǒng)性能驗證

為了驗證測量的準確程度，選取了一些樣本，將其測量結(jié)果和人工聽診的柯氏音法進行對比［8］。選擇38例24～63歲的正常人作為實驗樣本，其中男性20人、女性18名。首先受試者在安靜狀態(tài)下休息10min，然后用水銀血壓計以柯氏音法測得血壓值為Pk1，休息10min后用所設(shè)計的電子血壓計測得血壓值為Pd，休息10min后再用水銀血壓計重新測量一遍，得血壓值記為Pk2，最后休息10min后再次測量一遍，得血壓值為Pk3，則水銀血壓計的測量值為3次測量的平均值Pk，以其作為水銀血壓計的測量值。最后，將測量值用SPSS15.0軟件進行數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果

DSP血壓采集系統(tǒng)測量的準確度為86.9％。對本血壓計測量的收縮壓和舒張壓與水銀血壓計測得的相應值進行比較，其趨勢見圖7?？梢钥闯觯狙獕河嫷臏y量結(jié)果與水銀血壓計測得的結(jié)果誤差較小、準確度較高，基本滿足血壓測量所需的精度要求。

圖7 實驗測得值和對照值的分布趨勢Fig.7 The distribution trends of measured values and control values

4 討論和結(jié)論

目前，市場上的電子血壓計大都采用柯氏音法或示波法測得。示波法采用間接的肱動脈血壓信息的測量方式，在脈搏波波形的提取中易受溫度或其他外界環(huán)境因素干擾。式（1）和式（2）中的血壓系數(shù)采用的是經(jīng)驗值，測量值、校準樣本的容量以及樣本所涵蓋的地域和人群等與測量結(jié)果有很大關(guān)系，容易引起偏差。對人體血壓和溫度的統(tǒng)計學分析得出：溫度與血壓值具有良好的統(tǒng)計學意義（P＜0.05），因此溫度對血壓的影響是顯著的。針對以上問題，在血壓算法中加入了校準和溫度補償?shù)人惴?，提高了血壓測量的準確性和相關(guān)性，但在樣本的選取上由于條件的限制，還不能很好地獲得大樣本信息，進而影響測得科學的測量結(jié)果。今后還將選取更多的樣本數(shù)據(jù)，采用更加科學的數(shù)據(jù)擬合方法，以便得到準確性更高的血壓測量值，為臨床提供直觀、準確的血壓測量信息。

所設(shè)計的DSP血壓計在血壓算法中進行了校準，增加了溫度補償算法，補償了因溫度造成的偏差，測量準確率達到86.9％，基本滿足臨床測量的要求。經(jīng)工程和臨床驗證，研制的DSP血壓計與水銀血壓計相比具有很好的相關(guān)性，對同一測試者，兩種測量方法的結(jié)果基本在同一趨勢上變化。增加了電源管理的功能，降低了儀器整體的功耗。在相同的條件下，本系統(tǒng)的待機時間比沒用電源管理技術(shù)的血壓計延長了1/3，用諾基亞BL-5B能連續(xù)正常工作20h。此外，儀器使用方便，特別是USB發(fā)送功能模塊，不僅能實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲，而且能很好地結(jié)合遠程醫(yī)療的概念，減少患者在求醫(yī)路程上的時間花費。儀器體積?。?5cm×8cm×3cm），方便攜帶。

利用TMS320C5402 DSP作為核心控制器件，充分利用其片內(nèi)、外設(shè)資源，實現(xiàn)了對血壓信號的采集、顯示、分析與發(fā)送。系統(tǒng)實用性強，人機接口簡單可靠，體積小、功耗低、便于攜帶，特別是電源管理技術(shù)的運用，延長了系統(tǒng)的待機時間。嵌入式的系統(tǒng)設(shè)計使得本系統(tǒng)攜帶方便，可用于野外醫(yī)療和戶外急救場所，也可用于家庭和社區(qū)等，是一種經(jīng)濟實用的健康監(jiān)護系統(tǒng)。

［1］錢峰，劉晰.基于示波法的電子血壓計實現(xiàn)［J］.儀器儀表學報，2006，27（6）：1534-1535.

［2］胡勝勇.電子血壓計的USB接口設(shè)計［D］.湖南：中南大學，2009.

［3］Jilek J.Electronic sphygmomanometers：the problems and some suggestions［J］.Biomedical Instrumentation and Technology，2003，37（4）：231-233.

［4］Xin Xuegang，Chen Wufan.Introduction of an electronic aneroid sphygmomanometer that could meet both professional and unprofessional demands［J］.Medical ＆ Biological Engineering＆ Computing，2010，48（8）：829-831.

［5］羅志昌，張松，楊益民.脈搏波的工程分析與臨床應用［M］.北京：科學出版社，2006：93-96.

［6］張衛(wèi)寧.DSP原理與應用教程［M］.北京：科學出版社，2008：328-333.

［7］Branson KR，Wagner-Mann CC，Mann FA.Evaluation of an oscillo2metric blood pressure monitor on anesthetized cats and the effect of cuff placement and fur on accuracy［J］.Vet Surg，1997，26（4）：347-353.

［8］Mieke S.A simulator to test automated non-invasive sphygmomanometers［C］//Dossel O，Schlegel WC，.eds.IFMBE Proceedings.Muncih：Springer-Verlag，2009：356-358.